Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние научной проблемы и актуальность исследования
Глава 2. Основы теории распределения газогеохимических полей в различных средах
2.1. Основные черты геологического строения о. Сахалин и Татарского пролива
2.2. Изученность газогеохимических полей на о. Сахалин и его шельфе 35
2.3. Геолого-геофизические предпосылки формирования углеводородных газогеохимических полей
2.4. Изотопно-газогеохимические критерии генезиса углеводородных газов
Глава 3. Фактический материал и методы исследования 54
3.1. Фактический материал и район работ 54
3.2. Методы исследования
3.2.1. Отбор проб 62
3.2.2. Анализ газа 64
Глава 4. Особенности распределения природных газов на о. Сахалин и западной части Охотского моря
4.1. Фоновые и аномальные газогеохимические поля на о. Сахалин 71
4.1.1. Нефтегазоносные области 71
4.1.2. Геотермальные системы 79
4.1.3. Угольные месторождения 83
4.1.4. Углекислые воды 89
4.1.5. Районы грязевого вулканизма 91
4.2. Фоновые и аномальные газогеохимические поля западной части Охотского моря
4.2.1. Западный шельф и склон о. Сахалин 107
4.2.2. Западный борт Курильской котловины 118
Глава 5. Источники генерации природных газов в геолого тектонических системах о. Сахалин и его шельфа 124
Заключение 135
Словарь терминов 137
Список литературы 1
- Изученность газогеохимических полей на о. Сахалин и его шельфе
- Изотопно-газогеохимические критерии генезиса углеводородных газов
- Отбор проб
- Фоновые и аномальные газогеохимические поля западной части Охотского моря
Введение к работе
Актуальность. Основными «поставщиками» газов в атмосферу являются активный вулканизм, гидротермальная деятельность, месторождения нефти и газа, газогидратов, биогенные источники. Над газовыми источниками формируются газогеохимические поля, которые характеризуются определённым составом газов в зависимости от геологических условий. Район исследований относится к северо-западной части Тихоокеанского подвижного пояса, захватывая такие структуры, как складчатая система Сахалина, его шельф и склон, северо-западный борт Курильской котловины и южная часть Татарского пролива (рис. 1).
Исследования баланса природных газов должны учитывать их эмиссию из нефтегазовых и угольных месторождений и локальных, но активных систем газовой разгрузки (грязевые вулканы, геотермальные системы, водоминеральные источники и другие). Все эти виды углеводородных скоплений широко распространены на острове Сахалин и присахалинском шельфе. Сахалинский сегмент Хоккайдо-Сахалинской складчатой системы контролируется трансформной границей литосферных плит, которая выражается в системе глубинных разломов. По разломам осуществляется газо-флюидный перенос, интенсивность которого регулируется сейсмической активностью.
В работе особое внимание уделяется выявлению фоновых и аномальных газогеохимических полей метана, углекислого газа, гелия и водорода и их взаимосвязи с геологическим строением исследуемых районов.
Знание условий формирования газогеохимических полей позволяет использовать их как индикаторы для прогноза нефтегазовых залежей, для картирования зон разломов и оценки их геологической активности, для оценки влияния газогеохимических полей на окружающую среду.
Степень разработанности проблемы. Изучение природных газов в Охотском море началось с 1972 г., но еще до проведения исследований на акватории моря выполнялись газогеохимические работы на суше, в основном в районе северного Сахалина, где были открыты месторождения нефти и газа (Харахинов, 2010). Исследования на суше показали, что над месторождениями нефти и газа формируются аномальные метановые поля с некоторым увеличением содержания тяжелых углеводородов, которые в основном приурочены к зонам разломов.
Систематические исследования газогеохимических полей на акватории Охотского моря были продолжены под руководством д.г.-м.н. А.И. Обжирова (лаб. газогеохимии, ТОЙ ДВО РАН). Проведение газогеохимических исследований было обусловлено необходимостью разработки дополнительных методов для выделения первоочередных поисковых объектов на нефть и газ.
Автором в составе лаборатории газогеохимии ТОЙ ДВО РАН были проведены газогеохимические исследования различных площадей и геологических объектов о. Сахалин и прилегающего шельфа и склона. В отличие от работ предшественников, изучение природных газов в настоящей работе проводилось как водах, так и в морских донных отложениях.
В основу диссертации положены данные исследований полученные автором в экспедициях на о. Сахалин с 2008 года. Автор участвовал в отборе газогеохимических проб,
извлечении газа методом вакуумной дегазации, анализе проб на хроматографах, интерпретации полученных данных.
14VE 144-Е 147-Е
Рис. 1. Карта-схема фактического материала и районы работ Все измерения гелия и водорода в донных осадках и воде в период 2013-2015 гг. выполнены автором. При интерпретации газогеохимической информации были обобщены результаты исследований, проведённые специалистами лаборатории газогеохимии: Обжировым А.И., Шакировым Р.Б, Верещагиной О.Ф., Мальцевой Е.В., Югай И.Г., Гресовым А.И. и др. Определение фоновых концентраций для районов работ выполнено с применением методов, регламентированных действующими нормативными указаниями установления фоновых концентраций веществ (газов) (Смирнов, Большев, 1983; Дэвис, 1990).
