CC BY
3УДК 550.8.053+553.981(548.562)+550.8.012
ОЦЕНКА КОЛИЧЕСТВА МЕТАНА В ГАЗОВЫХ ГИДРАТАХ ОЗЕРА БАЙКАЛ МЕТОДОМ МОНТЕ-КАРЛО
И Щур А. А.1, Матвеева Т. В.1, Щур Н. А.2, Ахманов Г. Г.3, Соловьёва М. А.3
1 ФГБУ «ВНИИОкеангеология», Санкт-Петербург, Россия
2 Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия
3 Московский государственный университет, Москва, Россия
E-mail: [email protected]
Впервые выполнена ресурсная оценка количества метана в газовых гидратах озера Байкал с применением двух методик — вероятностно-статистическим методом с использованием оригинального программного обеспечения и методом удельных плотностей. Количество метана в газовых гидратах Байкальского рифта оценено величиной 453 трлн м3 с вероятностью 5%, 208 трлн м3 с вероятностью 50% и 76 трлн м3 с вероятностью 95%. Средняя плотность прогнозируемых ресурсов метана в газовых гидратах при вероятности 95% оценена величиной 1,2 млн м3/км2. Ресурсная оценка количества метана в газовых гидратах Байкала по методу удельных плотностей на три порядка ниже. Минимальное количество метана методом удельных плотностей оценено в 0,06 трлн м3, среднее — в 0,6 трлн м3, максимальное — в 2,2 трлн. м3. Отмечается, что масштабы и темпы миграции углеводородных газов в отложениях Байкальского рифта наряду с высокой сейсмичностью и особенностями геоморфологии обусловливают его высокий ресурсный потенциал.
Ключевые слова: газовые гидраты, озеро Байкал, метан, BSR, ресурсы газовых гидратов.
METHANE IN GAS HYDRATE OF LAKE BAIKAL MONTE CARLO ASSESSMENT
И Shchur A. A.1, Matveeva T. V.1, Shchur N. A.2, Akhmanov G. G.3, Solovyeva M. A.3
1 FSBI "VllOkeangeologia", St. Petersburg, Russia 2 Peter the Great Saint Petersburg Polytechnic University, St. Petersburg, Russia 3 Moscow State University, Moscow State University, Moscow, Russia
For the first time, the resource assessment of methane in gas hydrates of Lake Baikal was performed using two methods — probabilistic-statistical method using original software and specific densities method. Methane in gas hydrates of Baikal rift was estimated at 453 trillion m3 with probability of 5%, 208 trillion m3 with probability of 50% and 76 trillion m3 with probability of 95%. The average density of the predicted methane resources in gas hydrates with a probability of 95% was estimated as much as 1.2 million m3/km2. The resource assessment of the amount of methane in Baikal gas hydrates using the method of specific densities is 3 orders of magnitude lower. The minimum amount of methane using the method of specific densities was estimated at 0.06 trillion m3, the average at 0.6 trillion m3, and the maximum at 2.2 trillion m3. It is noted that the scale and rate of migration of hydrocarbon gases in the sediments of the Baikal Rift, along with high seismicity and geomorphological features, determine its high resource potential.
Key words: gas hydrates, Lake Baikal, methane, BSR, resource assessment.
Введение. Значительная мощность осадочного выполнения Байкальского рифта, его глубина и современная тектоническая активность обусловливают благоприятные термобарические и геологические условия для образования газовых гидратов в отложениях озера Байкал. Широкое распространение скоплений газовых гидратов в его пределах доказано как данными грунтового пробоотбора [10, 11], так и сейсморазведочными данными [5]. Количество обнаруженных к настоящему времени скоплений газовых гидратов в отложениях Байкала исчисляется десятками, однако ресурсный потенциал гидратов единственного газогидратоносного пресноводного водоема до сих пор не выяснен, что и обусловливает актуальность данной работы.
