CC BY
91БЮЛЛЕТЕНЬ КОМИССИИ ПО ИЗУЧЕНИЮ ЧЕТВЕРТИЧНОГО ПЕРИОДА
№ 75, 2017 г.
ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ И СОХРАНЕНИЯ КОНТИНЕНТАЛЬНЫХ ГИДРАТОВ МЕТАНА НА АРКТИЧЕСКИХ КОНТИНЕНТАЛЬНЫХ ОКРАИНАХ
В.А. Друщиц, Т.А. Садчикова
Геологический институт РАН, Москва drouchits@ginras.ru, tamara-sadchikova@yandex.ru
Рассмотрены природные условия образования и сохранения залежей и реликтовых газогидратов на севере Западной Сибири, на севере Аляски и в дельте реки Маккензи. Основным фактором, определяющим образование и эволюцию скоплений клатратной формы метана, является природный режим квартера: гляциальный или перигля-циальный. Локальные тектонические условия отвечают за сохранение толщ, содержащих гидраты метана.
Ключевые слова: гидраты метана, Арктика, квартер, гляциал, перигляциал, тектонические дислокации.
Введение
Пристальный интерес к формированию концентраций гидратов газа (ГГ) в арктическом регионе в последние десятилетия объясняется несколькими причинами: это - нетрадиционный источник углеводородов (континентальные газо-гидратные залежи открыты в России, США и Канаде); их разрушение оказывает влияние на изменение климата, а также приводит к катастрофам при освоении арктических областей. Гидраты газа состоят, главным образом, из метана термогенного или биогенного происхождения.
Следует отметить, что рассматриваемые в данной работе ГГ, относятся только к континентальным образованиям. В Мировом океане, во внутренних морях и глубоких озерах создаются условия, когда при избыточном давлении и относительно высоких температурах, обычно в областях континентального склона, континентального подножия и абиссальных равнинах, формируются значительные скопления клатратной формы природного газа.
В настоящее время в Арктике известны три области (север Западной Сибири, Северная Аляска и дельта реки Маккензи), в которых обнаружены значительные скопления гидратов (клатратов) природного газа (рис. 1). Все эти образования были сформированы в континентальных условиях и расположены в пределах гигантских нефтега-
зовых бассейнов. Все доказанные газогидратные залежи, Мессояхских месторождений, месторождений Эйлин и Тарн, и месторождений Таглу и Маллик, приурочены к продуктивным толщам.
Предполагается существование менее значительных скоплений гидратов газа в толщах много-летнемерзлых пород, покрывающих Бованенков-ское, Ямбургское, Уренгойское и Заполярное месторождения. Кроме того, есть свидетельства нахождения проявлений гидратов газа в устье реки Оленек, в Западной Якутии, в долине реки Большая Чукочья, на севере Чукотского п-ова [Якушев и др., 2003].
Арктические, континентальные, гидраты газа обязаны своим происхождением процессу, ярчайшее проявление которого связано с суровыми климатическими изменениями четвертичного периода, - формированию криолитозоны. Постепенное снижение температур, начавшееся в плиоцене, в квартере привело к развитию в регионе мощной толщи многолетнемерзлых пород. По наиболее достоверным данным, относящимся к поздневал-дайскому времени, мощность субаэральной крио-литозоны на европейском севере России достигала 700-800 м на равнинах и >1000 м в горах, а мощность субгляциальной криолитозоны не превышала 700 м. Мощность субаэральной криоли-тозоны была около 500 м в Западной Сибири. В средней части Сибири мощность многолетнемерз-
Рис. 1. Размещение известных залежей и скоплений гидратов метана. 1 - север Западной Сибири; 2 - побережье Аляски; 3 - дельта реки Маккензи
лых пород в субаэральных условиях составляла 800-700 м, в горах - 1200-200м, под ледниками -700-1000 м. В Восточной Сибири мощность суб-аэральной криолитозоны изменялась от 1200 м до 2000 м, субгляциальной колебалась около 300 м [Шполянская, 2015].
Залежи гидратов, связанные с продуктивными толщами, располагаются в пределах зоны стабильности их клатратной формы (ЗСГ). ЗСГ - это интервал в разрезе земной коры, где термобарический и геохимический режимы удовлетворяют условиям устойчивого существования ГГ. ЗСГ обычно пропорциональна мощности криолитозоны [Якушев и др., 2003]. В полярных областях ЗСГ, обусловленная как геологическими, так и термобарическими параметрами, располагается на глубинах 130-2000 м [Со11ей, Кта8каа,1999]. Скопления и проявления клатратной формы природного газа, обнаруженные в различных районах российской Арктики, приурочены к зоне их метастабильности в многолетнемерзлых породах: где они не могут образовываться, а сохраняются в законсервированном состоянии в масштабе геологического времени, при условии сохранения льда в разрезе. Эта часть разреза находится выше кровли современной ЗСГ. ГГ, находящиеся в зоне метастабильности, называются реликтовыми ГГ [Якушев и др., 2003]. В природе также встречаются незначительные аккумуляции клатратов метана. Они рассеяны в криолитозоне, но могут
встречаться и вне ее. Такие ГГ называются проявлениями. Они могут спонтанно образовываться при необходимом соотношении термобарических условий и быстро исчезать при его изменении.
