CC BY
2УДК 550.4.02
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ГИДРАТОВ МЕТАНА В МОРСКИХ ОСАДКАХ ОСТРОВА САХАЛИН
И Полоник Н. С., Верещагина О. Ф.
Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичёва ДВО РАН, Владивосток, Россия
E-mail: [email protected]@mail.ru
Благодаря экспериментальным данным, полученным в ходе экспедиционных работ в Охотском и Японском морях в 2012-2015 гг. предложена эмпирическая схема формирования газовых гидратов, которая заключается в непосредственном участии газогидратных слоев в переносе потока метана из глубины осадочных накоплений к поверхности морского дна. Ключевые слова: газовые гидраты, остров Сахалин, метан, морские осадки.
FEATURES OF FORMATION OF METHANE HYDRATES IN MARINE
SEDIMENTS OF SAKHALIN ISLAND
И Polonik N. S., Vereshchagina O. F.
V. I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute (POI FEB RAS), Vladivostok, Russia
According to the experimental data obtained during the expeditions in the Okhotsk Sea and the Sea of Japan in 2012-2015, an empirical scheme for the formation of gas hydrates is proposed, including the direct participation of the gas hydrate layers in the transfer of the methane from the depth of marine sediments to the surface of the sea bottom.
Key words: gas hydrates, Sakhalin Island, methane, marine sediments.
Введение. В последние десятилетия природные газовые гидраты метана интенсивно исследуются благодаря перспективам их добычи и применения в качестве углеводородного сырья, способности влиять на экологические сообщества и для лучшего понимания их вклада в глобальный биогеохимический цикл углерода.
Особый интерес для поиска и изучения газовых гидратов представляет остров Сахалин и прилегающая акватория. Многолетние комплексные исследования [1, 3, 5, 6] позволили выделить три основных газогидратных района на шельфе и склоне острова: 1) впадина Дерюгина и северо-восточный склон острова Сахалин; 2) залив Терпения и западный склон Курильской котловины; 3) Татарский пролив Японского моря.
Методика. Работа выполнена по материалам экспедиций в Охотское море и Татарский пролив (Японское море) в 2012-2015 гг. [5, 6]. Для отбора осадка применялись гравитационные геологические трубки длиной 5,75 м. Газохроматографический анализ углеводородных газов в осадке выполнялся непосредственно на борту судна с использованием хроматографа
«Кристаллюкс-4000М» (Россия). Метод равновесных концентраций (headspace) использовался для подготовки проб к анализу. Гидроакустические измерения производились с помощью модернизированного комплекса судовых эхолотов и многоканальной системы цифровой регистрации гидролокационных сигналов [4]. Сейсмопрофилирование применялось для поиска аномалий типа «газовые каналы» и «мутная толща» или BSR (bottom-simulating seismic reflector) в осадке.
Результаты. Для западного склона Курильской котловины (Охотское море) и Татарского пролива (Японское море) характерной особенностью обнаруженных газогидратных районов являлось наличие субвертикальных акустических аномалий — «газовых факелов», маркирующих участки дна с выходом газовых пузырей (рис. 1А). Газовые факелы были приурочены к диапазону глубин от 148 до 2200 м для Охотского моря и от 140 до 755 м для Японского моря. Наибольшее количество факелов было зафиксировано в диапазоне глубин от 300 до 350 м, который соответствовал верхней границе зоны стабильности газовых гидратов. Обнаруженные факелы преимущественно располагались на более крутых склонах морских впадин. Для мелководных участков (до 300 м) количество факелов было в 2 раза меньше, а для глубоководных (свыше 350 м) — в 10 раз меньше, чем число факелов на кромке шельфа (300-350 м). По-видимому, фундамент острова ограничивает выход мелководных факелов, а толща плотного осадочного материала на больших глубинах способствует развитию газогидратных слоев в направлении берега.
141.37'£ ■ 41 yj'E 141.4ГЁ
Рис. 1. Профиль LV62-12 (Татарский пролив): А — акустическая аномалия «газовые факелы»; Б — сейсмическая аномалия «мутная толща» (стрелки отмечают границы акустического профиля); B — 3D-визуализация зоны SMI
ниже дна; Г — гидратоносная площадь «мутная толща»
Сейсмические аномалии BSR наблюдались на северо-восточном склоне острова Сахалин [3] и в Татарском проливе. На сейсмических профилях в Татарском проливе была обнаружена площадная аномалия «мутная толща» (рис. 1Б). Здесь были найдены гидраты и зоны эмиссии метана в воду.