Цель и задачи исследования. Цель исследования - выявление закономерностей распределения газогеохимических полей на о. Сахалин и прилегающем шельфе и склоне, а так же определение возможных источников углеводородных и других газов в данном регионе и их геологическая интерпретация. Задачи исследования:
-
Определение концентраций углеводородных газов, углекислого газа, водорода и гелия в свободных газопроявлениях, воде различных гидрогеологических горизонтов о. Сахалин и придонной среде шельфовой области.
-
Выявление фоновых и аномальных газогеохимических полей в водной толще западной части Охотского моря.
-
Геологическая интерпретация газогеохимических полей.
4. Определение источников аномальных газогеохимических полей на о. Сахалин,
прилегающем шельфе и склоне с использованием параметров (состав газовых
компонентов, концентрация водорода и гелия, характеристика изотопного состава углерода метана).
5. Оценка взаимосвязи газогеохимических компонентов с геологическим строением с целью прогноза залежей углеводородов, газогидратов.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использованы следующие методы: 1. Газогеохимический. Метод является сочетанием оригинальных методических приемов натурных, лабораторных и теоретических исследований лаборатории газогеохимии ТОЙ ДВО РАН. В основе газогеохимического метода лежит технология представительного отбора газовых проб из различных сред, газохроматографический анализ и применение комплекса критериев анализа фонового и аномального газогеохимических полей. 2. Геоструктурный. Анализ геологических факторов, влияющих на распределение газогеохимических полей. 3. Геоэкологический. Сравнительная оценка характера распределения углеродсодержащих газов из источников различного генезиса в районах исследования. Газогеохимическое районирование.
Научная новизна. Автором в составе лаборатории газогеохимии были проведены газогеохимические исследования различных площадей и геологических объектов о. Сахалин, юго-западного и юго-восточного прилегающего шельфа и склона. В результате полученные данные были обобщены на основе имеющейся геологической информации, учитьшая материалы предшественников, вьшолнена геологическая интерпретация газогеохимических полей и сделаны выводы об основных закономерностях их распределения на о. Сахалин и прилегающих акваториях.
Несмотря на хорошую изученность охотоморского региона целый ряд важнейших научных вопросов, имеющих непосредственное практическое значение, до сих пор остается слабоизученным или недостаточно разработанным. В частности к ним относятся условия формирования и распределения газогеохимических полей, оценка наиболее важных геологических факторов, способствующих этим процессам, а так же определение источников поступления газа. Все эти вопросы рассмотрены в настоящей работе. Автором впервые проведено районирование о. Сахалин и прилегающего юго-западного и юго-восточного шельфа и склона по газогеохимическим критериям (химический и изотопный состав газов), дана характеристика источников поступления газа по изотопным данным, а так же выявлены особенности распределения гелия и водорода в донных отложениях и морской воде прилегающих акваторий.
Впервые измерены концентрации гелия и водорода в осадке юго-западного и юго-восточного шельфа и склона о. Сахалин с применением метода газовой хроматографии (портативный газовый хроматограф «Газохром-2000»).
Основные положения, выносимые на защиту.
1. На острове Сахалин выделены две основные газогеохимические зоны: Метановая
(нефтегазоносная, северо-восточная) и Углекисло-Метановая (преимущественно
углегазоносная, юго-западная). Их формирование обусловлено разницей в тектоническом
строении и в источниках углеводородов (нефтяные и углегазовые). Выявленные
закономерности позволяют проводить газогеохимическое районирование.
2. На о. Сахалин в южном направлении идет утяжеление изотопного состава
углерода метана, выявлена тенденция к увеличению концентраций его гомологов и
углекислого газа, что определяется особенностями геологического развития и тектоническим строением.
3. Аномалии гелия и водорода в гидратоносных осадках присахалинского склона контролируются разломами и обусловлены вертикальной миграцией газа вдоль бортов тектонических прогибов, с признаками термогенных и глубинных флюидов.
Степень достоверности результатов. В основу диссертации положены данные исследований полученные автором в экспедициях на о. Сахалин, а также в Охотском и Японском морях начиная с 2008 года. При участии автора на акватории было вьшолнено 60 литологических станций и 44 станции СТО. На содержание гелия и водорода лично автором проанализировано более 900 проб морской воды и свободного газа и 1000 проб донных осадков. При геологической интерпретации газогеохимической информации также были исследованы и сопоставлены результаты исследований лаборатории газогеохимии ТОИДВОРАНс1991г.
Степень достоверности результатов работы подтверждается значительным объёмом исследований и сходимостью фактических материалов определения концентраций газов и изотопного состава по разным районам и с данными предшественников.
Достоверность газоаналитических работ определяется современным уровнем применявшегося хроматографического оборудования, методами отбора и дегазации проб, методиками обработки как результатов исследований, так и используемых стандартов, констант и алгоритмов расчёта. Методики газогеохимических исследований закреплены в Паспорте лаборатории газогеохимии ПС 1.021-12, утвержденном Свидетельством Росстандарта №49, в патентах и публикациях сотрудников лаборатории газогеохимии ТОЙ ДВО РАН и отчетах по морским экспедициям и НИР.
Материалы диссертационной работы изложены в 5 статьях рецензируемых журналах перечня ВАК и 1 научно-исследовательском отчете в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.
Теоретическая и практическая значимость исследования. Создана база газогеохимических и изотопно-газогеохимических данных о. Сахалин и прилегающего шельфа и склона, которая может быть использована для решения ряда геологических и других теоретических и практических задач в связи с возможностью быстрого анализа как картографических, так и табличных данных.