По косвенным данным предполагают присутствие ГГ в Вилюйском бассейне и крайнем севере Китая, и на Тибете [Zhao et al., 2012; Lu et al., 2009]
Для генезиса ГГ необходимы следующие условия: особое сочетание температуры и давления, достаточное количество газа (обычно метана) и воды, наличие коллектора и покрышек. Они могут образовываться внутри многолетнемерзлых пород и ниже их подошвы. Все эти условия наблюдаются в нефтегазоносных арктических бассейнах Западной Сибири, Северной Аляски, северо-запада Канады. Однако, газогидратоносные отложения распознаны только в единичных месторождениях или скважинах, и не часто встречаются реликтовые гидраты газа, находящиеся в зоне метаста-бильности. Часто поля распространения клатра-тов метана в шельфовых областях фиксируются сейсмическим профилированием по присутствию псевдо-донного рефлектора (BSR). BSR не является однозначным признаком континентальных ГГ, которые образовались в субаэральных условиях, в зонах развития многолетнемерзлых пород (ММП). Поэтому не стоит все результаты, полученные с помощью сейсмических исследований, считать доказательством широкого распростране-
ния континентальных ГГ в современных субак-вальных условиях. Возникает вопрос с чем связана уникальность возникновения этих образований на фоне широкого распространения необходимых и достаточных условий для их формирования. Ответ, видимо, лежит в подробной характеристике природных условий каждой зоны, вмещающей га-зогидратоносные отложения
Природные характеристики залежей и скоплений гидратов метана
Тектоника
Для понимания условий происхождения и сохранения залежей и скоплений континентальных ГГ следует обратить внимание на тектоническую и географическую позиции регионов, связанных с этими образованиями. Помимо климатических и геологических (распространение ММП, наличие газа, воды, коллектора, покрышки) факторов, эволюция гидратосодержащих толщ находится под значительным воздействием тектонических процессов. Их можно разделить на тектонические, неотектонические и современные. Тектонические процессы в общих чертах формируют условиях для образования газовых гидратов, неотектонические определили возможности локализации этих образований в определенных структурах, и современные в большей степени отвечают за их сохранение.
Залежи, и скопления ГГ формируются при непосредственном участии различного масштаба и природы систем тектонических дислокаций. Как правило, месторождения, в которых присутствуют и залежи, и скопления ГГ, находятся под влиянием региональных зон тектонических дислокаций. Например, дельта реки Маккензи ограничена Эскимо Лейкс зоной тектонических нарушений. Для месторождений п-ова Ямал определяющее значение имеет Харасавейско-Каменный разлом. Для ГГ тектонические дислокации являются с одной стороны являются миграционными каналами, по которым свободный газ поступает с ЗСГ и переходит в клатратную форму, а с другой стороны они могут разрушать и залежи, и скопления.
Геологическая позиция всех известных континентальных залежей и скоплений клатратной формы природного газа принадлежит к пассивным континентальным окраинам. В докайнозой-ской истории развития этих структур особое место принадлежит процессам рифтообразования. В результате газогидратоносные толщи связаны с рифтогенными структурами, сформированными в мезозое. Естественно, эти удаленные друг от друга регионы имеют различную геодинамическую позицию: скопления ГГ севера Западной
Сибири расположены в пределах одноименной плиты (Ямало-Гыданский блок, Надым-Тазовская впадина); на Аляске - в пределах микроконтинента Арктическая Аляска. Предполагается, что этот регион может находиться на начальной стадии субдукции [Hydman et al., 2005]. Месторождения, содержащие ГГ, размещаются в пределах вала Барроу и бассейна Колвилл. Дельта реки Мак-кензи расположена на границе Арктической Аляски и периферии Канадского кратона, в пределах складчато-надвигового пояса. Для этой области до сих пор остается дискуссионным вопрос: континентальная или океаническая кора расположена под ней [Dinkelman et al., 2008].
Неотектонический этап развития, параллельно с изменениями климатических условий в сторону похолодания, создал предпосылки необходимых и достаточных условий формирования гидратов газа в определенных структурах.
Под неотектоническим этапом, вслед за известными специалистами в этой области, подразумеваем олигоцен-четвертичное время [Николаев, 1962; Трифонов,1999].
Глобальными событиями, повлиявшими на создание природной обстановки вышеперечисленных регионов, несомненно, было падение уровня моря в позднем миоцене-раннем плиоцене (мессинский кризис) и продолжение усиление процесса похолодания, проявившегося в начале неотектонического этапа. Более того, в это время во многих регионах происходили и тектонические перестройки.
На севере Западной Сибири (в Ямало-Гыданском блоке и Надым-Тазовской впадине) распространены залежи и реликтовые ГГ. Горизонты с реликтовыми ГГ находятся в пределах газовых и газоконденсатных месторождений, но не связаны с продуктивными толщами. Эти горизонты относятся к четвертичным образованиям и содержат метан биогенного происхождения.
Неотектонические процессы в значительной мере повлияли на строение Ямало-Гыданского блока и Надым-Тазовской впадины. Общая тенденция для Западной Сибири - восходящая направленность тектонических движений, сопровождаемая неоднократным чередованием поднятий и опусканий. Наиболее интенсивные поднятия имели место в позднем миоцене и среднем плиоцене. Ямало-Гыданский блок испытал общее поднятие на 100-200 м при большой контрастности движений [Неотектоника..., 2000]. Преобладают два структурных направления: северо-западное и северо-восточное, что находит отражение в рельефе и в ориентации локальных структур. Гидросеть, крупные и мелкие речные долины, цепочки озерных впадин, многие водоразделы, береговые
линии Обской и Тазовской губ являются выражением линеаментов на дневной поверхности. Это свидетельствует о контроле современных денудационных и аккумулятивных процессов блоковой тектоникой [Самохин, 2011]. Суммарные амплитуды в Надым -Тазовской впадине колеблются от -50 - -70 м до 200-300м. [Гуськов, Беляев, 2009].
Содержащие ГГ толщи расположены в границах положительных структур: Мессояхской ступени, Нурминского мегавала, Ямбургско-Уренгойского выступа.
В результате коллизии Тазовского и Гыданско-го геоблоков предположительно в позднеюрское время с последующей активизацией движений в неотектонический период сформировался Мессо-яхский порог (гряда), состоящий из кулисообразно сочленяющихся Усть-Портовского, Нижнемессо-яхского мегавалов, которые территориально расположены как на суше Гыданского и Тазовского п-овов, так и в акватории Обско-Тазовского мелководья [Извеков, 2015]. В неоген-четвертичное время в районе Среднемессояхского вала, в его сводовой части, образовались горст-грабеновые структуры [Харахинов и др., 2013] К этой структуре приурочены залежи ГГ, единственные известные в продуктивной толще Западной Сибири.
