Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор распространения газогидратов на планете 16
1.1. Районы распространения газогидратов в пределах суши 16
1.2. Районы распространения газогидратов в морях и океанах 19
1.2.1. Признаки гидратоносности осадочной толщи в пределах Мирового океана 20
1.2.2. Перспективы гидратоносности в пределах Мирового океана 24
1.3. Условия образования и разрушения газогидратов 25
1.4. Зона гидратообразования 27
ГЛАВА 2. Фактический материал и методы исследований 32
2.1. Фактический материал 32
2.2. Методы исследования 34
2.2.1. Отбор проб 36
2.2.2. Дегазация проб воды 37
2.2.3. Анализ газа 37
ГЛАВА 3. Геологические условия процесса формирования-разрушения газогидратов в охотском море 39
3.1. Геолого-газогеохимические особенности районов распространения газогидратов в Охотском море 39
3.1.1. Припарамуширский район 39
3.1.2. Северо-восточная часть континентального склона о. Сахалин 48
3.2. Геологическая обстановка в районах скопления газогидратов в Охотском море 63
3.3. Геолого-геофизическая характеристика районов и структур, в которых обнаружены газовые гидраты в Охотском море 68
3.3.1. Газогидратоносные структуры «Обжиров» и «Гизелла» 72
3.3.2. Газогидратоносные структуры «Хаос», «Китами», «КОПРИ», «ТОЙ» 73
3.3.3. Газогидратоносные структуры района «Разлом нис Лаврентьев» 73
3.4. Особенности механизма формирования газовых гидратов в Охотском море 75
3.5. Потенциально гидратоносные районы газовых гидратов в Охотском море 78
ГЛАВА 4. Потоки метана, связанные с процессом формирования-разрушения газовых гидратов в охотском море 81
4.1. Влияние процессов сейсмотектонической активности недр Охотоморского региона на формирование-разрушение газовых гидратов и потоки метана в Охотском море 81
4.2. Потоки метана, связанные с процессом формирования-разрушения газогидратов 86
4.2.1 .Фоновые концентрации метана в пределах Охотского моря 86
4.2.2. Аномальные поля метана в пределах Охотского моря и их сопряженность с газовыми гидратами 88
4.3. Поток метана, поступающий с поверхности Охотского моря в атмосферу 99
4.3.1. Транспорт метана сквозь донные отложения, толщу воды и от её поверхности в атмосферу 100
4.3.2. Эмиссия метана с поверхности Охотского моря в атмосферу 102
ГЛАВА 5. Сравнение полей распространения скоплений газовых гидратов в охотском море с таковыми в каспийском и черном морях 104
5.1. Каспийское море 104
5.1.1. Тектоника дна Каспийского моря и сейсмичность региона 104
5.1.2. Нефтегазоносность Каспийского моря 106
5.1.3. Углеводородные газы Каспийского моря 107
5.1.4. Донные отложения 109
5.1.5. Газовые гидраты 110
5.2. Черное море 113
5.2.1. Тектоника дна Черного моря и сейсмичность региона 113
5.2.2. Проявления углеводородов в Черном море 114
5.2.3. Газовые гидраты 116
5.3. Сравнительная характеристика гидратоносных площадей окраинного Охотского моря с таковыми во внутренних Каспийском и Черном морях 119
ГЛАВА 6. Геоэкологические последствия формирования-разрушения газогидратов в охотском море 123
6.1. Изменение и нарушение поверхности морского дна как результат
разложения газовых гидратов в Охотском море 123
6.1.1. Оползневые процессы в пределах Охотского моря 131
6.2. Вклад метана, поступающего с поверхности Охотского моря, в бюджет атмосферы и экологический аспект увеличения содержания метана в воздушной оболочке Земли 136
6.2.1. Проблема озона и метан 138
6.2.2. Парниковый эффект и глобальное потепление климата 139
6.2.3. Вклад метана, поступающего с поверхности Охотского моря, в бюджет атмосферы 139
5 6.3. Влияние потоков метана акватории Охотского моря на окружающие газовые выходы экосистемы 140
6.3.1. Потоки метана, приуроченные к гадратсодержащим осадочным отложениям, и микробная деятельность 141
6.3.2. Влияние выходов метана на биоту Охотского моря 144
Заключение 148
Список литературы
- Признаки гидратоносности осадочной толщи в пределах Мирового океана
- Методы исследования
- Геологическая обстановка в районах скопления газогидратов в Охотском море
- Потоки метана, связанные с процессом формирования-разрушения газогидратов
Введение к работе
Актуальность проблемы изучения газовых гидратов и потоков метана в морских условиях поставила в настоящее время ряд новых сложных задач, требующих безотлагательного решения. Особенно это касается Дальневосточных морей, которые расположены в пределах активной зоны перехода от океана к континенту.
