Введение к работе
Актуальность исследований. Роль газогидратообразования в очагах
разгрузки флюидов весьма существенна, по крайней мерс; это касается двух
і НОС НАЦИОНАЛЬНАЯ Г
tapsm
аспектов: природные газовые гидраты как потенциальный ресурс углеводородного сырья и как фактор, так или иначе влияющий на глобальные изменения климата. Следует отметить, что в последние годы изучению природных газовых гидратов стало придаваться весьма большое значение, особенно за рубежом. Субмаринные газовые гидраты рассматриваются в качестве резерва углеводородного сырья третьего тысячелетия: в США, Японии и Индии действуют национальные программы, направленные на оценку газогидратоносности акваторий и разработку методов добычи газа из скоплений газовых гидратов. Согласно последним оценкам, в скоплениях газовых гидратов сосредоточено не менее 2 10" м3 метана, что соизмеримо с мировыми геологическими ресурсами природного газа и в два раза превышает его ресурсы в глубоководных акваториях (Соловьев, 2002). В этой связи основной задачей ресурсно-геологического аспекта геологии газовых гидратов в целом является выяснение места, занимаемого природными газовыми гидратами в ряду прочих полезных ископаемых. Решение этой задачи предусматривает выявление формы, размеров, гидратосодержания отдельных скоплений гидратов и определение общих ресурсов газа (главным образом метана) в скоплениях газовых гидратов.
Что касается второго аспекта, то он основан на положении о том, что в результате процессов разложения газовых гидратов в атмосферу выделяется значительное количество газа (метана), способное вызвать изменение температурного режима атмосферы Земли (так называемый, парниковый эффект). Следует отметить, что при этом не учитываются термобарические особенности формирования скоплений газовых гидратов. Можно предполагать, что напротив, газогидратообразование в очагах разгрузки флюидов препятствует выходу свободного газа в гидросферу и атмосферу.
Цели и задачи исследований. Основной целью данной работы являлось выявление масштабов и особенностей газогидратообразования, связанного с очагами разгрузки флюидов.
Для достижения поставленной цели, в ходе исследований решались следующие задачи: 1) систематизировать признаки очагов разгрузки флюидов; 2) охарактеризовать все известные скопления газовых гидратов в очагах разгрузки флюидов; 3) рассмотреть особенности газогидратообразования в различных типах очагов разгрузки флюидов; 4) изучить состав газогидратообразующих флюидов и выявить его изменчивость при газогидратообразовании; 5) оценить количество метана в скоплениях газовых гидратов, связанных с очагами разгрузки флюидов.
Материалы и методы. В основу работы положен оригинальный фактический материал, собранный автором в морских геологических экспедициях в Черном, Средиземном, Норвежском и Охотском морях, в Кадисском заливе и на озере Байкал - образцы поровой, придонной морской и гидратной воды (более 800 образцов), гидратного газа, данные температурных измерений керна и измерения физических свойств осадков, описания и фотографии гидратных кернов, описания текстур газогидратосодержащих отложений, а также данные сейсмического и акустического профилирования и записи гидролокатора бокового обзора.
Поровые воды отжимались центрифугированием (4300 об/мин максимум) непосредственно на борту. Время с момента пробоотбора до получения образцов поровой воды не превышало двух суток. Химический (компонентный) анализ поровой воды был выполнен в лаборатории ВНИИОкеангеология по методике, описанной Резниковым и Муликовской (1956): С1, Са и Mg определялись титриметрически (натриево-, кислотно-, и комплексометрически, соответственно), S04 по весу, и Na с К - с использованием пламенно-фотометрического метода.
В качестве косвенного признака присутствия гидратов в отложениях, а также в качестве индикатора процессов миграции флюидов рассматривались данные измерений изотопного состава кислорода и водорода поровой воды. Определение изотопного состава воды выполнялось в лаборатории ВСЕГИНГЕО на переоборудованном приборе МИ-1201 (аналитики В.АПоляков и А.Ф.Бобков). Метод уравновешивания для С02 воды, описанный Эпштейном и Майедой (Epstein and Mayeda, 1953), был использован для анализа изотопного состава кислорода, и цинковый метод был использован для определения изотопного состава водорода (Kendal and Coplen, 1985; Поляков и Бобков, 1995). Ошибка измерения (включающая в себя ошибку приготовления препарата) составляла +0,2%о для кислорода и +3%о для водорода. Результаты представлены в промилле по отношению к стандарту SMOW (Standard Mean Ocean Water).
