CC BY
39
УДК 551.462:550.84.09
Г.Г. Ахманов1, О.М. Хлыстов2, М.А. Соловьева3, В.Н. Ефремов4, О.Н. Видищева5, А. Маццини6, А.А. Кудаев7, И.А. Буланова8, А.А. Барымова9, Е.К. Гордеев10, М.Т. Деленгов11, Е.Д. Егошина12, Я.В. Сорокоумова13, П.О. Понимаскин14
ОТКРЫТИЕ НОВОЙ ГИДРАТОНОСНОЙ СТРУКТУРЫ НА ДНЕ ОЗ. БАЙКАЛ15
Новая подводная гидратоносная структура, получившая название «МГУ», обнаружена 29 июля 2018 г. в ходе геолого-геофизической экспедиции проекта Class@Baikal на дне центральной котловины оз. Байкал, на траверсе пролива Ольхонские Ворота, на глубине 1380 м, в районе с координатами 52°52' с.ш., 107°07' в.д. Структура «МГУ» — субизометричная в плане, многовершинная возвышенность с диаметром основания около 500 м, приуроченная к тектоническому нарушению. Данные предварительного изучения структуры однозначно указывают на современную активную флюидоразгрузку и гидратоформирование в ее пределах. Результаты лабораторных исследований состава и свойств разгружающихся газов зафиксировали значительную концентрацию термогенных углеводородов.
Ключевые слова: газогидраты, углеводородные газы, природные сипы, донный про-боотбор, сейсмопрофилирование, оз. Байкал.
A new deep-water hydrate-bearing structure, named after MSU, has been discovered the 29th of July 2018 during the geological-geophysical research cruise of the Class@Baikal project. The structure lies on a fault scarp at the bottom of the central basin of Lake Baikal at a water depth of 1380 m (coordinates N 52°52' / E 107°07'). The "MSU" structure is sub-isometric in planar view, 500 m in diameter, and reveals a multi-summit morphology. Results of initial investigations show an active fluid seepage and gas-hydrate formation within the discovered structure. Laboratory analyses of the sampled gases indicate a significant concentration of thermogenic hydrocarbons.
Key words: gas hydrates, hydrocarbon gases, seafloor seepages, bottom sampling, seismic profiling, Lake Baikal.
Введение. 29 июля 2018 г. в ходе работ со- сова и Лимнологического института СО РАН на
вместной геолого-геофизической экспедиции борту научно-исследовательского судна (НИС)
геологического факультета Московского госу- «Г.Ю. Верещагин» в рамках проекта Class@Bai-
дарственного университета имени М.В. Ломоно- kal (Байкальский плавучий университет) на дне
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра геологии и геохимии горючих ископаемых, доцент; e-mail: akhmanov@geol.msu.ru
2 ЛИН СО РАН, лаборатория геологии оз. Байкал, и.о. зав. лабораторией; e-mail: oleg@lin.irk.ru
3 ООО «ЦАСД МГУ», геофизик; e-mail: marina-sol@yandex.ru
4 ООО «ЦАСД МГУ», геофизик; e-mail: efremovmsu@gmail.com
5 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра геологии и геохимии горючих ископаемых, аспирант; e-mail: vid6877@yandex.ru
6 Университет Осло (Норвегия), Центр эволюции Земли и динамики, науч. с.; e-mail: adriano.mazzini@geo.uio.no
7 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра геологии и геохимии горючих ископаемых, аспирант; e-mail: tyrka1995@mail.ru
8 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра сейсмометрии и геоакустики, студент; e-mail: irabulanova97@mail.ru
9 ООО «ЦМИ МГУ», геолог; e-mail: alexandra.barymova@marine-rc.ru
10 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра сейсмометрии и геоакустики, аспирант; e-mail: zirgen@yandex.ru
11 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра геологии и геохимии горючих ископаемых, студент; e-mail: delengov.mihail@mail.ru
12 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра геологии и геохимии горючих ископаемых, студент; e-mail: ksa_100@bk.ru
13 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра гидрогеологии, аспирант; e-mail: yana1992@gmail.com
14 ООО «Сплит», геофизик; e-mail: pavel.pon@mail.ru
15 Экспедиция Class@Baikal-2018 организована на средства Е.А. Бакай и за счет средств геологического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, ООО «ЦАСД МГУ», ООО «ЦМИ МГУ», проекта ЛИН СО РАН (№ 0345-2016-0007), гранта РФФИ (проект №18-35-00363).