Существует несколько подходов к региональным ресурсным оценкам газовых гидратов [6]: по данным BSR (Bottom Simulating Reflector — отражающий горизонт, имитирующий дно), которые позволяют оценить объем гидратного резервуара, и геофизическим данным о гидрато-насыщении отложений; по данным о потоках метана, полученных с помощью грунтового пробоотбора, глубоководных обитаемых аппаратов или эхолотирования очагов разгрузки газа; на основе компиляции данных об удельных содержаниях ресурсов газовых гидратов в отдельных хорошо изученных скоплениях и статистических данных о распределении запасов в традиционных месторождениях (метод удельных плотностей), а также на основе вероятностно-статистического подхода. В данной работе представлен вероятностно-статистический подход по методу Монте-Карло в сравнении с методом удельных плотностей.
Методика. Используемый в работе вероятностно-статистический подход сходен с методикой ресурсных оценок газовых гидратов Бюро по управлению энергетикой океана США (англ. BOEM) [12]. Однако в данной работе применено оригинальное программное обеспечение «Программный комплекс для оценки количества газа в газовых гидратах вероятностно-статистическим методом Oceanic gas Hydrate Resource Assessment (OHRA)» [17].
Для оценки количества метана в газовых гидратах озера Байкал была создана сеть точек, покрывающая всю площадь акватории, с разрешением около 0,05*0,05° с суммарным количеством точек 1236. Для расчета гидратного резервуара каждой точке расчетной сети присвоено значение придонной температуры 3,2 °С и солености 0,1%о [4]. Глубины воды приняты согласно модели батиметрии GEBCO 2023 [13] и геотермического градиента, который получен в ходе расчетов по методу Монте-Карло. Функция распределения плотности вероятности для расчета по Монте-Карло строилась по данным глобальной базы данных теплового потока для озера Байкал [16], массив значений которой варьируется от 6 до 903 мК/м при среднем 104 мК/м. Для расчета генерации газа в пределах максимальной мощности зоны стабильности газовых гидратов (ЗСГГ) были использованы данные общей мощности осадочного чехла согласно [3], присвоенные каждой точке сети с помощью ArcGIS 10.4. Возраст, мощность отложений и процентное содержание песчаной фракции сводного стратиграфического разреза озера Байкал согласно [1]. Для построения функции распределения плотности вероятности содержания органического вещества были использованы данные кларков содержания Сорг, характерных для заданного возраста и типа отложений по [8], и их процентное содержание в разрезе. Недостающие сведения были получены путем экстраполяции данных. Разброс значений
массива данных составил от 0,31 до 1,51 при среднем 0,81%. В качестве значения пористости отложений принято 35% — среднее по сводному стратиграфическому разрезу. Для оценки условий миграции газа были использованы: положение BSR на сейсмопрофилях; локация 137 районов с установленной фокусированной разгрузкой флюидов на дне — очаги разгрузки газа, грязевые вулканы, покмарки, места обнаружения газовых гидратов [2, 9-11], положение неотектонических разломов [14] и эпицентров сейсмической активности [15]. Расчетной сети точек присваивалось значение «1», если близость к маркерам миграции не превышала 2 км, и «0» в обратном случае.
Методика расчета количества метана в газовых гидратах по методу подробно описана в работе [6].