Месторождения, относящиеся к структурам горизонтального сдвига, имеют сложное блоковое строение [Тимурзиев, Гогоненков, 2012]. На основании исследований, проведенных в последние годы, установлено, что на севере Западной Сибири имеют большое распространение сбросы, связанные со сдвигами фундамента, которые имели место в среднем миоцене-квартере. Они пронизывают весь чехол, вплоть до дневной поверхности.
Предполагается существование реликтовых ГГ в четвертичных отложениях нескольких месторождениях севера Западной Сибири. Бова-ненковское газоконденсатное месторождение находится в пределах Нейтинского мегапрогиба и Нурминского мегавала (локальное поднятие). На средне-поздненеоплейстоценовом этапе развития территория испытывала устойчивые прогибания [Строение..., 2007]. Здесь выделены активные раз-ломные зоны со скоростью смещения 5-7 мм/год. Возможны землетрясения с М<5 [Кузьмин и др., 2010]. Ямбургское нефтегазоконденсатное месторождение расположено на Ямбургском мегавале, в куполовидном поднятии. Заполярное нефтегазо-конденсатное находится в пределах Тазовского свода Пур-Тазовской синеклизы. Уренгойское газовое месторождение расположено на Уренгойском мега-вале, в серии локальных поднятий.
По карте средних скоростей вертикальных движений земной коры с 17 тыс. лет назад [Ба-
ранская, 2015] для данного региона (рис. 2) можно определить, что все эти скопления ГГ, включая и Мессояхские залежи, в постгляциальную эпоху испытывают поднятие. Для п-ова Ямал эта скорость составляет 1,1-2,0 мм/год, для п-ов Тазовский и Гыдан - 2,1-3,0 мм/год. Учитывая блоковое строение литосферы и действие тектонических дислокаций, следует отметить, что возможны отклонения от этой общей тенденции для отдельных скоплений.
На северном побережье Аляски от мыса Барроу до залива Прудхо пробурено несколько скважин, где установлено присутствие ГГ. Толщи, содержащие ГГ обнаружены в месторождениях Купарук Ривер, Милн Поинт и Прудхо Бей. ГГ образовались из термогенного и биогенного метана.
Тектоническую ситуацию на севере Аляски с конца мезозоя до современности определяет продвижение складчато-надвигового пояса хребта Брукса в северо-восточном направлении. По строению осадочной толщи устанавливается, что северная часть Аляски испытывает наклон на северо-восток с эоцена до настоящего времени. Выявлены горизонтальные движения 0.1-1мм/год. [Carmen, Hardwick, 1983; Mazzotti et al., 2008]. Современные активные деформации проявляются в развитии антиклиналей в северо-восточной части прилегающего шельфа [Coakley, Watts, 1991].
В кайнозое режим растяжения (позднемезо-зойский рифтогенез) сменяется на режим сжатия (формирование складчато-надвигового пояса) [Dinkelman et al., 2008].
Неотектоническая активность в районе дельты реки Маккензи проявилась в позднем миоцене, одновременно с мессинским кризисом. В позднем миоцене в дельте реки Маккензи произошла реактивация юрско-меловых рифтовых дислокаций и палеоцен-раннеэоценовых структур складчато-надвигового пояса [Lane, 2002]. В основании мощной толщей осадков дельты развиты листрические разломы восточного и северо-восточного направления. Современный этап развития данной территории определяется как состояние относительного покоя, которое характеризуется незначительными деформациями в голоцене и в настоящее время, малоамплитудными землетрясениями (не более 5 баллов). Предполагается продвижение складчато-надвигового пояса в северном направлении со скоростью 5 мм/год [Hydman et al., 2005]. Вертикальные движения дельтовой области имеют отрицательный знак [Bostrom, 1967]. ГГ концентрируются в сводовой части антиклинали Маллик.
Следует отметить, что в и западной, и в восточной частях моря Бофорта ГГ распространены и на акватории шельфа, что подтверждается данными бурения [Collett et al., 2011].
Скорость вертикальных движений, мм/год
данные отсутствуют -12,9 - -11,0 -10,9--5,0 -4,9--2,0 -1,9-0,0
0,1-0,5 0,6-1,0 1,1 -2,0 2,1-3,0 3,1 -4,0
Рис. 2. Карта средних скоростей вертикальных движений земной коры с 17 тыс. лет назад (с возможными минимальными наложенными отклонениями абсолютного уровня моря в Арктике от общемирового [Баранская, 2015]
Природные обстановки квартера и скопления ГГ Характерной особенностью природных условий квартера является смена теплых и холодных эпох. В холодные эпохи в зависимости от атмосферной циркуляции (тепло-влаго-переноса) устанавливались ледниковые или перигляциальные обстановки. ГГ образуются и в перигляциальных и в субгляциальных условиях. Доминирующим условием становятся низкие температуры. Появление первых признаков оледенения и криолито-зоны происходило 2,5-2,4 млн. лет назад [Лавру-шин, Алексеев, 1999]. Параллельно с этими событиями начинается формирование газовых гидратов. Для всех регионов, в которых зафиксированы скопления ГГ, вопрос о количестве и времени распределения ледниковых и перигляциальных условий является дискуссионным. Представляется логичным считать, что наиболее достоверные данным относятся к наиболее поздним временным отрезкам.
На севере Западной Сибири достоверно устанавливаются следы оледенения, начиная с раннего неоплейстоцена. Наиболее точно определены ледниковые стадии для раннего и позднего валдая [Архипов и др., 1999]. Мощность криолитозоны в данный момент не превышает 500 м. ГГ в акватории Карского моря до сих пор не обнаружены.