Охотское море является одним из активных районов подводной газовой разгрузки в северном полушарии и наиболее интересным объектом в Дальневосточном регионе по изучению газогидратов метана (Обжиров и др., 2002). В пределах акватории к настоящему времени выявлено два района распространения газогидратов в донных отложениях (западный борт впадины Дерюгина вблизи северного Сахалина и юго-восточный борт Голыгинского прогиба в прибрежье о. Парамушир) и по косвенным признакам предполагается ещё несколько гидратоносных площадей (Матвеева, Соловьев, 2003).
Газогидраты были известны химикам уже в начале XIX в. (Gas Hydrates. Relevance..., 1998). Нефтяная промышленность узнала о существовании газогидратов в 1930-х гг., когда было обнаружено, что их образование является причиной «закупорки» нефтепровода во время транспортировки природного газа (Hammerschmidt, 1934; Gas Hydrates. Relevance..., 1998). В начале 1960-х гг. советские геологи и геохимики А.А. Трофимук, Н.В. Черский, В.Г. Васильев, Ю.Ф. Макогон, Ф.А. Требин, основываясь на теоретических моделях и экспериментальных данных, установили ранее неизвестное свойство природных газов образовывать в земной коре при определенных термобарических условиях (температура - до 295К, давление - до 250 атмосфер) залежи в твердом - газогидратном -
7 состоянии. Можно смело говорить, что это открытие, зарегистрированное в Государственном реестре открытий СССР под № 75 от 25 июля 1961 г. (Газогидраты морей..., 2005), явилось одним из наиболее выдающихся геологических событий XX в. В 1966 г. В.А. Соколов высказал предположение о возможности образования гидратов природных газов в породах дна морей и океанов (Зубова, 1988).
Газогидраты представляют собой образования, состоящие из смеси газа и воды. Основным элементом гидратов является кристаллическая ячейка из молекул воды, внутри которой размещена молекула газа (Бык, Макогон, Фомина, 1980; Kvenvolden, McMenamin, 1980). Достаточно значительные количества природного газа могут находиться в осадочных отложениях в форме газогидратов: одна объемная единица гидратов содержит газ, который способен занимать до 180 объемных единиц при нормальных условиях. В Мировом океане благоприятные термобарические условия для образования и существования скоплений газогидратов существуют, начиная с глубин около 300 - 400 м (Гинсбург, Соловьев, 1994), что в сочетании с огромными площадями распространения осадочных отложений (особенно в пределах континентальных склонов) делает проблему изучения газогидратов в морских условиях особенно актуальной. В настоящее время установлено, что в составе газов, обнаруженных в осадке с различных площадей океанического бассейна, преобладает метан - свыше 90 % общего объема (Зубова, 1988).
В 1970 г. на Мессояхском газовом месторождении в Западной Сибири выявлены миллиарды кубических метров метана, заключенного в форме газогидрата (Kvenvolden, McMenamin, 1980). Присутствие газогидратов в зонах вечной мерзлоты установлено в районе дельты р. Маккензи в Канаде, и на северном склоне Аляски (США). По результатам исследований в 1970-х гг. было признано, что газогидраты встречаются в природе не только в полярных материковых областях, но и на мелководье, а также в осадках
8 глубоководных частей морей и океанов, за пределами континентальных окраин (Claypool, Kaplan, 1974). Согласно целому ряду публикаций, в морских условиях первые образцы газогидратов были получены в результате глубоководного бурения в 1972 г. Советские геологи обнаружили газовые гидраты в Черном море. Основной целью работ тогда в пределах акватории явилось изучение глиняного диапиризма в прогибе Сорокина (Ефремова, Жижченко, 1974). Кстати, в настоящее время учеными отмечено, что наиболее интенсивные локализованные разгрузки углеводородных флюидов контролируются инъекционными структурами типа диапиров, разрывных нарушений и грязевых вулканов (Гинсбург, Соловьев, 1994; Валяев, 2006 и др.). В донных отложениях с ними часто ассоциируют скопления газовых гидратов, а в водной среде «факелы» пузырей метана.
