The expansive plains of West Siberia contain globally significant carbon stocks, with Earth's most extensive peatland complex overlying the world's largest-known hydrocarbon basin. Numerous terrestrial methane seeps have recently been discovered on this landscape, located along the floodplains of the Ob and Irtysh Rivers in hotspots covering more than 2500 km2 . We articulated three hypotheses to explain the origin and migration pathways of methane within these seeps: (H1) uplift of Cretaceous-aged methane from deep petroleum reservoirs along faults and fractures, (H2) release of Oligocene-aged methane capped or trapped by degrading permafrost, and (H3) horizontal migration of Holocene-aged methane from surrounding peatlands. We tested these hypotheses using a range of geochemical tools on gas and water samples extracted from seeps, peatlands, and aquifers across the 120,000 km2 study area. Seep-gas composition, radiocarbon age, and stable isotope fingerprints favor the peatland hypothesis of seep-methane origin (H3). Organic matter in raised bogs is the primary source of seep methane, but observed variability in stable isotope composition and concentration suggest production in two divergent biogeochemical settings that support distinct metabolic pathways of methanogenesis. Comparison of these parameters in raised bogs and seeps indicates that the first is bogs, via CO2 reduction methanogenesis. The second setting is likely groundwater, where dissolved organic carbon from bogs is degraded via chemolithotrophic acetogenesis followed by acetate fermentation methanogenesis. Our findings highlight the importance of methane lateral migration in West Siberia's bog-dominated landscapes via intimate groundwater connections. The same phenomenon could occur in similar landscapes across the boreal-taiga biome, thereby making groundwater-fed rivers and springs potent methane sources.
На территории Западно-Сибирской равнины сосредоточены запасы углерода глобального значения, включая наибольшую по площади систему болот в мире и наибольший по величине разведанных ресурсов углеводородный бассейн в мире. Недавно в регионе были найдены многочисленные локальные выходы метана (сипы), покрывающие 2,500 квадратных километров в поймах Оби, Иртыша и их притоков. Мы рассматриваем три гипотезы, объясняющие происхождение метана в сипах и пути их миграции: (H1) вертикальная миграция метана из меловых нефтегазоносных отложений по трещинам и разрывам в земной коре, (H2) высвобождение метана в процессе деградации реликтовой мерзлоты, расположенной в отложениях олигоценового возраста, (H3) горизонтальная миграция метана голоценового возраста из окружающих болот. Мы протестировали предложенные гипотезы, определив значения различных геохимических показателей в образцах газа и воды, взятых из сипов, болот и грунтовых вод региона на территории площадью 120,000 квадратных километров. Компонентный состав газа, радиоуглеродный возраст метана, а также состав стабильных изотопов свидетельствовали в пользу болотной гипотезы происхождения метана в сипах. Органика верховых болот оказалась основным субстратом для продукции метана, выходящего через сипы, однако высокая вариабельность значений его концентрации и состава стабильных изотопов указывала на то, что этот метан был продуцирован по разным метаболическим путям в двух геохимически отличающихся источниках. Сравнение значений этих параметров между сипами и верховыми болотами показало, что один из этих источников - сами верховые болота, в которых метан, выходящий через сипы, был продуцирован по гидрогенотрофному пути. Второй из этих источников - это, вероятно, грунтовые воды, в которых финальными стадиями разложения растворённого органического углерода, поступившего из верховых болот, являются хемолитоавтотрофный ацетогенез, сопряжённый с ацетотрофным метаногенезом. Проведённые исследования иллюстрируют важность горизонтальной миграции между типичными бореальными биогеоценозами посредством грунтовых вод, раскрывая механизмы связей между ними. Такая же горизонтальная миграция метана может происходить и в других регионах мира, в которых болота покрывают значительные площади, что может приводить к высокой эмиссии метана из рек и ручьёв, питаемых грунтовыми водами.
Keywords: groundwater methane; metabolic pathways; methane biogeochemistry; northern peatlands; stable isotopes.
© 2023 John Wiley & Sons Ltd.