Как упоминалось выше, на севере Западной Сибири встречены залежи (Мессояхские месторождения, 700-730 м) и реликтовые ГГ. Последние имеют более широкое распространение и размещаются в толще четвертичных ММП, на глубинах от 40 до 150 м. Исследование реликтовых ГГ [Якушев и др., 2002; Строение..., 2007] показало приуроченность их к четвертичным ММП, покрывающим локальные положительные структуры крупных нефтегазовых месторождений (табл. 1). Метан этих ГГ имеет биогенное происхождение и не связан с углеводородами продуктивной толщи. Покровное оледенение способствовало и сохране-
Рис. 3. Эмиссия природного газа на шельфе российской Арктики и залежи, и скопления, и проявления его клатратной формы на суше
1 - зафиксирована разгрузка природного газа, 2 - зафиксированные аномально высокие значения разгрузки природного газа, 3-7 установленные источники природного газа: 3 - вулканическая деятельность, 4 - тектонические нарушения, 5 - углесодержащие толщи, 6 - биогенный газ из четвертичных и голоценовых отложений, 7 - газ биогенного и термогенного происхождения, 8 - проявления гидратов газа на суше, 9 - залежи гидратов газа в районах газоконденсатных месторождений Западной Сибири
Таблица 1. Характеристики реликтовых скоплений ГГ
Месторождение Докайнозойская структура Локальная структура Амплитуда неотектонических движений (м) Мощность ММП (м) Интервал с ГГ (м) Литология отложений, содержащих ГГ Возраст отложений, содержащих ГГ
1 2 3 4 5 6 7 8
Бованен-ковское Нейтинский мегапрогиб, Нурминский мегавал Куполовидное поднятие + 50 300 40-130 Пылеватый песок Поздний неоплейстоцен
Ямбургское Ямбургский мегавал Куполовидное поднятие +75-175 450 70-120 Переслаивание песков и супесей Ранний-средний неоплейстоцен
Уренгойское Уренгойский мегавал Куполовидное поднятие +75-175 350 ? Чередование песков, супесей и суглинков Квартер
Заполярное Тазовский свод Куполовидное поднятие + 250 450 50-150 Суглинки и супеси Поздний неоплейстоцен
нию более древних ГГ, и образованию новых, и их общему площадному распространению. Вероятно, в конце позднего валдая Ямало-Гыданский блок под ледником был покрыт отложениями, содержащими ГГ. После деградации ледника зависимости от местных природных условий ГГ консервировались или деградировали на фоне климатических изменений.
Исследования газосодержания в верхних горизонтах ММП Ямала показали, что в современную эпоху возможно существование линз ГГ в подрусловых таликах. При промерзании водона-сыщенных глинистых грунтов в их порах могут возникать зоны с повышенным давлением, достаточным для образования ГГ. Такой зоной является горизонт, расположенный выше подошвы талика в голоцене и ниже ее современного положения [Ривкин, 2003].
Натурные исследования и моделирование развития субмаринной мерзлоты на шельфе западной части полуострова Ямал показали интересные результаты. Распространение криолитозоны ограничивается изобатой 17 м. Мощность многолет-немерзлых пород в береговой зоне 250 м (максимальная - 275 м). Концентрация газа из мест разгрузки (просачивание) достигает 1176 цто1. Газ только биогенный, несмотря на принадлежность к Южно-Карскому бассейну и близость к расположенным там газоконденсатным месторождениям [Portnov et a1., 2014]. На площадях Русановского (глубина 50-100 м) и Ленинградского (глубина 80-165 м) месторождений бурение не вскрыло горизонты с ГГ. Месторождения расположены на Русановской ступене, часть Русановской площади относится к Пахучанской впадине. Только часть
нескольких скважин, пробуренных на этой площади, на глубинах около 100 м, определили кровлю многолетнемерзлых пород в диапазоне 13,5-17 м от дна [Мельников, Спесивцев, 1995].
На шельфе Карского моря пока не обнаружены толщи с ГГ.
Северное побережье Аляски не подвергалось воздействию гляциальных процессов, весь четвертичный период господствовали перигляциальные условия. Поля ГГ по площади превосходят залежи восточной части моря Бофорта, находятся на меньших глубинах. Месторождение Купарук Ривер -250-350 м; месторождение Милн Поинт - около 600 м; месторождение Эйлин - 550-650 м. Эти ГГ состоят из термогенного и биогенного метана. ГГ расположены как внутри КЛЗ, так и под ней ЗСГ протягивается от границы с Канадой до мыса Айси, занимая большую часть бассейна Колвилл. Наиболее мощная ЗСГ расположена к востоку от залива Прудхо. Мощность этой зоны достигает 900м, кровля - на 210 м, а подошва залегает на глубинах около 1200 м [Colett et al., 2011].
По данным сейсмического профилирования установлено, что на шельфе Аляски сплошная криолитозона распространяется приблизительно до изобаты 25м [Brothers et al., 2016].
Дельта Маккензи и прилегающий шельф находились в перигляциальных условиях почти весь четвертичный период, и лишь только в позднем плиоцене и позднем валдае этот район покрывался ледником [Mcneil et al., 2001]. Давление ледниковой толщи способствовало формированию ГГ особенно в дельтовых отложениях, в которых часто встречаются хорошие коллекторы [Murton, 2009]. Клатраты залегают в интервале 890-1190 м,
под ММП. Исследование ГГ скважины Маллик показало, что гидратообразущие газы, находящиеся выше 500 м, имеют биогенное происхождение. Состав газов между 550 и 850 м указывает на смешанное биогенное и термогенное происхождение. Метан в ГГ, расположенных глубже 890 м, которые находятся в ЗСГ (между 890 и 1180 м (ранний олигоцен) - термогенные ["^^еёа, иэ1да, 2005].
Озера занимают 20-50% площади поверхности дельты. Считается, что они образовались 6 тыс. лет назад. Под озерами формируются талики, которые могут достигать глубины 300 м. Предполагается, что эти молодые озера не имеют аналогов на шельфе. Это может способствовать сохранению консолидации криолитозоны и параллельно сохранять ГГ [Majorowicz й а1., 2015].
Реликтовые ГГ залегают на глубине 119 м. Кла-тратным образованиям, сформированным на суше, сопутствуют ГГ на шельфе, также связанные с распространением многолетнемерзлых пород. Более того, бурением выявлено, что на шельфе ГГ встречаются чаще. Они обнаружены в 27 скважинах. На шельфе ГГ концентрируются в толще плиоцен-голоценового возраста, между подошвами ММП и ЗСГ [Majorowicz, Иапш^еп, 2000].