К начальному периоду изучения этих геологических тел в морских условиях относятся самые первые и случайные их находки, а также представления о том, что газогидраты образуются, в основном, из микробного газа. Особых систематических исследований подводных газовых гидратов не проводилось. В 1980 г. Kvenvolden и McMenamin сделали обзор геологической встречаемости природных газовых гидратов (Gas Hydrates. Relevance..., 1998).
В настоящее время в области знаний о газогидратах накоплен достаточно большой объем информации. Однако, несмотря на это, оценка глобальных ресурсов газа в газовых гидратах дается в широком диапозоне от 2 ' 1014 м3 до 7,6 ' 1018 м3 (Соловьев, 2003). Ряд ученых полагает, что для уточнения оценки необходимо учитывать специфику геодинамических и сейсмотектонических процессов, оказывающих влияние на формирование скоплений газогидратов. Поэтому в последнее время выявляется необходимость решения целого ряда вопросов: механизм формирования -разрушения газогидратов в морских условиях, роль гидратов в образовании скоплений углеводородов и потоков природного газа; генезис
9 углеводородных газов, слагающих газогидраты и формирующих аномальные поля в водной среде - с привлечением данных геохимических, изотопно-химических, геологических, геофизических и газогеохимических исследований.
На современном этапе развития науки повышенный интерес к газогидратам связан также с пониманием их значительной роли в глобальных и региональных природных процессах. Качественная и количественная оценка газогидратов (Gas Hydrates. Relevance..., 1998), несмотря на существующий ряд неопределенностей, показывает, что газогидраты метана являются важными объектами экологического, геологического и экономического значения. С экологической точки зрения, газогидраты рассматриваются как возможные «поставщики» огромных объемов метана в окружающую среду, с геологической — как природные образования со специфическими условиями нахождения в осадочной толще, особым механизмов формирования в морских условиях. Экономическое значение газогидратов состоит в том, что они могут являться нетрадиционным источником углеводородного сырья.
Целью настоящей работы явилось выяснение механизма образования -разрушения газогидратов в Охотском море, выявление процессов и источников, отвечающих за формирование мощных очагов подводной разгрузки метана в пределах акватории, а также определение основных геоэкологических аспектов подводной эмиссии природного газа в районе гидратоносных площадей.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: 1. Сбор, анализ и систематизация фактического материала по природным потокам метана и газовым гидратам в Охотском море с привлечением данных по другим районам Мирового океана.
Всестороннее изучение газовых гидратов как геологических образований, способных при определенных условиях нарушения стабильного состояния являться поставщиками в окружающую среду значительных объемов метана, воздействуя тем самым на различные её составляющие.
Изучение распределения во времени и пространстве аномальных полей метана в водной толще и донных осадках Охотского моря.
Определение очагов наиболее мощных потоков метана из донных отложений в водную толщу и выяснение степени их приуроченности к гидратоносным структурам в сравнении с другими углеводородными источниками.
Оценка взаимосвязи аномальных полей метана с газогидратами и разрывными структурами в Охотоморском регионе.
Выявление и прослеживание эффектов воздействия потоков газа (преимущественно метана) в районе гидратоносных структур на морское дно, биоту, водную среду и атмосферу.
Научная новизна
Выявленные закономерности условий формирования и разрушения газовых гидратов в донных отложениях Охотского моря используются как научная основа для разработки методики по извлечению метана из газогидратов в морских условиях.
Значительно расширено информационное поле в области знаний о газовых гидратах Дальневосточного региона, что является важным для их понимания в Мировом океане.
Детально прослежены взаимосвязи геологических, геофизических, гидроакустических, газогеохимических и других параметров, позволяющие определить состояние окружающей природной среды в районе гидратоносных структур акватории.
Проведен сравнительный анализ условий формирования и нахождения газовых гидратов в осадочных отложениях окраинного Охотского и внутренних Черного и Каспийского морей, результаты которого представлены в виде классификационной таблицы. Сделан вывод о наличии общих и индивидуальных особенностей газогидратопрояления в пределах акваторий.
На основе геологических, геофизических, гидроакустических, газогеохимических, изотопно-химических данных за период с 1998 по 2006 г. уточнены причинно-следственные связи процесса формирования-разрушения газогидратов в Охотском море: современные газовые гидраты формируются в приповерхностных слоях донных осадков акватории в районе очагов подводной газовой разгрузки, где поступление метана к поверхности морского дна осуществляется из более глубинных отложений бассейна; вертикальная миграция метана из донных отложений в воду отмечается в зонах разломов в периоды сейсмотектонической активизации недр региона; источники потоков метана в Охотском море — нефтегазосодержащие отложения, микробное продуцирование метана и газовые гидраты.