Проведенные исследования позволяют выделить районы с наиболее высокими концентрациями гелия, водорода, метана и его гомологов и других природных свободных и растворенных газов, как перспективные для поисков нефти и газа.
Были выделены районы основных источников природных газов, поступающих из недр в атмосферу и поверхностные воды, определен их газовый состав.
Полученные данные газогеохимических исследований могут использоваться для оценки степени газоопасности территорий о. Сахалин. Эти исследования обретают особую значимость, так как основные населенные пункты расположены вблизи геологических объектов острова (грязевые вулканы, минеральные воды, гидротермальные источники и т.д.).
Полученный газогеохимический материал является основой для составления карт фоновых и аномальных газогеохимических полей и зон нарушения естественного
газогеохимического фона под воздействием природных и антропогенных факторов по данным измерения углеводородных газов, углекислого газа, гелия и водорода.
Практическая значимость изучения потока глубинных флюидов на шельфе и склоне о. Сахалин связана, в первую очередь, с интенсивной промышленной разработкой. При строительстве буровых станций необходимо учитывать интенсивность потока газов, который определяется тектоническими условиями и сейсмической активностью района.
Проведены измерения гелия и водорода в морских осадках и воде на юго-восточном и юго-западном склоне о. Сахалин. Метод определения гелия и водорода показал свою эффективность и позволил получить важные характеристики газогидратоносных участков и зон разломов Охотского моря.
Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 10 Международных, 2 Всероссийских и 9 региональных конференциях: Пятая Сахалинская молодежная научная школа «Природные катастрофы: изучение, мониторинг, прогноз» (Южно-Сахалинск, 2010); Конференция, приуроченная к празднованию 65-летия Института морской геологии и геофизики ДВО РАН (Южно-Сахалинск, 2011); Научная конференция «Вологдинские чтения» (Владивосток, 2011); First International Youth Conference «Oil&Gas. APR-2012 (Vladivostok, 2012); Конференция молодых ученых «Современные проблемы геологии, геохимии и геоэкологии Дальнего Востока России (Владивосток, 2012); Молодежный научный симпозиум «Современные научные исследования на Дальнем Востоке» (Южно-Сахалинск, 2012); XI Молодежная научная конференция с элементами научной школы «Географические и геоэкологические исследования на Дальнем Востоке» (Владивосток, 2012); 2-ой Русско-Китайский симпозиум по морским наукам «Marine Environmental and Resourcesin 21st Century» (Владивосток, 2012); Всероссийская конференция VIII Косыгинские чтения «Тектоника, глубинное строение и минерагения востока Азии» (Хабаровск, 2013); VI конференция молодых ученых «Океанологические исследования» (Владивосток, 2013); Научная конференция «Океанография залива Петра Великого и прилегающей части Японского моря» (Владивосток, 2013); The second national scientific conference on marine geology Hanoi-HaLong (Hanoi, 2013); WESTPAC Intemational Scientific Symposium (NhaTrang, Vietnam, 2014); IV Международная научная конференция «Нефть и газ - АТР 2015» (Владивосток, ДВФУ, 2015).
Публикации результатов исследования. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 28 статьях и докладах, среди которых 5 публикаций в рецензируемых изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК. Доклады были доложены и получили одобрение на 22 международных, всероссийских и межвузовских научно-практических конференциях.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, включающих обзор литературы и собственные исследования, заключение, а также список терминов и список литературы. Работа изложена на 140 страницах, иллюстрирована 33 рисунками и 12 таблицами. Список литературы включает 123 источника.
Изученность газогеохимических полей на о. Сахалин и его шельфе
В настоящее время Охотское море является хорошо изученным в геологическом отношении регионом. Здесь за минувший век российскими геологами и геофизиками была проделана огромная работа по решению научно-исследовательских и практических задач. Основной вклад принадлежит научным и производственным организациям Министерств геологии, нефтяной и газовой промышленности СССР (ОАО «Роснефть-Сахалинморнефтегаз», «Сахалингеофизразведка», ГП «Востокгеология», ОАО «Дальморнефтегеофизика» и др.) и научно-исследовательским институтам Российской Академии Наук: ИМГиГ ДВО РАН, НО РАН, ТОН ДВО РАН и др. Накопленный геолого-геофизический материал обобщен и опубликован в обширной литературе по вопросам геотектоники, геодинамики, морской геологии, геологии нефти и газа и геохимии Охотского моря.
Исследованиям в области геохимических методов поисков нефти и газа посвящены работы В.А. Соколова, П.Л. Антонова, О.В. Барташевич, Л.М. Зорькина, С.Л. Зубайраева, В.П. Исаева, А.А. Карцева, Г.А. Могилевкого, А.В. Петухова, Е.В. Стадника, И.С. Старобинца и др. Однако целый ряд важнейших научных вопросов, имеющих непосредственное практическое значение, до сих пор остается слабоизученным или недостаточно разработанным. В частности к ним относится условия формирования, распределения нормальных и аномальных газогеохимических полей, оценка наиболее важных геологических факторов, способствующих этим процессам, а так же определение источников поступления газа в Охотоморском регионе. Все эти вопросы рассмотрены в настоящей работе. В отличие от других работ автором впервые проведено районирование о. Сахалин и прилегающего шельфа по газогеохимическим признакам, дана характеристика источников поступления газа по изотопным данным, а так же выявлены особенности распределения гелия и водорода в донных отложениях и морской воде прилегающих акваторий.