центральной котловины оз. Байкал обнаружена неизвестная ранее гидратоносная структура. Затем изучены морфология и внутреннее строение структуры, взяты пробы слагающих ее донных отложений, газовых гидратов и просачивающихся газов. Структуре присвоено название сип «МГУ».
Байкал — самый крупный и древний пресноводный водоем планеты, единственное озеро, где обнаружены скопления природных газовых гидратов. Газогидраты — внешне похожие на лед соединения метана с водой, образующиеся и устойчивые при постоянном подтоке газа в условиях большого давления и низкой температуры. Теоретические предпосылки и косвенные признаки гидратонос-ности глубоководных котловин Байкала обсуждались c конца прошлого века [Hutchinson et al., 1991; Гольмшток и др., 1997; Голубев 1997; Ефремова и др., 1980]. Первое фактическое подтверждение наличия газовых гидратов в осадках озера получено в 1997 г. в ходе бурения скважины BDP-97, когда из интервалов 121 и 161 м были подняты гидраты биогенного метана [Кузьмин и др., 1998]. Приповерхностные (поддонные) скопления газовых гидратов в виде визуально наблюдаемых линз и слоев впервые были обнаружены лишь в 2000 г. в районе структуры «Маленький» на дне южной котловины озера [Клеркс и др., 2003].
Впоследствии, при систематических исследованиях в рамках различных национальных и международных научных проектов, работавших с 2000 по 2017 г., в южной и центральной котловинах Байкала открыто несколько подводных ги-дратоносных структур, расположенных на глубине от 1500 до 400 м на абиссальных равнинных или склоновых участках дна озера [Khlystov et al., 2013; Хлыстов и др., 2017]. Большинство из известных к настоящему времени структур — относительно мелководные. Открытая в 2018 г. предварительно закартированная и опробованная структура «МГУ» стала пятой среди гидратоносных структур, обнаруженных на глубине более 1300 м. В статье впервые описаны ее морфология и внутреннее строение, изложены неопровержимые свидетельства гидратоносности, рассмотрены тектоническая приуроченность и генезис, приводятся данные первых анализов состава газов, разгружающихся в пределах структуры.
Географическое положение и тектоническая приуроченность. Подводная гидратоносная структура «МГУ» обнаружена на дне центральной котловины оз. Байкал на глубине 1380 м, в районе с координатами 52°52' с.ш., 107°07' в.д., на траверсе пролива Ольхонские Ворота, приблизительно в центре котловины — в 31 км от ее северо-западного борта и в 50 км от юго-восточного (рис. 1). Структура «МГУ» приурочена к крупному разлому — главному тектоническому элементу глубоководной части центральной котловины Байкала. Тектоническое нарушение протягивается от м.
Ухан (о. Ольхон) в юго-западном направлении к подножию авандельты р. Селенга и сечет котловину субдиагонально на две примерно равные части. Нарушение отчетливо выражено в рельефе дна в виде протяженного и почти прямолинейного в плане уступа. Высота уступа максимальна в части, примыкающей к о. Ольхон, на юго-запад уступ постепенно выполаживается. На северо-восток от рассматриваемой структуры вдоль этого же разлома расположены несколько ранее изученных зон фокусированной разгрузки углеводородов и приповерхностного гидратообразования, в частности, в 20 км — грязевой вулкан Новосибирск и в 4,5 км сип Санкт-Петербург [Сиу1аег18 et а1., 2012; КЬ^оу et а1., 2013].