Газохроматографический анализ морских осадков показал, что метан имеет три типа распределения. В первом случае концентрация метана достаточно монотонно увеличивалась от поверхности дна в глубину керна от 0,01 до 1 мл/л. Такое распределение свидетельствует о диа-генетическом преобразовании органического вещества в осадке (ранний диагенез). Во втором случае для осадков, отобранных в газовом факеле, концентрация метана оставалась стабильно высокой (около 100 мл/л) и практически не изменялась вдоль всего керна. В третьем случае для осадков, отобранных на дистанции от газовых факелов, наблюдалось резкое скачкообразное увеличение концентрации метана от 1 до 80-100 мл/л на различных глубинах кернов. Подобный скачок маркирует зону SMI (Sulphate-Methane Interface) — слой осадка, в котором происходит окисление метана, выделившегося при диссоциации газового гидрата, и восстановление сульфат-иона in situ. По сути, этот скачок определяет положение гидрата в осадке в процессе роста. Визуализация 3D, построенная по глубинам положения зоны SMI для группы близко расположенных станций, позволила уточнить форму и локализацию гидратной структуры в районе акустического профиля LV62_12 (рис. 1В). Мы предполагаем, что подобную форму могут иметь и другие гидратные структуры на площади «мутная толща» размером около 2000^900 м, расположенной на глубине моря 320-340 м (рис. 1Г).
Этан сопутствовал метану в осадках с высокой концентрацией метана. Распределение этана повторяло линию поведения метана в колонке, а содержание этана было меньше примерно в тысячу раз [6]. Максимальная концентрация этана (1187 мкл/л) была зафиксирована на гидрат-ной станции Татарского пролива (LV-62-24HC). Увеличение молекулярного веса гомологов метана (пропан-пентан) значительно изменяет их физико-химические параметры и подвижность. Они в незначительном количестве накапливались в осадках некоторых гидратоносных станций западного борта Курильской котловины (LV-62-08).
Газовые гидраты западного борта Курильской котловины были представлены в основном в виде небольших кусочков, линз или прослоек, иногда имеющих субвертикальный характер (рис. 2). Толщина горизонтов с газогидратными включениями была относительно невелика и варьировалась от 12 до 70 см. Схожий характер образования гидратоносных слоев также наблюдался и в осадках Татарского пролива. Для Татарского пролива толщина осадочных слоев, содержащих гидраты, была намного больше и в отдельных случаях превышала 100 см.
На основании анализа большого объема экспериментального материала, полученного в ходе экспедиций (фотографий газогидратоносных кернов, глубины залегания зоны SMI), нами была предложена возможная схема формирования газовых гидратов в морских осадочных бассейнах.
Формирование гидратов в осадочной толще начинается на нижней границе зоны стабильности газовых гидратов (ЗСГГ), которая, вероятно, представлена влажным тонкозернистым глинистым
материалом (пелиты, алевролиты). Плотный слой осадка с микронным размером пор становится барьером (неподвижной фазой) для потока газа из подстилающих слоев. Подвижной фазой является смесь метана с молекулами водяного пара, захваченными при разрыве водородных связей кластеров поровой воды. Молекулы газовой смеси [2] находятся в непрерывном движении и взаимодействуют друг с другом без образования стабильных связей.
Находящаяся под давлением потока метана газовая смесь распространяется по осадочным слоям вдоль нижней границы ЗСГГ (неподвижной фазы). Газ разрывает водородные связи кластеров поровой воды, вытесняя растворенные в них вещества. Молекулы водяного пара из газовой смеси завершают образование новых кластеров, уже содержащих внутри метан. Затем происходит фазовый переход (адиабатическое сжатие), при котором выделяется скрытая теплота кристаллизации. По нашим наблюдениям, кристаллизация газовых гидратов происходит послойно с образованием тонких прозрачных пластинок. Дальнейшее формирование гидрата происходит уже на кристаллических поверхностях и приводит к увеличению толщины пластинок.
Образовавшийся гидрат становится барьером для дальнейшего переноса газа вверх на данном участке. Газовая смесь распределяется далее по проницаемым каналам, создавая гидратную текстуру, обусловленную плотностью осадочных пластов, зависящих от условий осадконако-пления. Растущие прослойки гидрата создают локальные области повышенного давления с неоднородными границами, пропускающими газ вверх. Это предположение подтверждается формированием вертикальных и горизонтальных слоев гидрата в осадках (см. рис. 2).