Мощная КЛЗ распространена до глубин 60 м и постепенно выклинивается к внешнему краю шельфа. На взморье дельты ГГ обнаружены в ЗСГ, интервале 100-1500 м от поверхности дна,
они выклиниваются к краю шельфа [Riedel et al., 2015].
Обсуждение результатов
Рассмотрение природных характеристик известных залежей и скоплений клатратной формы ГГ позволяет отметить некоторые особенности их размещения (табл. 2). Континентальные ГГ распространены на пассивных материковых окраинах, приурочены к КЛЗ или нижележащим горизонтам. Формирование их относится ко времени поздний плиоцен-квартер. Так же как и другие углеводороды ГГ нуждаются в хороших коллекторах, покрышках и находятся в прямой зависимости от термобарических условий.
Залежи ГГ размещаются в границах нефтегазовых месторождений. Общее для них положительная структура, сформировавшаяся в докайнозой-ское время. Геодинамика влияет на формирование нефтегазовых месторождений, в которых открыты залежи клатратной формы метана. Вертикальные движения в большей степени ответственны за сохранение скоплений ГГ. При восходящих движениях вместе с уменьшением мощности КЛЗ, уменьшается размер ЗСГ, и усиливается разложение ГГ.
ГГ образуются и существуют как в гляциаль-ных, так и перигляциальных условиях. При наступлении теплого периода ГГ перигляциальных об-
Таблица 2. Природные характеристики толщ, содержащих залежи ГГ
Регион Тектоника Возраст и литология гидрато-содержащих толщ Мощность ММП (м) Интервал ГГ (м) Природные обстановки квартера
Докайнозой-ская структура Неотектоника Современные движения
1 2 3 4 5 6 7 8
Север Западной Сибири (Западно-Мессояхская и Восточно-Мессояхская площади) Мессояхский порог Дизъюнктивные дислокации с образованием горстов и грабенов Воздымание, землетрясения М < 3 Турон. Песчано-глинистая прибрежная толща 320-350 700-730 Чередование ледниковых и межледниковых эпох
Северная Аляска Свод Барроу. Северная часть бассейна Колвилл Унаследованный наклон на северо-восток Воздымание М - 4,9 Поздний мел -кайнозой; пески, конгломераты; морской бассейн 600 210-950 Перигляциал
Дельта р. Маккензи Антиклинальное поднятие Смена режима растяжения на трансгрессию Опускание М > 5 Олигоцен; дельтовые пески 700 890-1190 Ледниковый режим: поздний плиоцен; поздний валдай
ластей оказываются в более стабильных условиях. Субгляциальные ГГ быстро разлагаются в ответ на резкое уменьшение давления. В тоже время при нисходящих движениях могут сохраняться, за счет эффекта самоконсервации.
Естественным последствием повышения температуры в голоцене должна быть деградация ММП, и как продолжение этого процесса диссоциация скоплений и проявлений ГГ. Однако, многочисленные исследования, проведенные в Арктике и Субарктике, установили широкое распространение сплошной КЛЗ.
Следует отметить, что начиная со среднего неоплейстоцена (427-126 тысяч лет назад) зона стабильности газовых гидратов достигла таких размеров, что она не исчезает, но может в какой-то степени уменьшаться. Особое значение приобретают холодные (ледниковые и межледниковые) этапы, если за ними следует интерстадиальное время. В это время отложения, содержащие кристаллогидраты, хорошо сохраняются особенно на крайнем севере, а толща ММП, содержащая ГГ, может продолжать расти. Межледниковые этапы развития природы четвертичного периода арктического региона (как аналог современных климатических условий) характеризуются неоднозначными условиями для развития клатратоносных отложений. Даже в эпохи потепления в субак-вальных условиях шельфа сохраняются условия для образования и наращивания криолитозоны, и формирования проявлений гидратов газа. Но в тоже время существуют области, где такие процессы не возможны [Друщиц и др., 2012].
На Русском месторождении произошло сокращение КЛЗ и полное исчезновение зоны стабильности гидратов газа вследствие поднятия по крупному региональному разлому на 250 м [Леонов, 2010]. В районе Антипаютинского месторождения зафиксирована скорость поднятия до +6,3 мм/год [Баранская, 2015]. Это месторождение находится в отрицательной структуре, однако современные движения могут способствовать разрушению зоны метастабильности ГГ. Воронки, образовавшиеся в последние годы на п-ове Ямал, могут быть следствием притока газа из продуктивной толщи по активным разломам, эмиссии газа из деградирующих ММП или пластовых льдов, или ГГ.
В настоящее время получены доказательства существования ГГ в осадочной толще на севере Китая, на Тибете, на севере Канадского щита (золотодобывающий рудник Люпин). Канадский щит в этом районе подвергался покровному оледенению. В скважинах рудника мощность ММП изменяется от 400 до 600 м. Газогидратоносные отложения расположены в интервале 890-1130 м. Предполагается, что ГГ образовались в субгляци-
альных условиях в валдайское время. Метан имеет термогенное и биогенное происхождение. Разрушение скоплений ГГ произошло во время эксплуатации рудника. Видимо, без антропогенного вмешательства эти ГГ не попали бы в атмосферу [Stotler et al., 2010].
В горах Куньлуня (провинция Цинхай), на высоте более 4000 м, в ледниковой зоне неоплейстоцена, а голоцене в перигляциальных условиях, предполагается распространение ГГ, которое подтверждается математическим моделированием. Мощность ММП изменяется от 28 до 128,5 м, ГГ могут находиться в интервале 67-1002 м. Метан из этого горизонта имеет термогенное происхождение [Lu et al., 2009].
На крайнем севере Китая, на северном склоне хребта Большой Хинган, мощность ММП колеблется от 50 до 100 м, кровля ММП расположена на глубине 2 м. Это район активной геодинамики (зона субдукции). Эмиссию метана связывают с диссоциацией ГГ. Концентрация растворенного метана в родниковой воде достигает 14000 ppm. Газ - термогенный и биогенный [Zhao et al., 2012].