Морфология и строение. В ходе экспедиции С1а88@Ва1ка1-2018 структура «МГУ» была пересечена тремя профилями (профили BL18-127PS, BL18-132PS и BL18-133PS (рис. 1)) по методике непрерывного сейсмического профилирования, на скорости хода судна около 3,5 узлов (7 км/ч). Источник сейсмических колебаний — многоэлектродный электроискровой («спаркер»). Центральная частота возбуждаемого сигнала 400 Гц, энергия источника 1000 Дж. Регистрация велась одноканальной косой длиной 20 м из 40 пьезо-приемников. Набортная обработка полученных сейсмических данных выполнялась в программном комплексе RadExPro, разработанном компанией ООО «Деко-геофизика СК». Дополнительно сотрудниками Иркутского национального исследовательского технического университета (ИРНИТУ) под руководством А.Г. Ченского проведена съемка обнаруженной структуры с использованием многолучевого эхолота «Копе^Ъе^ EM710S» (рис. 1). Полученные сейсмические и батиметрические данные позволили предварительно охарактеризовать морфологию и особенности внутреннего строения обнаруженной структуры.
Структура «МГУ» — субизометричная в плане, сложнопостроенная, многовершинная возвышенность (рис. 1). Диаметр ее основания составляет около 500 м. Структура состоит из четырех небольших (высота 5—10 м) подводных холмов, один из которых сформирован на поднятом крыле тектонического уступа, а три находятся на опущенном крыле субпараллельно подножию уступа. В районе развития структуры общая высота уступа около 20 м. На всех сейсмических профилях под структурой выявлена зона потери корреляции, расширяющаяся к низу записи до 1000 м; волновая картина слагающих структуру отложений хаотична (рис. 2, 3 и 4). На профилях на флангах структуры выделяется несколько участков, характеризующихся высокоамплитудными отражениями с обратной полярностью (рис. 2). Это типичные для зон фокусированной разгрузки углеводородов акустические аномалии типа «яркое пятно», свидетельствующие о высоком газонасыщении отложений, которые
слагают структуру, и наличии газовых «карманов» в ее обрамлении.
На сейсмопрофилях детали внутреннего строения структуры «МГУ» маскируются хаотичными внутренними отражениями, формирующимися прежде всего за счет газонасыщенности. Тем не менее нельзя исключить возможность вертикального массопереноса — подъема по подводящему каналу нижележащих алевроглинистых накоплений по типу действия грязевого вулкана. В пользу такого предположения может свидетельствовать наличие структуры-сателлита, наблюдаемой на профилях вплотную к основной структуре, на ее северо-северо-восточном фланге (рис. 3). Эта структура-сателлит также характеризуется хаотичными внутренними отражениями. Она не выходит на дневную поверхность, погребена под 100-метровой толщей осадков и не выражена в современном рельефе дна. Примыкающие к ее флангам слои нормальных вмещающих отложений задраны, а перекрывающие ее слои выгнуты вверх. Такая картина возможна только в том случае, если вертикальная флюидомиграция сопровождается перемещением твердокомпонентного минерально-породного субстрата. Кроме того, в 800 м на запад
от центра структуры «МГУ» на сейсмопрофиле BL18-127PS отчетливо выделяется структура протыкания нормального осадочного разреза (рис. 4). Она пересечена лишь одним профилем, ее необходимо доизучить, но ее диапировая или грязе-вулканическая природа практически несомненна.
Газо- и гидратоносность. На основании данных сейсмопрофилирования в пределах структуры «МГУ» было выбрано 5 станций, на которых выполнен донный пробоотбор (рис. 1). Анализ полученного керна подтвердил аномально высокую газонасыщенность донного ила в пределах всей структуры, а также гидратоносность по крайней мере в ее западной части. Пробоотбор выполнен ударной трубкой длиной 5 м, массой 500 кг и внутренним диаметром 100 мм, оснащенной осветителем и системой подводной широкоугольной видеосъемки 48 кадров/мин. с разрешением 2,7к.