Исследованы возможные причины развития кризисных ситуаций в морских условиях, связанные с потоками метана и формированием-разрушением газогидратов. Прежде всего, это нарушение поверхности морского дна в районе газогидратсодержащих площадей, что следует учитывать при проведении инженерно-технических работ на морском дне, в частности в отношении размещения различного рода гидротехнических сооружений.
Установлена возможность использования метана в качестве контролирующего фактора за состоянием экологической обстановки в районе полей газовых гидратов в Охотском море.
12 Практическая значимость
В работе рассмотрены геологические и экологические аспекты скоплений газовых гидратов в Охотском море. Исследованы взаимосвязи газогидратов с потоками метана, а также процессы их формирования и разрушения. Изучены аномальные поля метана в водной толще и донных осадках и степень их приуроченности к газогидратсодержащим площадям акватории. Полученные результаты дают возможность использовать аномально повышенные концентрации метана в придонном слое воды в качестве критерия для картирования сейсмически активных зон разломов и при поиске скоплений газовых гидратов и нефтегазовых залежей. Данные по изучению экологической обстановки в районе газогидратсодержащих площадей в Охотском море, связанные с изменением и нарушением поверхности морского дна, со скоплениями определенных представителей бентоса, бактериальных матов и т.д., могут служить научной основой для разработки рекомендаций и необходимых мер по обеспечению экологической безопасности при осуществлении различного рода инженерно-технических работ в пределах акватории.
Опубликованные результаты исследований по газовым гидратам Охотского моря используются в курсе лекций в ИИСЭ ДВГТУ для студентов по специальности «Рациональное природопользование» и «Геоэкология».
Апробация работы
Результаты, обсуждаемые в диссертационной работе, легли в основу 6 научных статей, три из которых опубликованы в отечественных рецензируемых изданиях, а также представлены в материалах российских и международных конференций:
Международная конференция «Minerals of the Ocean» (ВНИИОкеангеологии, г. Санкт-Петербург, 2004); VII Региональная конференция по актуальным проблемам экологии, морской биологии и
13 биотехнологии студентов, аспирантов, молодых преподавателей и сотрудников ВУЗов и научных организаций Дальнего Востока России (ДВГУ, г. Владивосток, 18-20 ноября, 2004); I Региональная конференции студентов, аспирантов, молодых ученых «Проблемы экологии и рационального природопользования Дальнего Востока» (ДВГТУ, г. Владивосток, 18-19 ноября, 2004); Международные научные чтения «Приморские зори-2005», посвященные 10-летию со дня основания ТАНЭБ (ДВГТУ, г. Владивосток, 14-16 апреля, 2005); I Международная научная конференция молодых ученых и студентов «New directions of investigations in Earth sciences» (Национальная Академия Азербайджана, г. Баку, Азербайджан, 3-4 октября, 2005); XVI конференции молодых ученых, посвященный памяти члена-корреспондента АН СССР профессора К.О. Кратца «Геология и геоэкология: исследования молодых» (ГИ КНЦ, г. Апатиты, 15-18 ноября, 2005); II Региональной конференции студентов, аспирантов, молодых ученых «Проблемы экологии безопасности жизнедеятельности и рационального природопользования Дальнего Востока и стран АТР» (ДВГТУ, г. Владивосток, 21-22 ноября, 2005); XXXIX Тектоническое совещание «Области активного тектоногенеза в современной и древней истории Земли» (МГУ, г. Москва, Зіянваря - 3 февраля, 2006); IV Международный симпозиум Университета Каназавы «21st-century СОЕ Program. Promoting Environmental Research in Pan-Japan Sea Area - Young Researchers' Network» (г. Каназава, Япония, 8-10 марта, 2006); Региональная научно-техническая конференция «Молодежь и научно-технический прогресс» (ДВГТУ, г. Владивосток, апрель, 2006); конференция молодых ученых Тихоокеанского океанологического института им. В.И. Ильичева ДВО РАН «Океанологические исследования» (ТОЙ ДВО РАН, г. Владивосток, 21-25 мая, 2007); Международная конференция «Газовые гидраты» (Лимнологический институт СО РАН, Иркутск, 3-8 сентября, 2007); II Международная научная конференция молодых ученых и студентов
14 «New directions of investigations in Earth sciences» (Национальная Академия Азербайджана, г. Баку, Азербайджан, 8-9 октября, 2007); XVIII молодежная научная конференция «Геология и геоэкология: исследования молодых», посвященная памяти члена-корреспондента АН СССР профессора К.О. Кратца (СПбГУ, Санкт-Петербург, 8-13 октября, 2007).