По-видимому, исследование ГГ, на территориях, подвергавшихся оледенению, имеет положительные перспективы, но при малых мощностях ММП ожидать значительных скоплений ГГ не стоит. Они постепенно разрушаются вместе с ММП. Эти предполагаемые скопления тоже относятся к континентальным ГГ.
В научном сообществе обсуждается вклад эмиссии метана в изменение климата и как одной из составляющей этого явления, разложение скоплений ГГ. Представляется, что вклад метана из ГГ завышен (рис. 3).
По-видимому, залежи ГГ, связанные с продуктивными горизонтами нефтегазовыми месторождениями, на современном этапе развития КЛЗ не могут служить источниками эмиссии природного газа, как на суше, так и на шельфе. Они защищены от разрушения толщей ММП и, как правило, литологической покрышкой или экранируются нарушением тектонической природы.
Источниками метана являются межмерзлотные газы различного происхождения, реликтовые ГГ, как наиболее уязвимые образования в современных природных условиях. Кроме того, свободный газ может достигать поверхности дна по сквозным (подозерным и подрусловым) таликам и тектоническим нарушениям. Этим, вероятно, объясняется широкое распространение мест разгрузки природного газа на арктических шельфах. К изменению такой ситуации могут привести катастрофические явления, в том числе и землетрясения.
Метан может разгружаться из угольных месторождений; оттаявших четвертичных осадков
и более древних отложениях различного генезиса. Эмиссия метана в водную толщу может быть постоянной и сезонной, а может носить и катастрофический, взрывной характер. Все эти процессы зависят от состава и строения четвертичной части осадочного чехла и современных тектонических процессов. Предполагается также, что эмиссия метана или других природных газов происходит за счет вулканической деятельности [Мансурен-ков и др., 2012]. На шельфе Восточно-Сибирского моря, в зоне тектонического нарушения, были обнаружены ураганные концентрации углеводородных газов. Изотопный состав углерода указывает на принадлежность этих выбросов к углегазонос-ным и газонефтеносным осадочным формациям [Шакиров и др., 2013].
Были проведены измерения концентрации метана на границе почва-атмосфера, на побережье арктических морей России, от Кольского полуострова до острова Врангеля. Максимальные значения эмиссии метана приурочены к влажным тундрам самых северных участков [Christensen й а1., 1995; Ривкин, 2003]. Проводись исследования содержания метана в толще мерзлых пород восточного сектора Российской Арктики. В отложениях голоценового и поздненеоплейстоценового возраста метан не был обнаружен или были зафиксированы незначительные концентрации, а максимальные концентрации были приурочены к средненеоплейстоценовым осадкам. Установлено, что метан образовался при положительных температурах и законсервировался при промерзании. Но он может формироваться и при отрицательных температурах, так как археи (метаногенные бактерии) не только сохраняют жизнеспособность, но и адаптируются к условиям криолитозоны [Рив-кина, 2006].
Проведение сравнения ландшафтов приморских низменностей Восточной Арктики с материалами сейсмических исследований на шельфе [ЯекаП et а1., 2015] позволило установить источники субаквальной эмиссии природного газа. По аналогии с сушей газовые факелы были зафиксированы над термокарстовыми депрессиями и под-русловыми таликами.
Измеренные ураганные концентрации метана в придонном слое и на границе вода-атмосфера на внутреннем шельфе морей Лаптевых и ВосточноСибирского [Шахова, 2010] могут указывать на эмиссию из реликтовых ГГ также и на разгрузку метана из деградирующих ММП. Такая ситуация возможна, учитывая влияние рек Лена, Яна, Индигирка. Изотопный анализ углерода и водорода метана определяет присутствие биогенного и термогенного газа. Видимо, существует неизвестный глубинный источник.
Анализ распределения мест эмиссии метана и сопоставление с известными местами скоплений и проявлений гидратов газа, показанных на рисунке 3, позволяет предположить, что клатратная форма природного газа не является основным источником метана в арктических морских бассейнах. Более того ожидать значительных скоплений гидратов газа не стоит. Залежи могут быть связаны только с нефтегазовыми месторождениями.
Проявления и скопления реликтовых ГГ, как более уязвимые, находящиеся непосредственно в ММП, служат одним из многих источников метана на шельфе Арктики.
Заключение
Известные поля континентальных гидратов метана сформировались на пассивных континентальных окраинах, внутри или под криолитозоной.
Принадлежность к региональным структурам сказывается на формировании общих характеристик бассейна осадконакопления. Для зоны скоплений ГГ важно проявление локальной тектонической активности: блоковое строение, зависимость от влияния крупных и мелких тектонических дислокаций.
На примере Северной Аляски, которая не подвергалась оледенению и имеет несколько крупных зон (в том числе и на акватории) скоплений ГГ, можно заключить, что перигляциальные условия наиболее благоприятны для их формирования и сохранения. Но формирование ГГ имеет некоторые ограничения. Кроме коллекторских свойств осадочной толщи, ограничения накладывают под-русловые и подозерные талики, криопэги мерзлотной толщи, зоны активных тектонических нарушений.
ГГ в гляциальных условиях могут занимать значительные площади, в коллекторах различного генезиса, вследствие избыточного давления, создаваемого ледниками. Они же начинают быстро разрушаться сразу после отступания ледника и катастрофически быстрого уменьшения давления. В этих условиях ГГ, оказавшиеся на акватории, имеют лучшие возможности для консервации вследствие замены барических условий ледника на избыточное давление водной толщи.
На севере Западной Сибири, который неоднократно подвергался оледенениям, реликтовые ГГ встречены в четвертичном покрове нескольких месторождений. Это может служить доказательством существования значительных массивов этих образований в прошлом. Послевалдайский подъем арктического побережья России вызвал деградацию большей части реликтовых ГГ, сохранение скоплений следует ожидать в депрессионных зонах.