Гидратная структура со временем достигает поверхности дна, являясь основным переносчиком метана через ЗСГГ на морское дно. На поверхности дна происходит высвобождение газа из клатратов гидрата в воду в связи с изменением физико-химических условий. Ледяная
!_У-59-29 1.Л/-62-08 1Л/-62-07 1У-70-07
Рис. 2. Колонки морского осадка с прослойками газовых гидратов: западный борт Курильской котловины — ГУ-62-07, ГУ-62-08; Татарский пролив — ГУ-70-07, ГУ-59-29
решетка гидрата тает, возвращая кристаллизационную воду в осадок. Диссоциация гидрата приводит к образованию газонасыщенных слоев, которые становятся путями миграции СН4 из глубоких слоев осадка в воду.
Выводы. Предложена эмпирическая схема формирования газовых гидратов, переносящих метан из глубоких слоев осадочных отложений на морское дно. Гидраты метана формируются в нижней части ЗСГГ. Их распространение в осадке и скорость роста зависят от интенсивности потока из источника и свойств осадочных пластов, обусловленных особенностями седиментации. Плотность и проницаемость осадочного материала определяют форму, размеры и текстуру гидрата. Слои гидрата в толще осадка образуют специфическую структуру, достигающую поверхности дна, где начинается его диссоциация. Визуализация 3D зоны SMI ниже поверхности дна позволяет маркировать выход на поверхность верхней части гидратной структуры, являющейся зоной эмиссии метана в воду.
Работа выполнена в рамках темы государственного задания FWMM-2024-0029. Список литературы
1. Верещагина О. Ф., Прокудин В. Г., Саломатин А. С. Морфоструктурные признаки наличия газовых гидратов в рыхлых осадочных отложениях / Сб. науч. статей по материалам IX Всероссийского симпозиума «Физика геосфер» Владивосток: Дальнаука, 2015. С. 270-274.
2. Игнатов И. И., Мосин О. В. Структурные модели воды, описывающие циклические нанокласте-ры // Наноматериалы и наноструктуры — XXI век. 2013. № 4. C. 9-20.
3. Матвеева Т. В., Соловьёв В. А. Газовые гидраты Охотского моря: закономерности формирования и распространения // Российский химический журнал. 2003. № 3 (47). С. 101-111.
4. Саломатин А. С. Зоны пузырьковой разгрузки метана в Татарском проливе Японского моря / Сб. науч. статей по материалам XI Всероссийского симпозиума «Физика геосфер». Вып. 2. Владивосток: ФГБУН «Тихоокеанский океанологический институт им. В. И. Ильичёва ДВО РАН», 2020. C. 155-167.
5. Operation report of Sakhalin slope gas hydrate Project 2012, RV Akademik M. A. Lavrentyev Cruise 59 / ed. Y. K. Jin. Incheon: Korea Polar Res. Inst., 2013. 163 p.
6. Operation report of Sakhalin slope gas hydrate Project II, 2015, RV Akademik M. A. Lavrentyev Cruise 70 / ed. H. Minami. Kitami: Kitami Inst. of Technology, 2016. 119 p.
References
1. Vereshchagina O. F., Prokudin V. G., Salomatin A. S. Morfostrukturnye priznaki nalichiya gazovyh gidratov v ryhlyh osadochnyh otlojeniyah / Sb. nauch. st. po mat. IX Vserossiiskogo simpoziuma «Fizika Geosfer». Vladivostok: Dalnauka, 2015. S. 270-274.
2. Ignatov I. I., Mosin O. V. Strukturnye modeli vody, opisyvayushchie ciclicheskie nanoklastery // Nanomaterialy i nanostruktury — XXI vek. 2013. N 4. S. 9-20.
3. Matveeva T. V., Solov'ev V. A. Gazovye gidraty Ohotskogo morya: zakonomernosti formirovaniya i rasprostraneniya // Rossijskij khimicheskij zhurnal. 2003. N 3 (47). S. 101-111.
4. Salomatin A. S. Zony puzyrkovoi razgruzki metana v Tatarskom prolive Yaponskogo moray / Sb. nauch. st. po mat. XI Vserossiiskogo simposiuma «Fizika Geosfer». Vyp. 2. Vladivostok: FGBUN Tihookeanskii okeanologicheskii institute im. V. I. Il'icheva DVO RAN, 2020. S. 155-167.
5. Operation report of Sakhalin slope gas hydrate Project 2012, RV Akademik M. A. Lavrentyev Cruise 59 / ed. Y. K. Jin. Incheon: Korea Polar Res. Inst., 2013. 163 p.
6. Operation report of Sakhalin slope gas hydrate Project II, 2015, RV Akademik M. A. Lavrentyev Cruise 70 / ed. H. Minami. Kitami: Kitami Inst. of Technology, 2016. 119 p.