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения,
списка литературы и 1 приложения, содержит 2 таблицы и 56 рисунков.
Общий объем диссертации 171 страница. Список литературы включает 128
наименований, из которых 78 принадлежат отечественным и 50
иностранным авторам.
Защищаемые положения
Поля газовых гидратов в Охотском море представлены современными газогидратами, которые образуются в приповерхностных слоях донных осадков в зоне миграции потока метана из недр к поверхности морского дна вдоль активных разломов, принимая разнообразные формы.
В процессы формирования скоплений газовых гидратов Охотского моря вовлечены микробные и катагенные источники, включая газы нефтегазосодержащих отложений о. Сахалин и прилегающего к нему шельфа.
Сравнительная оценка полей газовых гидратов окраинного Охотского моря с внутренними Каспийским и Черным морями показала общность процессов формирования газогидратов в донных осадках этих акваторий и выявила индивидуальные особенности, связанные с источниками углеводородных газов.
15 4. Миграция газа, преимущественно метана, из донных отложений в водную толщу в Охотском море оказывает воздействие на окружающую среду, выраженное в нарушении поверхности морского дна, развитии биогенных матов и формировании морских сообществ, не характерных для площадей с фоновыми концентрациями метана.
Благодарность
Автор выражает глубокую признательность и благодарность своему научному руководителю д. г-м. н. Анатолию Ивановичу Обжирову за ценные советы, предоставленную возможность участия в морских (Охотское море) и береговой (о. Сахалин) экспедициях и всестороннюю поддержку. Автор искренне благодарна также научным сотрудникам ТОЙ ДВО РАН О.Ф. Верещагиной, Р.Б. Шакирову, А.И. Гресову, А.В. Сорочинской, А.С. Саломатину, В.А. Соснину и А.Н. Салюку за научные консультации и ценные советы.
Признаки гидратоносности осадочной толщи в пределах Мирового океана
В океане газогидратные месторождения, в отличие от суши, не известны, но в ряде районов со дна моря были подняты образцы пород, содержащие газогидраты. В пределах акваторий присутствие газогидратов установлено или предполагается на основании многочисленных косвенных данных в ряде районов Тихого, Атлантического, Индийского и Северного Ледовитого океанов, а также в Каспийском море (рис. 2). В частности, газогидраты в рассеянном или монолитном состоянии обнаружены на Внешнем хребте плато Блейк, в Мексиканском заливе, в море Росса, в Центрально-Американском желобе, в Черном, Охотском морях и др. (Гинсбург, Соловьев, 1994).
В остальных случаях присутствие газогидратов в осадочной толще предполагается на основании косвенных признаков. В частности, наиболее часто на наличие газогидратов в донных осадках указывает горизонт BSR (Bottom-simulating reflector), который выявлен на континентальных склонах пассивных и активных окраин. Он, как правило, обозначивается на глубинах от 100 до 1100 м ниже дна при глубине моря от 400 до 4400 м. На присутствие газогидратов в пределах ложа океана указывают «пагода-структуры» (Атлантический океан, западнее Африки) и амплитудно-скоростные аномалии. На шельфе газогидраты и их признаки установлены лишь в полярных районах, например, море Бофорта, дельта р. Маккензи (Зубова, 1988). Для определения гидратопроявлений помимо геофизических используют геохимические и геологические признаки.
Как показывают исследования предшественников газогидраты и признаки их наличия в Мировом океане наблюдаются, главным образом, в кайнозойских преимущественно терригенных отложениях, реже в вулканических пеплах и в отдельных случаях в серпентинизированных перидотитах фундамента. Примером последнего служит Центрально-Американский желоб (Зубова, 1988).
В настоящее время газогидраты со дна океана подняты непосредственно лишь в небольшом количестве районов. Это связано с малыми объемами бурения, с быстрым разложением газогидратов при нормальных условиях дневной поверхности и в целом с трудностями опробования осадочной толщи на большой глубине.