Результаты. Суммарное количество метана в газовых гидратах озера Байкал оценено величиной 453 трлн м3 с вероятностью 5%, 208 трлн м3 с вероятностью 50% и 76 трлн м3 с вероятностью 95%. Ресурсные оценки с вероятностью 5, 50 и 95% означают, что для 50, 500 и 950 расчетов из 1000 по методу Монте-Карло величина прогнозируемых ресурсов превышала 453, 208 и 76 трлн м3 соответственно. Итоговая величина представляет собой сумму ресурсных оценок в каждой ячейке, центр которой — точка расчетной сети. Зная величину ресурса в каждой ячейке и площадь этой ячейки, легко рассчитать удельную плотность прогнозируемых ресурсов. На рисунке (А) представлены результаты картирования удельных плотностей прогнозируемых ресурсов с вероятностью 5, 50 и 95%. При наиболее объективном сценарии (вероятность 95%) на всей площади озера разброс значений удельных прогнозируемых ресурсов варьируется от 0,001 до 3,8 м3/км2 при среднем 1,2 млн м3/км2. При наименее вероятном сценарии (вероятность 5%) плотность прогнозируемых ресурсов варьируется от 0,05 м3/км2 в северной котловине озера до 26 м3/км2 в южной и центральной. Сценарий 50/50 дает разброс от 1 до 7 м3/км2. На рисунке видно, что центральная и южная котловины озера Байкал наиболее перспективны в отношении газовых гидратов, что объясняется высокой мощностью отложений и значительной глубиной воды — благоприятными условиями для газогенерации и стабильности газовых гидратов.
Плотность прогнозируемых ресурсов газовых гидратов озера Байкал, оцененных методом Монте-Карло с вероятностью 5, 50, 95% (А) и методом удельных плотностей (Б)
Для оценки количества метана в газовых гидратах озера Байкал методом удельных плотностей была рассчитана площадь потенциально гидратоносной акватории (111 А). Для этого была построена карта распределения геотермического градиента озера Байкал по данным глобальной базы данных теплового потока [16]. Имеющейся сети точек, используемой для расчета по Монте-Карло, было присвоено уникальное значение геотермического градиента. С помощью ПО, разработанного во ВНИИОкеангеология [18], рассчитана мощность ЗСГГ в каждой точке. По результатам картирования мощности ЗСГГ рассчитана ее площадь (около 23 тыс. км2). Вычитая из площади ЗСГГ площадь акватории с мощностью осадочного чехла менее 500 м согласно [3], получаем площадь ПГА, равную около 16 тыс. км2. Умножая удельное содержание метана в газовых гидратах (среднее значение 1,2 млрд м3/км2, максимальное и минимальное — 7,4 и 0,01 млрд м3/км2 соответственно) по [6] в пересчете на провинцию на площадь ПГА, получили величину ресурса от 0,06 до 2,2 при среднем 0,6 трлн м3, что на 2-3 порядка ниже результата по методу Монте-Карло. Плотность прогнозируемых ресурсов по методу удельных плотностей составила от 0,0034 до 0,14 при среднем 0,04 млн м3/км2, что на порядок ниже результата по методу Монте-Карло.
Глубина воды, с которой начинается стабильность гидрата метана озера Байкал, по нашим расчетам, составила 357 м.
Заключение. Впервые оценен ресурсный потенциал газовых гидратов озера Байкал методом Монте-Карло. Вероятностно-статистические оценки показали высокий ресурсный потенциал байкальских газогидратов. К примеру, ресурсы Баренцева моря, рассчитанные по этой же методике, беря во внимание площадь ПГА 278 тыс. км2 (в 17 раз больше, чем на Байкале) и количество метана в газовых гидратах, оцененое величинами 296 трлн м3 с вероятностью 5%, 12 трлн м3 с вероятностью 50% и 1 трлн м3 с вероятностью 95% [7], меньше, чем ресурсы Байкала, в 1,5, 17 и 76 раз соответственно. Высокие оценки ресурсов метана в газовых гидратах озера Байкал, вероятно, обусловлены коэффициентом миграции углеводородных газов, который был задан для 2/3 от общего числа расчетных точек (всего 795 точек). Для сравнения при оценке тем же методом на акваторию Баренцева моря коэффициент миграции задавался для менее 1% точек (359 точек с коэффициентом миграции из 40 405 точек общего расчетного массива точек).