В настоящее время накоплен большой фактический материал по особенностям распределения газовых, гидрохимических, геохимических параметров над залежами углеводородов. В нашей стране методы прямых геохимических поисков нефти и газа начали развиваться с 1929 г. Под руководством В.А. Соколова (1971) впервые провели газовую съемку для определения микроконцентраций углеводородных газов в подпочвенных отложениях, накапливающихся над залежами нефти и газа за счет субвертикальной миграции углеводородов. В 1993 г. М.А. Абрамович предложил газовый каротаж, в 1934 г. Г.А. Могилевский начал разработку газокерновой съемки, в 1937 г. - микробиологической, основанной на определении микроорганизмов, окисляющих углеводороды [Обжиров А.И. и др., 1999].
До 70-х годов знание о распределении метана в морской среде сильно отставало по отношению к изученности других газов. Изучением газов в морской среде занимались известные отечественные исследователи А.П. Виноградов (1967), В.А. Соколов (1971), А.П. Лисицын (1961) и многие другие. К началу 80-х годов было накоплено достаточно данных, позволяющих обобщить особенности распределения метана в морских и океанических водах.
Параллельно исследованиям, проводимым в нашей стране, большое внимание изучению газогеохимических полей уделялось за рубежом. В своей работе Boden (1982) описал способы поисков, основанные на использовании индикаторов - минеральных новообразований, хлоридов, карбонатов, бикарбонатов, сульфидов, сульфатов, галогенидов и др. Е. Дермот и другие исследователи обратили внимание на возможность использования в качестве индикаторов при поисках залежей нефти и газа наличия аномальных концентраций железа, кальция, меди, никеля, ванадия, бария, марганца в породах, перекрывающих их. С. Пирсон провел лабораторные исследования по выяснению физико-химического влияния углеводородов на вмещающие и перекрывающие породы.
Изотопными исследованиями газа занимались Э.М. Галимов, С.Д. Гемп, Б.М. Валяев, И.А. Лагунова, Э.М. Прасолов, Ершов В.В., Шакиров Р.Б. и др.
Для повышения достоверности интерпретации газогеохимических аномалий большое значение придается изотопным исследованиям газа, в первую очередь углерода [Галимов, Ко дина, 1982 и др.]. При наличии большей доли изотопа С12 предполагается биохимическое (микробиальное) происхождение метана. Для этих же целей используются соотношения различных газов. Так, при малой величине отношения С1/С2+3, не превышающей 100-1000, газы, как правило, имеют термогенное, связанное с нефтяными и газовыми залежами происхождение. Некоторые исследователи большое значение придают величине отношения этана к этилену, нормального бутана к его изомеру, изотопному соотношению гелия и др. [Обжиров А.И. др., 1999].
Начало изучения газогеохимических полей углеводородных газов Охотского моря непосредственно связано с практической целью: поисками нефтегазовых месторождений. Поэтому основное внимание исследователей было направлено на районы, которые по геолого-геофизическим данным были выделены как перспективные на нефть и газ (например, шельф о. Сахалин). Отечественные газогеохимические исследования на акватории Охотского моря были начаты под руководством А.А Геодекяна, зав. лабораторией нефтегазоносности акваторий Института Океанологии им. П.П. Ширшова РАН [Геодекян и др. 1976; Геодекян, 1974].
Экспедициями на НИС «Витязь» (1972 г.) и «Дмитрий Менделеев» (1974 г.) были проведены первые региональные газогеохимические съемки на акватории Охотского моря. Объектом для изучения были выбраны придонная вода и верхний слой осадков [Геодекян и др., 1976]. На некоторых участках шельфа о. Сахалин сотрудниками ВНИИЯГ был исследован состав газов донных осадков. По результатам этих исследований ими был сделан вывод о наличии в газовой составляющей преимущественно метана, мигрирующего по разрывным нарушениям. Эти и другие закономерности распределения углеводородных газогеохимических полей послужили основой для разработки газогеохимического метода поиска месторождений нефти и газа [Обжиров, 1993]. Углеводороды в толще вод, в том числе нефтяные, в настоящее время изучаются также как факторы, влияющие на экосистемы Охотского моря [Немировская и др., 1997].
Систематические исследования газогеохимических полей на акватории Охотского моря были продолжены под руководством д.г.-м.н. А.И. Обжирова (лаб. газогеохимии, ТОП ДВО РАН) с 1984 г. по 1996 г. [Обжиров, Советникова, 1992]. Начало газогеохимических исследований было обусловлено необходимостью разработки дополнительных методов для выделения первоочередных поисковых объектов на нефть и газ. Методы морских газогеохимических исследований в это время активно разрабатывались в ряде научно-исследовательских организаций [Jackett, 1977; Авилов, 1985]. Одним из таких методов стала методика газогеохимических исследований, разработанная в ТОН ДВО РАН применительно к Дальневосточным морям [Обжиров, 1993].
Изотопно-газогеохимические критерии генезиса углеводородных газов
Все газовые геохимические поля делятся на два типа: фоновые и аномальные. Значения фоновых геохимических полей в пределах углеводородных осадочных бассейнов является важной целью при поисках углеводородных залежей.
Известно, что Охотское море является одним из самых активных в северных широтах районом подводной разгрузки метана [Авдейко и др., 1984; Демина и др., 1989; Обжиров, 1993; Аникиев, Обжиров, 1993; Гинсбург, Соловьев, 1994]. Обнаруженные здесь высокие концентрации этого газа сигнализируют о наличии его аномальных полей, характер распределения и изменчивость которых в толще вод данного бассейна до сих пор остается мало исследованной.