К числу основных геологических признаков наличия газогидратов в осадочной толще морей и океанов относят (Kvenvolden, McMenamin, 1980; Зубова, 1988; Гинсбург, Соловьев, 1994):
Выделение газа из глубоководного керна со значительным охлаждением последнего при нормальных атмосферных условиях. Распад гидратов идет с поглощением тепла и требует 13 000 кал на 1 моль метана. Нередко высвобождение газов из образцов, поднятых с морского дна, сопровождается образованием льда на их поверхности.
Выделение из кернов таких объемов газов, какие получаются при разрушении газогидратов, то есть значительно больших, чем те объемы, в которых может находиться газ в водорастворенном состоянии. Одна объемная единица гидратов содержит газ, который занимает до 180 объемных единиц при нормальных условиях. - Интенсивно пузырящаяся поверхность образцов осадка. - Многочисленные пустоты в осадке, возникающие по мере увеличения объема газа при его переходе из гидратной формы в свободное состояние. - В отдельных случаях самопроизвольный выход осадка из грунтовых трубок, в связи с возникновением давление внутри трубок не менее десятков атмосфер, что возможно лишь при переходе гидратов в свободное состояние.
Основными геохимическими признаками присутствия газогидратов метана в осадке являются (Kvenvolden, McMenamin, 1980; Зубова, 1988; Гинсбург, Соловьев, 1994; Обжиров и др., 2005): - Высокие концентрации метана в осадке при обычно низких его концентрациях. - Отсутствие или незначительное содержание гелия в составе природного газа, так как гелий не образует газогидратов.
Пониженные значения хлорности поровых вод по сравнению с хлорностью прилегающих участков и уменьшение содержания хлора вниз по разрезу (соль в состав газогидратов не входит) при соответствующем увеличении влажности.
Методы исследования
Для изучения скоплений газовых гидратов и очагов подводной газовой разгрузки в Охотском море был выполнен целый комплекс работ, основными из которых явились: эхолотирование водной толщи (исследование акустических проявлений подводных источников газовых выбросов) с применением гидроакустического комплекса, созданного на основе модернизированных судовых эхолотов Сарган-ЭМ, ELAC, гидролокатора Сарган-ГМ и многоканальной системы цифровой регистрации гидролокационных сигналов; - исследование морского дна посредством сейсмоакустического профилирования (комплексы «SONIC-3», «SONIC-4», спаркер 2200 Дж, диапазон рабочих частот 150-1500 Гц) и грунтового пробоотбора (гравитационный и гидростатический пробоотборники); - зондирование водной толщи при помощи многопараметрического высокоточного CTD зонда «IDRONAUT-320» (Италия) с двенадцати позиционной розеттой «GO-1015» и пятилитровыми батометрами Нискина; - газогеохимические исследования водной толщи и донных осадков на борту судна.
Для изучения аномальных и фоновых полей метана в Охотском море автором был применен газогеохимический метод, который усовершенствован и отработан для работы в морских условиях лабораторией газогеохимии ТОЙ ДВО РАН под руководством д.г.-м.н. А.И. Обжирова (Обжиров, 1993). Выбор метода обусловлен качеством и быстротой измерений, а также необходимостью использования единых с предшественниками методических приемов для корректного сопоставления оригинальных газогеохимических данных с результатами прежних исследований.
При поисках участков просачивания газа из донных отложений в воду использовались данные эхолотирования. В случае обнаружения акустической аномалии в водной толще выполнялась станция с отбором проб на газовый анализ для проверки природы данной аномалии.
При газогеохимическом исследовании водной толщи и донных осадков использовались методические приёмы, состоящие из следующих операций: отбор проб воды (осадка), извлечение газа из проб, анализ состава газа, геологическая интерпретация полученных данных и компьютерная обработка (систематизация и визуализация фактического материала).
Отбор донных осадков производился с помощью гравитационного пробоотборника (GC) весом около 350 кг. Длина колонковой трубы из нержавеющей стали составляла 6,5 м, а её внутренний диаметр - 145 мм. Для оперативного извлечения керна из пробоотборника внутрь колонковой трубы вставлялись гибкие полиэтиленовые вкладыши. Также использовался гидростатический пробоотборник ГСП-2 (НС) конструкции ТОЙ ДВО РАН. Длина используемой колонковой трубы составляла 5,5 м, внутренний диаметр - 126 мм. В качестве вкладышей выступали пластиковые трубы, разрезанные вдоль на две части. После подъема пробоотборника на борт судна вкладыш с керном извлекался на палубе и на пластиковых лотках переносился в лабораторию, где проводилось его исследование и опробование (как литологами, так и газогеохимиками). Длительность операции по извлечению керна, его доставке в лабораторию и подготовке к опробованию не превышала в среднем 7 минут. Концентрация углеводородов в донных осадках определялась методом «Head Space». Пробы осадка отбирались в стеклянные флаконы, наполненные раствором NaCl, с резиновыми пробками. Далее пробы в течение 4 часов выдерживались для выравнивания температуры воды с окружающей температурой, периодически встряхивались - в результате в емкости устанавливалось равновесие между жидкой и газовой фазами. По истечении указанного времени газовая фаза отбиралась шприцем для последующего анализа.