Широко распространенное явление эмиссии метана в арктических регионах вызвано различными процессами, одним из которых является диссоциация ГГ.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 17-05-00795).
Литература
Архипов С.А., Волкова В.С., Зольников И.Д. и др. Западная Сибирь // Изменение климата и ландшафтов за последние 65 млн. лет (кайнозой от палеоцена до голоцена). Ред. А.А. Величко М.: ГЕОС. 1999. С. 84-109.
Баранская А.В. Роль новейших вертикальных тектонических движений в формировании рельефа побережий Российской Арктики. Дис. на соиск. уч. степ. к.г.н. Санкт-Петербург. 2015. 250 с. Гуськов С.А., Беляев С.Ю. Неотектонический этап развития северной части Западно-Сибирского бассейна // Геология полярных областей земли. Том I. М.: ГЕОС. 2009. С. 172-176 ДрущицВ.А., Садчикова Т.А., Сколотнева Т.С. Гидраты газа на шельфе и суше Арктики и изменение природной среды в квартере // Бюл. Ком. по изуч. четв. периода. 2011. № 71. С. 124-134. Друщиц В.А, Садчикова Т.А. Возможные источники эмиссии природного газа на шельфе Восточной Арктики // Геология морей и океанов. Материалы ХХ Международной научной конференции (Школы) по морской геологии. Москва, 18-22 ноября 2013. М.: ГЕОС. 2013. Т.1. С. 49-52. Извеков И.Б. Критерии и перспективы поиска и разведки залежей углеводородов в юрских и меловых отложениях в зоне сочленения Ямальской, Надым-Пурской и Гыданской областей Западно-Сибирской мегапровинции // Вести газовой науки. 2015. № 4. С. 149-160.
Кузьмин Ю.О., Никонов А.И., Лукьянов О.В. и др. Оценка геодинамической опасности объектов инфраструктуры Бованенковского НГКМ //Георесурсы, геоэнергетика, геополитика. 2010. № 2 (2). Лаврушин Ю.А., Алексеев М.Н. Арктические районы // Изменение климата и ландшафтов за последние 65 млн. лет (кайнозой от палеоцена до голоцена). Ред. А.А. Величко М.: ГЕОС. 1999. С. 21-42. Леонов С.А. Перспективы гидратоносности надсено-манских отложений севера Западной Сибири. Автореферат дис. на соиск. уч. степ. к. г-м. н. Москва. 2010. 25 с.
Новейшая тектоника, геодинамика и сейсмичность Северной Евразии (гл. редактор А.Ф. Грачев). 2000. 487 с. Масуренков Ю.П., Собисевич А.Л, Петрова В.В. и др. Современная активность эндогенных процессов у острова Беннета (архипелаг Де Лонга, Арктика). М.: ИФЗ РАН. 2012. 160 с. Мельников В.П., Спесивцев В.И. Инженерно-геологические и геокриологические условия Баренцева и Карского морей. Новосибирск: Наука. Си. Изд. Фирма РАН, 1995. 198 с.
Строение и свойства пород криолитозоны южной части Бованенковского газоконденсатного месторождения (отв. редактор Е.М. Чувилин). М.: ГЕОС. 2007. 137 с.
Нечаев В.П. Субаэральная криолитозона // Климаты и ландшафты Северной Евразии в условиях глобального потепления. Ретроспективный анализ и сценарии. Атлас-монография. Выпуск III (Под ред. А.А.Величко). М.: ГЕОС. 2010. С. 128-141.
Николаев Н.Н. Неотектоника и ее выражение в структуре и рельефе территории СССР. М.: Госгеолтехиз-дат. 1962. 392 с.
Самохин А.А. Ловушки сеноманских газовых залежей на севере Западной Сибири (типы и прогноз размещения) // Нефтегазовая геология. Теория и практика. 2011. Т.6. № 2. С. 1-16.
Ривкин Ф.М. Газосодержание в верхних горизонтах мерзлых пород // Геокриологические условия Хара-савейского и Крузенштерновского газоконденсат-ных месторождений (п-ов Ямал) / Баулин В.В. и др. М.: ГЕОС. 2003. С. 133-145.
Ривкина Е.М., Краев Г.Н., Кривушин К.В. и др. Метан в вечномерзлых отложениях северо-восточного сектора Арктики/ Криосфера Земли. 2006, т. X, №3. С. 23-41.
Тимурзиев А.И., Гогоненков Г.Н. Новейшая сдвиговая тектоника осадочных бассейнов: от нефтегазогео-логического районирования недр до технологии поисков и разведки глубокозалегающих месторождений углеводородов // Вести газовой науки.2012. № 1(9). С. 68-85.
Трифонов В.Г. Неотектоника Евразии. М.: Научный мир, 1999. 252 с.
Харахинов В.В., Кулишкин Н.М., Шленкин С.И. Мес-сояхский порог - уникальный нефтегазогеологиче-ский объект на севере Сибири // Геология нефти и газа. 2013. № 5. С. 34-48.
Шакиров Р.Б., Сорочинская А.В., Обжиров А.И. Газогеохимические аномалии в осадках ВосточноСибирского моря // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2013. № 1. Вып. 21. С. 98-110.
Шахова Н. Е. Метан как недоучтенный компонент цикла углерода в Арктических морях // Геология и геоэкология континентальных окраин Евразии. Выпуск 2. М.: ГЕОС, 2010. С. 125-137.
Шполянская Н.А. Плейстоцен-голоценовая история развития криолитозоны Российской Арктики «глазами» подземных льдов. М.: Ижевск: Ин-т компьют. иссл. 2015. 344 с.
Якушев В.С., Перлова Е.В., Махонина Н.А. и др. Газовые гидраты в отложениях материков и островов// Российский хим. ж. Т. XLVII. № 3. 2003. С. 80-90.