Закономерности формирования фоновых и аномальных углеводородных газогеохимических полей хорошо изучены для условий суши. Знание этих закономерностей позволили разработать эффективные методы определения фоновых и аномальных полей концентраций газообразных углеводородных соединений, которые широко используются для прогнозирования и поисков залежей углеводородных полезных ископаемых [Соколов, 1971; Старобинец и др., 1993].
Знание условий распределения газогеохимических полей в воде и донных осадках морей позволяет использовать их как индикаторы для прогноза нефтегазовых залежей, для картирования зон разломов и оценки их геологической активности, для оценки влияния газогеохимических полей на окружающую среду.
Геохимические методы поисков месторождений нефти и газа на акваториях основаны на исследовании субвертикальной миграции углеводородов, в основном газообразных, их скоплений в осадках, водной толщи, а также и частичного рассеивания в последней [Старобинец и др., 1993].
Газогеохимические исследования были проведены на восточном Присахалинском шельфе, Татарском проливе, Примагаданском и Приохотском шельфах, на шельфе западной Камчатки, в участках обнаружения газогидратов (северо-восточном склоне о. Сахалин и западнее о. Парамушир).
Ниже приведены основные особенности распределения газов, выявленные предшественниками в придонном слое этих районов. Необходимо отметить, что предшественниками в качестве максимальной фоновой концентрации метана в придонном слое воды принято значение, не превышающее 90 нл/л в придонных водах (после 1987-1989 гг.), как поисковый критерий на нефть и газ. Концентрации метана, превышающие эти значения, авторами отнесены к аномальным [Обжиров, 1993; Обжиров и др., 1999].
Северо-восточный шельф о. Сахалин
Здесь, на Одоптинском и Чайвинском нефтегазовых месторождениях прошел проверку и эталонирование газогеохимический метод [Обжиров, 1993]. Наибольшая концентрация метана в придонной воде (10900 нл/л), превышающая фон на два порядка, была обнаружена на Лунской площади. Эта аномалия объясняется высокой тектонической нарушенностью структуры и газовым составом залежи. В районах открытых месторождений нефти и газа — Одоптинском, Пильтун-Астохском и других в придонной воде установлены высокие аномальные концентрации метана (2000-3000 нл/л). По данным предшественников [Обжиров, 1993], эти концентрации превышают фон на 2 порядка.
В газе, отобранном из осадка, газообразные гомологи метана, водород, гелий не обнаружены. Количество углекислого газа возрастает с увеличением глубины пропорционально увеличению метана. Количество углекислого газа, азота, кислорода возрастает в направлении к шельфу: углекислого газа от 0.07 до 0.01 мл/л, азота от 13.94 до 15.72 мл/л и кислорода от 3.1 до 6.5 мл/л [Обжиров А.И. и др., 1999].
Татарский пролив
В придонной воде Александровской структуры отмечено равномерное поле повышенных концентраций метана от 90 до ПО нл/л. Величина фона определена в значениях 70-80 нл/л. Здесь, по равномерно распределенным и превышающим фон концентрациям метана, был сделан отрицательный прогноз на поиски нефтегазовых залежей [Обжиров, 1993]. Прогноз подтвердился нефтегазопоисковым бурением скв. Александровская-1 (до 3000 м) — осадочные отложения были достаточно насыщены углеводородными газами, но не содержали залежь из-за отсутствия мощных глинистых покрышек. В районе Александровской структуры были обнаружены аномальные поля метана в придонной воде присахалинской зоны. Как выяснилось, причинами аномалий метана в этом районе стали островные водотоки, которые содержали аномальные концентрации метана до 1000 нл/л [Обжиров, 1993]. Источниками метана в водах ручьев оказались размываемые угленосные отложения и пласты угля. В зоне смешения речных и морских вод концентрации метана составили до 130 нл/л. Для сравнения был исследован метан в водотоках западного берега Татарского пролива, где в настоящее время размываются вулканогенные толщи. Концентрации метана составили здесь минимальные значения — 20 нл/л.
Детальные газогеохимические исследования метана в Татарском проливе были проведены в пределах Гавриловской, Надеждинской и Изыльметьевской (средняя часть западного Присахалинского шельфа) структур. Результаты показали, что основная изменчивость газов в придонной воде наблюдалась по метану. Количество СОг составило 0.1 мл/л, N2 12 мл/л, тяжелые углеводородные газы 3 нл/л. Методом газовой хроматографии водород и гелий здесь определены не были.
Приохотский шелъф
Газогеохимические исследования на Приоохотском шельфе проведены в 1988 г. Глубины в районе исследований не превышали 130-135 м. Наибольшее содержание метан (170 нл/л) было обнаружено в придонном слое северовосточной части Билибинской антиклинальной зоны. Содержание СзЩ и СгНб здесь не превышало 3 нл/л, Ог - 5.8 мл/л, N2 - 15.3 мл/л. Нг, Не не были определены.
Примагаданский шелъф
Исследования газогеохимических полей проведены здесь в 1988 и 1989 гг. Результаты работ на станциях, выполненных в районе скважин Магаданская 1 и Магаданская 2, выявили невысокие концентрации метана в придонной воде (70-110 нл/л). Были также определены этан и этилен, концентрации которых не превышали 5 нл/л. Содержание СОг составило 1.5-2.1 мл/л, ( - 4.6-5.3 мл/л, N2 - 10.4 мл/л. В целом для этого района характерно практически на уровне фона распределение метана в придонной воде и лишь на отдельных участках (Хмитьевская антиклинальная зона, восточный борт Охотского прогиба) зафиксированы аномальные значения (170-200 нл/л).