Образцы гидратного газа отбирались как методом спонтанной дегазации через насыщенный соляной раствор, так и с применением герметичных пробоотборников под давлением. Хроматографический анализ проб газа был выполнен в лаборатории ВНИГРИ Н.А.Лобковой. О2, N2, СОг и СН4 были определены с использованием катарометра, тяжелые углеводороды определялись пламенно-ионизационным детектором.
Измерения температуры и теплопроводности кернов производились в полевых лабораториях. Для измерения использовался прибор «ЛИТОС» (производство «САМАРА») с разрешением 0,0ГС при температурных измерениях и 0,001 W/mK при измерениях теплопроводности, кроме того для измерения температуры отложений использовался ртутный термометр с ценой деления шкалы 0,2С.
Газовые гидраты описывались и фотографировались. В некоторых кернах производилась визуальная оценка количества газовых гидратов в газогидратосодержащих интервалах.
Отбирались также пробы осадка для определения влажности и удельного веса. Содержание воды в осадках (по весу) и объемная пористость рассчитывались в соответствии с влажностью образца.
Работа базируется как на основе данных, полученных в ходе экспедиционных работ с участием автора, так и на основе обширного литературного материала по газогидратопроявлениям в очагах разгрузки флюидов, имеющего в распоряжении автора. В частности карта распространения очагов разгрузки флюидов на дне в глубоководных районах Мирового океана
явилась результатом систематизации литературных данных разных лет по этой тематике и классификации признаков очагов разгрузки газогидратообразующих флюидов. При составлении карты принимались во внимание очаги разгрузки флюидов на глубинах воды от 450 м (от экватора до 60-65 с.ш. и ю.ш.) и от 300 м (от 60-65 с.ш. и ю.ш. к полюсам). Выбор глубин обусловлен величинами гидростатического давления и температур, при которых газовые гидраты в очагах разгрузки флюидов могут не только образовываться, но и сохраняться в стабильном состоянии.
Защищаемые положения. Применение комплексного подхода
позволило сформулировать следующие защищаемые положения: (1) Очаги разгрузки флюидов на дне в глубоководных районах Мирового океана характерны для активных континентальных окраин и глубоководных акваторий внутренних морей и озер, что указывает на масштабность распространения скоплений газовых гидратов, связанных с фокусированными потоками флюидов. (2) Выделяются три типа очагов разгрузки флюидов: разгрузка воды, газа и смешанный (грязевулканический) тип. Механизмы формирования газовых гидратов в этих типах очагов разгрузки флюидов описываются различными фильтрационными моделями: элизионно-тектоническими, грязевулканическими и газоструйными. (3) Изучение процессов фракционирования при газогидратообразовании в очагах разгрузки флюидов и состава газогидратообразующих компонентов (воды и газа) позволяют решать задачи по выявлению исходного состава и глубинных источников разгружающихся на дне флюидов. Установленные особенности состава флюидов также могут рассматриваться в качестве поискового признака скоплений углеводородов. (4) Скопления газовых гидратов, связанные с очагами разгрузки флюидов, несмотря на локальность газогидратопроявлений, являются наиболее перспективными для последующего изучения их практического значения в связи с их расположением вблизи дна и возобновляемостью ресурсов газа в них.
Научная новизна и практическая значимость. Несмотря на выявление
в последнее время все новых и новых очагов разгрузи флюидов и газогидратопроявлений, связанных с ними, их систематизации и типизации уделялось недостаточное внимание. Впервые детально рассмотрены и систематизированы глубоководные очаги разгрузки флюидов, т.е. расположенные в пределах термобарической зоны стабильности газовых гидратов и, следовательно, являющиеся потенциальными районами газогидратообразования. Такой принципиально новый подход к систематизации имеющихся в распоряжении материалов, позволил автору рассматривать отдельные признаки глубоководных очагов разгрузки флюидов в качестве косвенных признаков присутствия газовых гидратов.