Действительно, масштабы и темпы миграции углеводородных газов в отложениях Байкальского рифта значительно интенсивнее, чем это установлено в Баренцевом море. Это обстоятельство наряду с высокой сейсмичностью и особенностями геоморфологии Байкальского рифта обусловливает его высокий ресурсный потенциал.
Список литературы
1. Акулов Н. И., МащукИ. М., Акулова В. В. Плейстоценовые отложения озера Байкал: вещественный состав и стратиграфическая корреляция // Стратиграфия. Геологическая корреляция. 2015. Т. 23, № 1. С. 100-120.
2. Ахманов Г. Г., Хлыстов О. М., Соловьева М. А., Ефремов В. Н., Видищева О. Н., Маццини А., Ку-даев А. А. и др. Открытие новой гидратоносной структуры на дне оз. Байкал // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 2018. № 5. С. 111-116.
3. Геоморфология Байкала, карта. Осадочные образования. Часть 2 // Байкал. Атлас. 1993 г.
http://irkipedia.ru/content/geomorfologiya_baykala_karta_osadochnye_obrazovaniya_chast_2_baykal_ atlas_1993_g?ysclid=lzgvjc2vaq723805276 [Доступ 05.08.2024].
4. Гидрохимия Байкала. http://irkipedia.ru/content/gidrohimiya_baykala [Доступ 05.08.2024].
5. Гольмшток А. Я., Дучков А. Д., Xатчинcон Д. P. и дp. Оценки теплового потока на озере Байкал по сейсмическим данным о нижней границе слоя газогидратов // Геология и геофизика. 1997. Т. 38, № 10. С.1677-1691.
6. Матвеева Т. В., Логвина Е. А., Назарова О. В. Газовые гидраты акваторий: методы и результаты ресурсных оценок // Геология нефти и газа. 2024. № 3. С. 81-96. DOI: 10.47148/0016-7894-2024-381-96.
7. Матвеева Т. В., Щур А. А., Чазов А. О. Перспективы газогидратоносности Баренцева моря // Труды XII Международной научно-практической конференции «Морские исследования и образование» MARESEDU 2023. Т. IV (IV): [сборник]. Тверь: ООО «ПолиПРЕСС», 2024, С. 35-39. ISBN 978-56049290-6-3. ISBN 978-5-6051693-1-4 (т. 4).
8. Неручев С. Г., Рогозина Е. А. Геохимические основы прогноза нефтегазоносности: Курс лекций для молодых специалистов. СПб.: ВНИГРИ, 2010. 280 с.
9. Granin N. G., Makarov M. M., Kucher K. M. et al. Gas seeps in Lake Baikal-detection, distribution, and implications for water column mixing // Geo Mar. Lett. 2010. Vol. 30 (3-4). P. 399-409.
10. Khlystov O., De BatistM., Shoji H. et al. Gas hydrate of Lake Baikal: discovery and varieties // J. Asian Earth Sci. 2013. Vol. 62 (1). P. 162-166.
11. Khlystov O. M., Poort J., Mazzini A. et al. Shallow-rooted mud volcanism in Lake Baikal // Mar. Pet. Geol. 2019. Vol. 102. P. 580-589.
12. Preliminary Evaluation of In-Place Gas Hydrate Resources: Gulf of Mexico Outer Continental Shelf, 2008. U.S. Department of the Interior Minerals Management Service Resource Evaluation Division February 1. 136 р.
13. https://download.gebco.net/ [Доступ 05.08.2024].
14. http://neotec.ginras.ru/index/english/sheets_eng.html [Доступ 05.08.2024].
15. https://seis-bykl.ru [Доступ 05.08.2024].
16. http://wdcb.ru [Доступ 05.08.2024].
17. https://www1.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=EVM&rn=4875&DocNumber=2024669259 &TypeFile=html [Доступ 15.09.2024].