Прикамчатский шелъф
Исследователями [Обжиров и др., 1999] обнаружена четкая дифференциация газогеохимических полей вдоль побережья Камчатки. Здесь, в пределах северо-восточной части Голыгинского прогиба, обнаружена в 1988 г. и подтверждена в 1989 г. аномалия метана в придонной воде, достигающая значения 230 нл/л. В пределах района отмечено повышенное содержание ССЬ -2.6 мл/л. Был также обнаружен СзН - 3 нл/л. Мощность осадочной толщи в прогибе достигает 6000 м, что характеризует район как перспективный для поисков нефти и газа.
Присахалшский центральный и южный шельфы На Лунской структуре газогеохимические исследования проводились в 1988-1989 гг. Структура представляет собой крупную брахиантиклинальную складку, разбитую на тектонические блоки серией субширотных сбросов. В придонной воде над Лунской структурой встречены очень высокие содержания метана. В центральной части структуры аномалия по метану достигла 10900 нл/л. Высокими являются аномалии метана и на крыльях структуры - 2600-2800 нл/л. Были отмечены повышенные содержания этана -10 нл/л, изобутана, нормального бутана - 5 нл/л (пропан не определен). Кислорода содержалось 4.6 мл/л, азота - 12.4 мл/л, углекислого газа - 0.8 мл/л.
Высокие аномалии метана в придонной воде на Лунской площади связаны с сильной нарушенностью структуры, большой мощностью продуктивной толщи (500 м), преимущественно газовой залежью, средней глубиной ее залегания (1700 м). С увеличением содержания метана в придонной воде в газовой составляющей повышается количество тяжелых углеводородных газов.
Отбор проб
Отбор донных осадков проводился с помощью гидростатического пробоотборника диаметром 138 мм и длиной 575 см. Внутрь него закладывались двухсекционные (распиленные вдоль на две части и плотно зафиксированные) пластиковые трубы меньшего диаметра (125 мм) для быстрого извлечения осадков из пробоотборника. После его поднятия на борт судна, пластиковая труба с осадком переносилась в лабораторию, где колонка разрезалась на две части для дальнейшей обработки по стандартной схеме -фотографирование, описание осадка и отбор на различные виды анализов.
Осадок отбирался шприцами объемом 10 мл с обрезанными носиками в склянки 68 мл, заполненные насыщенным раствором NaCl с добавлением консерванта (0.5 мл хлоргексидина биглюконата 0.05%).
При измерениях метана, тяжелых углеводородов, углекислого газа и азота в качестве газовой фазы применялся гелий, который напускался в склянки с помощью газового мешка "Tedlar Bag Dual Valve" (USA) с двумя клапанами. Через один клапан мешка, снабженный иглой, производился напуск гелия во время вытягивания 12 мл водного раствора шприцем через другой клапан. Пробы интенсивно встряхивались не менее 4-х часов на перемешивающем устройстве LS ПО (Россия), затем газ вводился в хроматограф.
Определение гелия и водорода из донных осадков проводилось методом равновесных концентраций [Wiesenburg, Guinasso, 1979; Обжиров, 1993]. При измерениях гелия и водорода в качестве газовой фазы применялся атмосферный воздух. После установления равновесия жидкой и газообразной фаз шприцем отбиралась проба газа (2 мл) на хроматографический анализ. Рассматриваемые газы легко летучие, поэтому анализ образцов проводился в течение 1 часа после отбора, пробы для анализа в береговых условиях были фиксированы хлоргексидином и хранились при температуре +4С в темноте.
При отборе проб спонтанного газа из грязевых вулканов источник герметично закрывался специальной воронкой с газоотводной трубкой. После этого ручным ваккумным насосом из системы откачивался воздух, и выдерживалось свободное барботирование газа через насыщенный раствор NaCl в течение 20 минут. Затем проба газа объемом 10 мл без контакта с атмосферой переводилась в стеклянную пробирку с солевым раствором. Максимальный срок хранения проб до анализа в стационарных условиях составил 72 часа (Дагинское геотермальное поле). Пробы спонтанного газа из разных мест Южно-Сахалинского грязевого вулкана отобраны в один день в течение 5 часов за 48 часов до начала анализа.
Одним из наиболее перспективных и широко используемых методов для количественного и качественного анализа состава углеводородных газов в наше время является метод газовой хроматографии [Cynar, Yayanos, 1992; Lammers, Suess, 1995]. Проба вводилась в кран-дозатор хроматографа с помощью шприца. Для хроматографического анализа газового состава использовался хроматограф «Кристалл-Люкс 4000М», снабженный пламенно-ионизационным детектором и двумя детекторами по теплопроводности и двумя металлическими набивными колонками (сорбенты HayeSep D и NaX). Газ-носитель - гелий. С учетом ошибок пробоотбора максимальная погрешность измерений составляет не более 10%.