Скопления газовых гидратов, приуроченные к очагам разгрузки флюидов, занимают особое место при выявлении роли газовых гидратов в ряду полезных ископаемых благодаря, по крайней мере, двум их особенностям: они расположены вблизи дна, что облегчает доступ к их исследованию и возможной
эксплуатации в будущем; ресурсы газа, заключенного в скоплениях газовых гидратов такого типа являются возобновляемыми.
Рассматриваемые в работе скопления газовых гидратов в очагах разгрузки флюидов приурочены, как правило, к нефтегазоносным провинциям Мирового океана. Очевидная взаимосвязь газогидратопроявлений с разрушающимися месторождениями газа в прибрежье о. Сахалин в Охотском море, скоплениями газа и нефти в Каспийском море, Мексиканском заливе и ряде других областей, позволяют рассматривать газогидратопроявления в локальных зонах разгрузки флюидов как возможный поисковый признак для выделения геологических структур под глубокое бурение в акваториях.
Результаты проведённых в рамках данной работы исследований являются существенным вкладом в определение роли миграции флюидов в процессе гидратообразования. Они использовались в тематической работе, проводимой во ВНИИОкеангеология «Геологический контроль формирования скоплений газовых гидратов в Мировом океане». Предполагается, что результаты данного исследования, в конечном счете, можно рассматривать как очередной шаг на пути обоснования места, занимаемого природными газовыми гидратами в ряду прочих полезных ископаемых.
Впервые оценены реальные масштабы газогидратонакопления на континентальных окраинах, включая объемы метана на участках локальной разгрузки газонасыщенных флюидов. Впервые составлена карта «Очаги разгрузки флюидов на дне в глубоководных районах Мирового океана», учитывающая всю новейшую информацию, полученную в результате полевых исследований автора, а также всех накопленных ранее данных других исследователей. Это позволит обосновать и продолжить целенаправленные поиски наиболее благоприятных объектов для оценки запасов гидратов метана в акваториях Мирового океана (кат. C3+Q2). Обоснованы новые оценки количества метана в скоплениях газовых гидратов, приуроченных к очагам разгрузки флюидов.
Апробация работы. Результаты, обсуждаемые в диссертационной работе легли в основу пяти научных статей в международных и отечественных реферируемых изданиях, а также были опубликованы в материалах нескольких российских и международных конференций: (1) Девятая международная конференция по программе TTR «Геологические процессы на Европейских континентальных окраинах» (Гранада, Испания, январь-февраль 2000); (2) Западно-Тихоокеанский геофизический конгресс (Токио, Япония, 2000); (3) 6-я международная конференция «Газ в морских отложениях» (Санкт-Петербург, сентябрь 2000); (4) Международный конгресс и десятая конференция программы «Обучение в процессе исследований» «Геологические процессы на глубоководных континентальных окраинах Европы» (Москва, январь 2001); (5) XI Европейский Геологический Конгресс (Страсбург, Франция, апрель 2001); (6) XVI Симпозиум по геохимии изотопов имени академика А.П. Вернадского (Москва, ноябрь 2001); (7) Международная конференция «Минералы Океана» (Санкт-Петербург, апрель 2002); (8) Российско-немецкий конгресс «Движущие
силы климата Севера» (Киль, Германия, май 2002); (9) IV международная конференция «Газовые гидраты» (Йокогама, Япония, май 2002); (10) 7-я международная конференция «Газ в морских отложениях» (Баку, Азербайджан, октябрь 2002); (11) Международная конференция «Исследования газовых гидратов и связанные с этим темы» (Китами, Япония, март 2003); (12) Международной конференции "Новые идеи в науках о Земле" (Москва, октябрь 2003); (13) Международная конференция по исследованию окраин Мирового океана (Париж, Франция, сентябрь 2003); (14) 2-я международная конференция «Минералы Океана» (Санкт-Петербург, апрель 2004); (15) XVII Симпозиум по геохимии изотопов имени академика А.П. Вернадского (Москва, октябрь 2004);
Личный вклад автора. Многие проблемы, рассмотренные в данной диссертационной работе, явились частью тематических исследований, проводимых в лаборатории геологии газовых гидратов ВНИИОкеангеология с 1999 по 2004 годы, в которых автор принимал самое активное участие. Большинство данных по скоплениям газовых гидратов, связанных с очагами разгрузки флюидов в Мировом Океане, приводимые в работе, были получены в ходе научно-исследовательских экспедиций, обработаны и проинтерпретированы автором лично либо при его участии. Автором был переработан большой объем научной литературы по теме диссертации. В результате полученных автором данных, а также на основе опубликованного материала были систематизированы признаки очагов разгрузки газогидратообразующих флюидов; была составлена карта «Очаги разгрузки флюидов на дне в глубоководных районах Мирового океана». Автором была поставлена и успешно выполнена задача по выявлению исходного состава газогидратообразующих флюидов в ряде районов Мирового океана; рассмотрен вопрос о месте газовых гидратов, формирующихся в очагах разгрузки флюидов, в ряду других горючих ископаемых.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность научному руководителю профессору В.П.Якуцени.