Пробы приповерхностных донных отложений, поровых вод и газов для анализов были взяты со всех четырех вершин структуры «МГУ» и в понижении между вершинами и тектоническим уступом. Все полученные образцы сильно газо-насыщены, в лаборатории на борту наблюдались характерные текстуры дегазации ила, в колон-
Рис. 1. Перспективное изображение рельефа дна в районе гидратоносной структуры «МГУ» с нанесенными линиями сейсмопрофилей и их номерами (1) и точками донного пробоотбора с номерами станций (2). На врезке — географическое положение района исследований
ках отмечены крупные субвертикальные каналы флюидомиграции. Кроме того, на современную активную флюидоразгрузку в пределах опробованной структуры указывало присутствие в керне лишь маломощного (до 1 см) окисленного слоя верхнеголоценовых озерных диатомовых илов, характерных для нормальных разрезов байкальских донных отложений, а в большинстве отобранных колонок отмечено полное отсутствие такого окисленного слоя. Вскрытый разрез представлен почти гомогенными, массивными и сильноразжи-женными пелитовыми глинистыми илами с еле заметными пятнами гидротроилита. Такие отложения могут представлять собой так называемые сопочные глины, обычно локально изливающееся на поверхность грязевулканической постройки в периоды между более масштабными извержениями грязевого вулкана.
Колонка BL18-346G, вскрывшая гидратосо-держащий разрез, отобрана с самой западной из нижних вершин структуры (рис. 1). Отложения представлены глинистыми илами с гидротроили-том и с маломощными алевритовыми и тонкопесчаными прослоями. При подъеме со дна на борт НИС начиная с глубины воды около 380 м трубка давала газовый «шлейф», отчетливо наблюдаемый на судовом эхолоте. Такое явление обычно сопро-
вождает подъем со дна Байкала всех пробоотборников, содержащих пробы с газовыми гидратами, которые стабильны глубже 380 м и начинают интенсивно разлагаться на воду и газ при пересечении этой отметки — верхней границы зоны стабильности газогидратов. Внезапно начавшееся и интенсивно усиливающееся при продолжении подъема трубки выделение газовых пузырей хорошо регистрируется штатным эхолотом в виде характерного шлейфа на акустической записи. Кроме того, интенсивное выделение пузырей газа из трубки в водную толщу зафиксировано видеокамерой, установленной на трубке. Видимые невооруженным глазом гидраты в керне после его извлечения и переноса в лабораторию не наблюдались. Однако после разрезания на половинки нижних секций отобранной колонки в течение нескольких минут отчетливо слышалось характерное шипение и треск, что типично для диссоциации микрокристаллов гидратов. Осадки сразу после разрезания колонки напоминали консистенцию сыра рокфор и выглядели сухими. Через некоторое время илы становились сильноразжиженными, муссоподобными. Все это позволяет однозначно утверждать, что отобранные на станции BL18-346G приповерхностные осадки характеризуются высокой гидратонасыщенностью. Вероятно, пода-500 2000 2500 м
Рис. 2. Фрагмент сейсмического профиля BL18-133PS. Структура «МГУ» с акустическими аномалиями типа «яркое пятно». Стрелками показано положение точек донного опробования. Положение профиля см. на рис. 1
вляющий объем гидратов был в форме рассеянных микрокристаллов, хотя исключать изначальное присутствие в разрезе более крупных выделений (линзы, жилы, прослои) не следует, так как известно, что потери гидратов при разложении во время подъема трубки и излечения из нее керна на борту судна обычно весьма значительны.
Пробы газа, отобранные из осадков, проанализированы Г.А. Баталиным и Б.И. Гареевым в лаборатории изотопного и элементного анализа Института геологии и нефтегазовых технологий Казанского федерального университета на изотопном масс-спектрометре «Thermo Fisher Scientific Delta V Plus» с хромато-масс-спектрометрической приставкой «ISQ-TRACE 1310». Установлено, что концентрация метана в отложениях структуры «МГУ» достигает 126 104 мкл/л, что превышает известные «фоновые» значения (до 13 350 мкл/л [Видищева и др., 2017]) почти в 9,5 раз. Также в отобранных пробах газа зафиксированы этан (до 250 мкл/л), пропан (до 2,22 мкл/л), бутан (до 0,57 мкл/л), пентан и изопентан. Углерод газов — изотопно-утяжеленный, особенно углерод
гомологов метана (б13С(СН4) от —63,6 до —66,8%о; 813С(С2Н6) от -28,7 до -31,1%; б13С(С3Н8) от -21,9 до -24,5%; б13С(С4Н10) от -23,9 до -35,0%). Полученные данные свидетельствуют о высокой современной активности фокусированной разгрузки углеводородов в пределах структуры «МГУ», а также однозначно указывают на значительную примесь термогенных катагенетических углеводородов в разгружающихся газах.