Bostrom R.C. Water expulsion and pingo formation in a region affected by subsidence
Journal o[ Glaciology. 1967. V.6, №.46. P. 568-572
Brothes L.L., Herman B.M., Hart P.E. et al. Subsea ice-bearing permafrost on the U.S. Beaufort Margin: 1. Minimum seaward extent defined from multichannel seismic reflection data. AGU Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 2016. P.4354-4365. Doi: 10.1002/2016GC006584
Carmen G. J. Hardwick P. Geology and Regional Setting of Kuparuk Oil Field, Alaska //
Am. As. of Pet. Geol. Bul. 1983. V. 67. № 6. P. 10141031
Christesen T.R., Jonasson S., Callaghan T.V. et al. Spatial variation in high-latitude methane flux along transect across Siberian and European tundra environments // Journal of Geophisical Research. 1995. V. 100 P. 21035-21045.
Coakley B.J., Watts A.B. Tectonic controls on the development of unconformities the North Slope, Alaska // Tectonics. 1991. V. 10. №1. P. 101-130.
Collett T.S., Kruuskaa V.A. Hydrates contain vast store of world gas resources // Oil and Gas Journal. 1999. May 11. V. 96, № 19. P. 90-96.
Collett T.S., Lee M.V., Warren F. et al. Permafrost-associated natural gas hydrate occurrences on the Alaska North Slope // Marine and Petroleum Geology.2011. V. 28. P. 279-294
Couch A.G., Eyles N. Sedimentary record of glacial Lake Mackenzie, Northwest Territories, Canada: Implications for Arctic freshwater forcing //Palaeogeogra-phy, Palaeoclimatology, Palaeoecology. 2008. V. 268. P. 26-38
Dinkelman M., Kumar N., Helwig J. et al. Highlights of Petroleum and Crustal Framework of the Beaufort-Mackenzie Basin: Key Results from BeaufortSPAN East Phases I and II Surveys // CSEG Recorder. 2008. № 9. P. 22-25.
Hamilton Th.D. Late Cenozoic glaciation of Alaska // The Geology of Northern America. V.G-1. The Geology of Alaska/ The Geological Society of America. 1994. P. 813-844.
Hyndman R.D., Cassidy J.F., Adams J. et al. Earthquakes and Seismic Hazard in the
Yukon-Beaufort-Mackenzie // CSEG Recorder. 2005. № 5. P. 32-67.
Lane L.S. Tectonic Evolution of the Canadian Beaufort Sea - Mackenzie Delta Region: A Brief Review // CSEG Recorder. 2002. № 2. P. 49-56.
Lu Z.Q., Sultan N., Jin Ch.Sh. et al. Modeling on gas hydrate formation conditions in the Qinghai-Tibet plateau permafrost // Chinese Journal of Geophysics. 2009. V. 52 (1). P. 157-168.
Majorowicz J.A., Hanningen P.K. Natural gas hydrates in the offshore Beafort-Mackezie Basin - study of fea-
sible energy source II // Natural Resources Research. 2000. V. 9, № 3. P. 201-214.
Majorowicz J., Ocadetz R., Safanda J. Model of Talik? Permafrost gas Hydrate Histories - Beaufort Mackenzie Basin, Canada // Energies. 2015. № 8. P. 6738-6764.
Mazzotti S, Leonard L.J., Hyndman R.D. et al. Tectonics, Dynamics, and Seismic Hazard in the Canada-Alaska Cordillera // Geophysical Monograph Series. 2008. 179. P. 297-319.
Mcneil D.H., Duk-Rodkin A., Dixon D. et al. Sequence stratigraphy, biotic change, 87Sr/86Sr record, paleoclimatic history, and sedimentation rate change across a regional Late Cenozoic unconformity in Arctic Canada // Canadian Journal of Earth Sciences. 2001. V. 38(2). P. 309-331.
Murton J.B. Stratigraphy and Palaeoenvironment of Richards Island and Eastern Beaufort Continental shelf during the Last Glacial-Interglacial Cycle // Permafrost and Periglacial Processes. 2009. V. 20. P. 107-125.
Portnov A., Mienert J., Serov P. Modeling the evolution of climate sensitive Arctic subsea permafrost in regions extensive gas expulsion at the West Jamal shelf // Journal of Geophysical Research: Biogeosciences. 2014. V. 119. P. 2082-2094.
Rekant P., Bauch H. A., Schewenk T. et al. Evolution of subsea permafrost landscape in Arctic Siberia since the Late Pleistocene: a synoptic insight from acoustic data of the Laptev Sea // Arctos. 2015. 16 p. DOI 10.1007/ s41063-015-0011-y.
Riedel M., Taylor G., Taylor A.E. et al. Evidence for deep gas hydrate stability zone associated with submerged permafrost on Canada Arctic Beaufort Shelf. Northwest Territories // Geologic Survey of Canada. Cur. Res. 2015. V. 8. 17 p.
Stotler R.L., Frape Sh.K., Ahonen L. et al. Origin and stability of permafrost methane hydrate occurrence in the Canadien Shield // Earth Planet. Sci. Lett. 2010. V. 296. P. 384-394.
Waseda A., Usida T. Organic geochemistry of gas, gas hydrate, and organic matter from JAPEX/JNOC/GSC et al. Mallik SL-38 gas hydrate production research well / Geological Survey of Canada. Bulletin № 585, 2005.
Zhao X., Deng J., Li J, Lu Ch., Song J. Gas hydrate formation and its accumulation potential in Mohe permafrost, China // Marine and Petroleum Geology. 2012. V.35. Is. 1. P. 166-175.
V.A. Drouchits, T.A. Sadchikova ENVIRONMENTAL CONDITIONS OF CONTINENTAL METHANE HYDRATE FORMATION AND PRESERVATION ON THE ARCTIC CONTINENTAL MARGIN
Natural conditions are considered of relic gas-hydrates formation and preservation in the north of Western Siberia, Northern Alaska, and Mackenzie Delta. The main factor for the formation and accumulation of clathrate hydrates and their further evolution was the environmental regime of the Quaternary, namely the succession of glacial and periglacial conditions. Local tectonic dislocations were responsible for preservation of hydrate-bearing deposits.
Keywords: methane hydrate, Arctic, Quaternary, glacial and periglacial conditions, tectonic dislocations