Для измерения гелия и водорода в морских осадках и воде нами применена газовая хроматография - универсальный метод разделения смесей разнообразных веществ, испаряющихся без разложения. Компоненты разделяемой смеси перемещаются по хроматографической колонке с потоком газа носителя (в нашем случае аргон). Метод газовой хроматографии основан на высокой чувствительности детектора теплопроводности (ДТП) к гелию и водороду [Царев и др., 2000]. При анализе использовался портативный газовый хроматограф «Хроматэк-Газохром 2000» (ОАО «Хроматек», г. Йошкар-Ола), а также вакуумная дегазационная установка [Обжиров, 1993]. Газ-носитель - аргон. Детектор по теплопроводности повышенной чувствительности - 1 ррт по гелию и водороду. Длительность анализа - 5 минут (рис. 5). Определение гелия и водорода из донных осадков проводилось методом равновесных концентраций [Wiesenburg, Guinasso, 1979; Обжиров, 1993]. Интервал опробования в среднем составлял 40 см. Затем склянка заполнялась солевым раствором доверху, закрывалась резиновой пробкой с использованием иголки, для удаления оставшегося воздуха. Шприцем из закрытой склянки отбиралось 12 мл солевого раствора с одновременным заполнением этого объема атмосферным воздухом. После установления равновесия жидкой и газообразной фаз шприцем отбиралась проба газа (5 мл) на хроматографический анализ. Ошибка определения гелия составила 0.05 ррт, водорода - 0.03 ррт.
Температура осадков измерялась прибором TESTO 435 (Германия). Погрешность измерения прибора составляет ±0.4С. Измеренная температура отложений варьировала от 0 до +4С, при этом в осадках с газогидратами она менялась от 0 до +1 С, отложения без газогидратов были теплее на +2-4 С.
При определении гелия и водорода в морской воде из проб воды газ извлекался методом вакуумной дегазации на борту судна [Обжиров, 1993]. Отметим, что технология вакуумной дегазации в герметичной стеклянной системе позволяет сократить время подготовки проб для хроматографического анализа. Стабильные условия дегазации обеспечивают высокое качество подготовки проб газа, что является необходимым условием для выполнения качественного и количественного хроматографического анализа.
Были детально изучены различные геохимические материалы [Ходькова и др., 1970; Лагунова и др., 1978; Шнюков и др., 1986], в том числе изотопные данные - по углероду метана и углекислоты [Гемп и др., 1970; Лаврушин и др, 1996; Валяев и др., 1985].
При определении фоновых концентраций газов в донных отложениях применялись методы, регламентированные действующими нормативными указаниями установления фоновых концентраций веществ (газов) и имеющиеся методические вероятностно-статистические опубликованные источники [Смирнов, Болыпев, 1983; Дэвис, 1990]. Согласно данным документам: «Фоновая концентрация устанавливается либо единым значением (региональный фоновый показатель), либо, в случае выявления существенной изменчивости, дифференцировано по территории региона (локальные фоновые показатели)». Данные методы были успешно применены при региональных газогеохимических съемках 2006-2009 гг. в рамках государственных проектов по изучению глубинного строения Охотского моря совместно с ФГУНПП «СЕВМОРГЕО».
Фоновые и аномальные газогеохимические поля западной части Охотского моря
Этан присутствует как в растворенных газах в воде (0.004 мл/л), так и в свободном газе пузырей - 0.009%. Пропана и бутана в растворенном газе практические нет, а в свободном газе их количество достигает 0.00015 мл/л. Это так же высокие концентрации этих газов и они практически отсутствуют в фоновых районах.
Концентрации ССЬ достаточно высокие в газе, растворенном в воде (около 1 мл/л), и на порядок меньше в свободном газе (0.1-0.2 мл/л). Это говорит об отсутствии влияния на поток газов интрузивных комплексов и отсутствии подтока ССЬ из мантии. В воде его количество увеличивается, возможно, за счет микробного окисления метана и выделения углекислоты в процессе деятельности метан-окисляющих микробов. Концентрация гелия в пробах газа в воде и пузырях близка к его концентрации в воздухе (0.0005%). Содержание водорода в свободном газе превышает его фоновое количество на 2 порядка (0.0135-0.0143%).
Исходя из полученных данных, можно с высокой степенью достоверности установить, что газ на устье скважины поступает из нефтегазоносной структуры. Кроме того, наличие аномалии водорода в газе говорит о том, что в районе скважины проходит тектонически активный разлом. Разлом или разгерметизировал скважину и из нее поступает метан и другие газы, или поток газа мигрирует в воду и из воды к поверхности по зоне разлома с оперяющими трещинами. Можно отметить, что разлом не имеет глубокого заложения, так как подтока гелия и углекислого газа почти нет.
В 2014 году мониторинг газогеохимической обстановки в районе Киринского газоконденсатного месторождения был продолжен. Анализ проб воды на содержание углеводородных газов групп С1-С5 в придонном горизонте обследованных скважин показал (табл. 7): - сохраняется тенденция к увеличению концентрации водорастворённого метана в придонных водах, при этом углеводородные газы в воде представлены только метаном, в пробах не обнаружены его тяжёлые гомологи С2-С5 или их содержание ниже предела обнаружения прибора; - максимальная аномально высокая концентрация 0 зафиксирована возле устья эксплуатационной скважины Р4 - 182 977 нл/л, а минимальное содержание метана - 1944 нл/л наблюдается в районе устья скважины № 3 (ниже значений 2013 года); - фоновые пробы могут считаться условно фоновыми, так как, видимо, находятся в пределах регионального района насыщения придонных вод метаном.