Заключение. Открытие на дне Байкала новой гидратоносной структуры, получившей название «МГУ», — новый шаг в исследовании современных геологических процессов, формирующих облик этого уникального озера. Данные предварительного изучения структуры однозначно указывают на современную активную флюидоразгрузку и гидратоформирование в ее пределах. Углеводородные газы, разгружающиеся в пределах структуры «МГУ», характеризуются составом и свойствами, свидетельствующими об их формировании в толщах глубокопогруженных осадочных образований во впадине Байкала. Некоторые данные позволяют предполагать, что структура «МГУ» может быть
Рис. 3. Фрагмент сейсмического профиля BL18-132PS, демонстрирующий основную структуру «МГУ» и примыкающую к ней с северо-востока структуру-сателлит. Стрелкой показано положение точки донного опробования. Положение профиля см. на рис. 1
Рис. 4. Фрагмент сейсмического профиля BL18-127PS. На западе-северо-западе от основной структуры «МГУ» обнаружена вертикальная структура протыкания. Стрелками показано положение точек донного опробования. Положение профиля см. на
рис. 1
подводным грязевым вулканом. В целом и формирование структуры «МГУ», и ее современные активность и гидратоносность отражают особен-
ности проявления работы углеводородной системы молодого синрифтового осадочного бассейна на фоне неотектонических процессов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Видищева О.Н., Кислицына Е.В., Ахманов Г.Г. и др. Грязевые вулканы, сипы и газовые гидраты озера Байкал: геохимическая характеристика углеводородных газов // Тр. VI Междунар. науч.-практ. конф. «Морские исследования и образование (MARESEDU-2017)». Тверь: ООО «ПолиПРЕСС», 2017. С. 211-215.
Голубев В.А. Геотермический прогноз глубин нижней границы газогидратного слоя в донных отложениях озера Байкал // Докл. РАН. 1997. Т. 352, № 5. С. 652-665.
Гольмшток А.Я., Дучков А.Д., Xатчинcон Д.и др. Оценки теплового потока на озере Байкал по сейсмическим данным о нижней границе слоя газогидратов // Геология и геофизика. 1997. Т. 38, № 10. С. 1677-1691.
Ефpемова А.Г., Андpеева М.В., Левшенко Т.В. и др. О газах в осадках Байкала // Газовая промышленность. Сер. Геология и разведка газовых и газоконденсатных месторождений. 1980. № 2. С. 15-27.
Клеркс Я., Земская Т.И., Хлыстов О.М. и др. Гидраты метана в поверхностном слое глубоководных осадков озера Байкал // Докл. РАН. 2003. Т. 393, № 6. С. 822-826.
Кузьмин М.И., Калмычков Г.В., Гелетий В.А. и др. Первая находка газогидратов в осадочной толще озера Байкал // Докл. РАН. 1998. Т. 362, № 4. С. 541-543.
Хлыстов О.М., Минами Х., Хачикубо А. и др. Распределение гидратоносных структур на дне озера Байкал // Экологический атлас Байкальского региона. 2017. [Электр. ресурс геопортала]: Карта № 185. URL: http:// atlas.isc.irk.ru, свободный (дата обращения: 29.06.2018).
Cuylaerts M, Naudts L, Casier R. et al. Distribution and morphology of mud volcanoes and other fluid flow-related lake-bed structures in Lake Baikal, Russia // Geo-Marine Lett. 2012. Vol. 32, N 5. P. 383-394.
Hutchinson D.R., Golmshtok A.J., Scholz C.A. et al. Bottom simulating reflector in Lake Baikal // EOS. 1991. Vol. 72. P. 307-308.
Khlystov O., De Batist M, Hachikubo A. et al. Gas hydrate of Lake Baikal: Discovery and varieties // J. Asian Earth Sc. 2013. Vol. 62, N 1. P. 162-166.
Поступила в редакцию 30.07.2018