Методика газогеохимических исследований водной толщи заключалась в оборе проб воды на различных горизонтах батометрами системы «Розетт» (США) на станциях, расположенных как в области выходов газа, так и за её пределами. Система комбинирована с многопараметрическим CTD-зондом. Зондирующий комплекс оснащался кассетой батометров «NISKIN» (12 батометров). Батометры при заборе пробы воды плотно закрываются специальными крышками, что важно во избежание потери газов.
Вода из батометра отбиралась с помощью мягких полиэтиленовых пробоотборников. Предварительно вакуумированные, они герметично подсоединялись к выходному клапану батометра, и в пробоотборники перетекало 0,5 л воды без контакта с атмосферой. Отбор проб проводился дискретным способом с учетом вертикального распределения гидрологических параметров (температуры, солености), полученных при предварительном CTD-зондировании. Для выяснения детального распределения концентраций метана в водной колонке опробовались горизонты, характеризующиеся значительными градиентами океанографических параметров. Обычно частота отбора проб составляла 12 горизонтов. Среди них, как правило, стандартными являлись 5, 10, 25, 50, 100, 150, 200-250, 500, 700, 800, 900, 1000. Особое внимание уделялось нижним и верхним горизонтам водной толщи. В работах предшественников придонным слоем считается горизонт воды, расположенный в 1 м над поверхностью дна (Обжиров, 1993). В наших исследованиях в качестве придонного слоя принят интервал нижнего уровня отбора проб с расстоянием до дна 3-5 м, где обычно закрывается первый батометр.
Геологическая обстановка в районах скопления газогидратов в Охотском море
Другими их отличительными чертами является наличие водо- и газонасыщенных горизонтов. В большом количестве представлен детрит и раковины двустворчатых моллюсков Calyptogena и их фрагменты, которые встречены в изобилии по мере приближения к центральным частям очагов газовой разгрузки. Иногда они формируют ракушечный горизонт и не один (например, LV31-24GC, 2003, см. приложение 1), что свидетельствует о пространственно-временном характере их распределения, вызванном периодами газовой активности. На поверхности морского дна в районе газовых выходов наблюдается развитие бактериальных матов, скопления бентосной макрофауны и некоторых представителей рыб (Biebow et. al., 2002). Ассоциацию газогидратов с карбонатными конкрециями в условиях подводной газовой разгрузки можно считать закономерной. Она отмечена и в других районах Мирового океана (Мексиканский залив, Норвежское море и др.). Карбонатные конкреции (обычно твердые, уплотненные) залегают, как правило, выше гидратоносных, водо- и газонасыщенных горизонтов. Газонасыщенные осадки обычно плавно переходят в газогидратсодержащие интервалы. В тоже время карбонаты различной стадии формирования обнаруживаются в пределах газонасыщенных горизонтов.
Изучение газовой составляющей осадков на северо-восточном склоне о. Сахалин в Охотском море, за период 1998-2005 гг., выявило высокие концентрации метана (300-3000 мл/л) в гидратоносных и газонасыщенных горизонтах. Высокое содержание метана и нарушенность осадка некоторых горизонтов, где газогидраты визуально не наблюдаются, может служить косвенным признаком присутствия микровключений газовых гидратов.
Автором отмечено, что в районе гидратоносных площадей наблюдается приближение гидратсодержащих интервалов к поверхности раздела вода-осадок по мере приближения к центральным частям очагов газовых эманации и, наоборот, увеличение поддонных глубин гидратсодержащих горизонтов, по мере удаления от газовых выходов. Как и в прибрежье о. Парамушир мы связываем это с образованием вторичных (молодых) газовых гидратов в областях нарушения так называемых первичных газогидратов, приуроченных пространственно к зонам разломов, являющихся проводниками и генераторами потоков метана. В периоды сейсмотектонических активизаций происходит раскрытие разломов, усиление теплового потока и соответствующее нарушение термобарических условий стабильности газогидратов, погребенных в осадочных отложениях.