Компонентный состав углеводородных газов С1-С5 свободных газопроявлений представлен почти всем гомологическим рядом от метана до пентана включительно, непредельными углеводородами и изосоединениями (табл. 8). Все газовые пробы представлены метановыми газами с примесью углеводородных газов, N2, СОг, Ог, СО, Н2, Не. Таблица 8 Результаты лабораторного анализа проб газа с устья скважин на компонентный газовый состав
Проведенные исследования позволяют предположить, что основным источником обнаруженных газопроявлений, скорее всего, являются процессы современного биохимического разложения органического вещества, активно протекающие в верхнем слое донных отложений. Обнаруженные тяжёлые углеводородные газы, могут быть следами глубинного потока или флюида, мигрирующего по разломным нарушениям и образующего полигенезисный состав газа у поверхности. Небольшое содержание в пробах Не (0.0003— 0.0007%) и Нг (0.0001-0.0004%) также подтверждает данные выводы.
В 2014 году в скважинах Киринского газоконденсатного месторождения был определен изотопный состав метана и углекислого газа 513С-СН4 от -76 до -72%о и 513С- СО2 от -71 до -66%о, что указывает на микробный генезис газа в данных скважинах. Это подтверждает вывод о том, процессы современного биохимического разложения органического вещества являются источником газов.
По имеющимся литературным данным [Кудрявцева, Лобков, 1984] концентрации метана на газоконденсатных месторождениях Астрахановское и Узловое составляют 93.87% и 92.45% соответственно. Сумма тяжелых углеводородов в среднем составила 5%. Изотопный состав углерода метана практически одинаков и отличается лишь десятыми процента (Астрахановское 513С-СН4 -32.4%о; Узловое 513С- СЩ -32.6%о). Приведенный изотопный состав характерен для большинства нефтяных месторождений и указывает на метаморфогенное происхождение метана.
Химический состав газа сахалинских геотермальных систем рассмотрен на примере Дагинского и Лунского месторождений термальных вод.
Дагинские термальные воды расположены в 8 км южнее устья реки Даги, впадающей в Дагинский залив у северо-восточного побережья Охотского моря, в 150 км к югу от горы Оха. В пределах газогидротермального поля действуют около десяти газовых источников, которые используются в лечебно-профилактических целях (грязелечебница «Даги»). Поступление из недр на поверхность горячих вод и метана связано с предполагаемой зоной разрывов. В работе [Мельников, Ильев, 1989] указывается на наличие на небольшой глубине глинистой высокопластичной толщи или формации, возможно неогненового возраста, и контролирующего разлома. Термоминеральные воды принадлежат к типу слабощелочных (рН=7.4-7.5), хлоридно-гидрокарбонатных натриевых вод. Общая минерализация 2-2.5 г/л. Температура воды 30-40 С [Жарков, 2008].
Уникальный объект - Дагинское газогидротермальное поле расположено на самой кромке берега по соседству с газовым месторождением (рис.8). Водой газогидротермы накрываются только в приливы, вызванные новолунием. Все остальное время они представляют из себя открытые газирующие метаном жерла (около 100 выходов на 100 м2 в наиболее активной части). Содержание метана в среднем составляет здесь 93%, а углекислого газа 0.12%. Участок месторождения контролируется Восточно-Сахалинской системой разломов.
В приземной атмосфере на высоте 1.5 м над дневной поверхностью в районе Дагинского месторождения содержание метана составляет до 1054 ррт, что превышает атмосферный фон в 1000 раз. Вклад Дагинской геотермальной системы в глобальный бюджет метана в атмосфере - 0.1 млн. т/год. Это составляет 1.8% метана в атмосферу от вклада общемировых прибрежных и шельфовых грязевых вулканов, что позволяет выделить Дагинскую геотермальную систему в качестве крупного поставщика СНд в атмосферу. Дебит термальной воды с температурами до +60С - свыше 50 л/сут. [Жарков, 2008].
Для Дагинского геотермального месторождения основным компонентом спонтанного газа является метана микробиального происхождения с примесью термогенной компоненты с изотопным составом 513С от -54 до -57%о (30 анализов). В 2005 г. был проведен следующий эксперимент. Был выполнен изотопный анализ проб газа пузырей 513С-СН4 = -54%о, термальной воды 513С-СН4 = -54.1%о, морской воды накрывающих термы - в стороне 513С-СН4 -54.5%о и над самими термами в зоне смешения 513С-СН4 = -53.4%о. То есть масс-спектрометрический анализ показал практически один и тот же результат изотопных отношений углерода во всех этих ситуациях. Данное наблюдение позволяет сделать несколько крайне важных выводов для понимания единства процессов газообразования в районе северо-восточного Сахалина и северовосточного нефтегазоносного островного шельфа. Факт, что пришедшая с приливом морская вода в зоне единый генезис метана, насыщающего дагинские термы и шельфовые воды (концентрации до 10000 нл/л). По приведенным соотношениям он ближе всего к Айской площади и попадает в ряд нефтегазовых месторождений северного Сахалина. Это указывает, согласно любым классификациям, на преобладание термогенной компоненты в составе природного газа нефтегазоносных площадей Сахалина и ближайшей акватории. Необходимо отметить также схожесть химического состава газов Дагинских термальных вод и Лунского месторождения нефти и газа - наличие метана в качестве основного компонента свободных газов (до 94 %), так называемый «сухой» газ при сумме других углеводородных газов менее одного процента. Генезис такого газа происходит в результате анаэробного разложения органического вещества на глубинах не менее 2 км.