18. https://www1.fips.ru/ofpstorage/BULLETIN/PrEVM/2024/09/20/INDEX.HTM [Доступ 15.09.2024]. References
1. Akulov N. I., Mashchuk I. M., Akulova V. V. Plejstocenovye otlozheniya ozera Bajkal: veshchestvennyj sostav i stratigraficheskaya korrelyaciya // Stratigrafiya. Geologicheskaya korrelyaciya. 2015. Vol. 23, N 1. S.100-120.
2. Ahmanov G. G., Hlystov O. M., Solov'eva M. A., Efremov V. N., Vidishcheva O. N., Maccini A., Kudaev A. A. et al. Otkrytie novoj gidratonosnoj struktury na dne oz. Bajkal // Vestn. Mosk. un-ta. Ser. 4. Geologiya. 2018. N 5. S. 111-116.
3. Geomorfologiya Bajkala, karta. Osadochnye obrazovaniya. Chast' 2 // Bajkal. Atlas. 1993. http:// irkipedia.ru/content/geomorfologiya_baykala_karta_osadochnye_obrazovaniya_chast_2_baykal_atlas_ 1993_g?ysclid=lzgvjc2vaq723805276 [Access 05.08.2024].
4. Gidrohimiya Bajkala. http://irkipedia.ru/content/gidrohimiya_baykala [Access 05.08.2024].
5. GolmshtokA. Ya., Duchkov A. D., Hutchinson D. R., Khanukaev S. B., Elnikov A. I. Heat flow estimates in Lake Baikal according to seismic data on the lower boundary of gas hydrate layer // Russian Geology and Geophysics. 1997. Vol. 37. P. 1677-1691.
6. Matveeva T. V., Logvina E. A., Nazarova O. V. Submarine gas hydrates: methods and results of resource assessment // Geologiya nefti i gaza. 2024. Vol. 3. P. 81-96. DOI: 10.47148/0016-7894-2024-3-81-96. (In Russia).
7. Matveeva T. V., Shchur A. A., Chazov А. О. Prospects of gas hydrates occurrence in the Barents Sea // XII International conference "Marine Research and Education". MARESEDU 2023 Conference Proceedings. Vol. IV (IV): [sbornik]. Tver': OOO "PoliPRESS", 2024. S. 35-39. ISBN 978-5-6049290-6-3; ISBN 978-5-6051693-1-4 (t. 4).
8. Neruchev S. G., Rogozina E. A. Geohimicheskie osnovy prognoza neftegazonosnosti: Kurs lekcij dlya molodyh specialistov. SPb.: VNIGRI, 2010. 280 s.
9. Granin N. G., Makarov M. M., Kucher K. M. et al. Gas seeps in Lake Baikal-detection, distribution, and implications for water column mixing // Geo Mar. Lett. 2010. Vol. 30 (3-4). P. 399-409.
10. Khlystov O., De BatistM., Shoji H. et al. Gas hydrate of Lake Baikal: discovery and varieties // J. Asian Earth Sci. 2013. Vol. 62 (1). P. 162-166.
11. Khlystov O. M., Poort J., Mazzini A. et al. Shallow-rooted mud volcanism in Lake Baikal // Mar. Pet. Geol. 2019. Vol. 102. P. 580-589.
12. Preliminary Evaluation of In-Place Gas Hydrate Resources: Gulf of Mexico Outer Continental Shelf, 2008. U.S. Department of the Interior Minerals Management Service Resource Evaluation Division February 1. 136 p.
13. https://download.gebco.net/ [Access 05.08.2024].
14. http://neotec.ginras.ru/index/english/sheets_eng.html [Access 05.08.2024].
15. https://seis-bykl.ru [Access 05.08.2024].
16. http://wdcb.ru [Access 05.08.2024].
17. https://www1.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=EVM&rn=4875&DocNumber=2024669259 &TypeFile=html [Access 15.09.2024].
18. https://www1.fips.ru/ofpstorage/BULLETIN/PrEVM/2024/09/20/INDEX.HTM [Access 15.09.2024].