Автор искренне признателен В.А.Соловьёву, зав. лабораторией геологии
газовых гидратов ВНИИОкеангеология. Без его постоянной поддержки, дельных
советов, идей и опеки эта работа никогда бы не состоялась. Автор благодарит
профессора О.И.Супруненко за большую помощь и поддержку на всех этапах
проведения работы. Автор благодарит Г.А.Черкашева, Б.Г.Ванштейна,
И.А.Андрееву, В.А.Гладыша, и других работников института
ВНИИОкеангеология за содействие в подготовке работы.
Огромное спасибо сотрудникам лаборатории геологии газовых гидратов Е.А.Логвиной и В.В.Каулио за огромную помощь на завершающем этапе работы. Изотопную характеристику газовых гидратов и газогидратообразующих флюидов удалось освоить благодаря помощи д-ра Э.М.Прасолова. Автор искренне благодарен директору ЮНЕСКО-МГУ центра по геологии и геофизике профессору М.К.Иванову за конструктивные дискуссии и помощь в апробации работы, сотруднику отдела ЮНЕСКО по морским и береговым исследованиям доктору А.Е.Сузюмову, а также сотрудникам центра Е.В.Козловой, О.В.Крылову, Г.Г.Ахманову, СВ.Буряку, А.М.Ахметжанову, П.В.Шашкину, А.Н.Стадницкой,
И. Ю. Беленькой, А.Л.Волконской, А.П.Сауткину, В.Н.Блиновой,
Д.О.Овсянникову, АЮ.Садекову, С.Ю.Шкаринову и другим, за разностороннюю поддержку и помощь в сборе материала для диссертации.
Автор выражает глубокую признательность всем сотрудникам кафедр
литологии и морской геологии МГУ и СПбГУ на которых закладывались базовые
представления автора по морской геологии и седиментологии. Многие
аналитические исследования выполнены в лабораториях ВНИИОкеагеология,
ВНИГРИ, ВСЕГЕИ, ВСЕГИНГЕО, МГУ, СПбГУ и других. Работа выполнена в
тесном сотрудничестве с европейскими и российскими учеными Дж.Вудсайдом,
Х.Шоджи, М.Ховландом, А.Джадом, Я.Клерксом, Дж.Портом, Дж.Гарднер,
Л.Пинейро, Х.Лю, П.Аароном, Е.Нисбет, М.Максом, А.Хачикубо,
Л.Димитровым, А.И.Обжировым, А.С. Саломатиным, А.Н.Салюком,
А.Н.Деркачевым, А.Я.Гольмштоком, И.С.Гулиевым, А.В.Егоровым,
Б.В.Барановым, О.Хлыстовым, и др.
Автор выражает глубокую благодарность Министерству природных ресурсов РФ, Российскому Фонду Фундаментальных Исследований и Министерству Науки за материальную поддержку при написании работы. Автор признателен сотрудникам ФГУНПП ПМГРЭ А.Г.Кротову, В.Н.Иванову и другим, а также экипажу НИС «Профессор Логачев».
Отдельное спасибо жене и коллеге сотруднику лаборатории газовых гидратов Т.В.Матвеевой.
Автор благодарит всех, чью поддержку и внимание автор постоянно чувствовал.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, подразделяющихся на подглавы, разделы и подразделы, основных выводов, списка литературы и одного приложения. Объем работы 230 страниц, диссертация иллюстрирована 69 рисунками, 19 таблицами, содержит библиографию из 251 наименования.