В пределах гидратоносных площадей Охоткого моря, как показывают данные грунтового пробоотбора и геофизические исследования (фиксирование границы BSR), гидратсодержащие горизонты в осадочных отложениях могут встречаться на различной поддонной глубине в пределах зоны стабильности газовых гидратов, вплоть до поверхности раздела вода-осадок. Заметим, что в работе О.В. Веселова и др. (2004) не исключается возможность того, что структура газогидратного слоя Охотского моря представляет собой многоэтажную гидратсодержащую толщу, подобную той которую предполагают Д. Минерт и Д. Посеванг в полярных районах Арктики (Mienert, Posewang, 1999).
Также подчеркнем, что особенности газогидратопроявления в прибрежье о. Парамушир отмечены и в пределах северо-восточной части континентального склона о. Сахалин, что указывает на существование и в этом районе активной геологической деятельности.
Анализ данных по газогидратной тематике показал, что активные выходы метана, связанные с областями скоплений газовых гидратов, сосредоточены, в основном, в зонах, подверженных процессам тектонического сжатия. Подводная газовая разгрузка встречается обычно в областях глубокого прогибания, в окраинных бассейнах и перед дугами в зонах субдукции (Nelson et al, 1979 и др.). Необходимым условием для углеводородной дегазации таких участков, как правило, является присутствие разрывных нарушений, дополнительными составляющими процесса служат складчатые дислокации, геодинамическая активность, а также повышенная сейсмичность некоторых районов активных континентальных окраин (Дегазация Земли..., 1985). Таким образом, наличие вышеперечисленных условий, развитие в районе достаточно мощных осадочных толщ, содержащих жидкие и газообразные углеводороды, соответствующий геодинамический режим региона обуславливают процессы формирования-разрушения газогидратов на дне окраинных морей и существование связанных с ними очагов подводной газовой разгрузки. При этом наиболее благоприятными путями для вертикальных перетоков углеводородов рассматриваются узлы пересечений разнонаправленных напряжений, кольцевые структуры и диапиры (Мясникова, Шпильман, 2003). В этом плане Охотское море является природным объектом, сочетающим в себе весь необходимый набор факторов и условий для существования газогидратов и их разложения.
Все участки северо-западного сектора Охотского моря со скоплениями газогидратов и признаками их присутствия в отложениях расположены в пределах западной части впадины Дерюгина. Газогидратное поле прибрежья о. Парамушир приурочено к Голыгинскому прогибу. В этих прогибах развит мощный осадочный чехол, характеризующийся достаточно высоким потенциалом генерации углеводородов (Веселое и др., 2004).
Северо-западный борт впадины Дерюгина, где непосредственно обнаружены скопления газовых гидратов, является наиболее заметным. Считается, что котловина Дерюгина сформировалась в результате рифтогенной деструкции и находится в настоящее время под влиянием современной сейсмической активности (Харахинов, 1998).
Потоки метана, связанные с процессом формирования-разрушения газогидратов
В 2005 г. в районе структур «Хаос», «Китами», «КОПРИ», «ТОЙ» было проведено сейсмоакустическое профилирование (Обжиров и др., 2005). На участках профиля (рис. 24), соответствующих расположению этих структур, отчетливо прослеживаются следы миграции газа через осадочную толщу по ослабленным зонам. Они представлены амплитудными аномалиями: тусклыми пятнами и вертикальными зонами хаотических отражений. На интерпретационной схеме (рис. 25) района наиболее интенсивная сетка разрывных нарушений (по всей видимости, флюидопроводников) наблюдается в пределах очага газовой разгрузки «Хаос», вероятно, приуроченного к крупной флексуре. При этом ослабленные зоны характерны для всего исследуемого района, но в меньшей степени распространены на участках между очагами разгрузки.
Согласно работе (Мазуренко, 2006) указанный район характеризуется сложным тектоническим строением. Наиболее крупный из уступов, простирающийся в северо-западном направлении приурочен к так называемому разлому нис Лаврентьев.
Сейсмоакустическое профилирование 2005 г. выполнялось здесь с учетом широкого развития крупных разрывных нарушений, крупнейшим из которых является разлом Лаврентьева, обнаруженный в результате геолого-геофизических исследований по программе «КОМЕХ». Большинство сейсмоакустических профилей располагалось вкрест разломных зон. Выявленные разрывные нарушения, в большинстве своем, представлены разломами сбросового типа, к участкам их выхода на дно приурочены очаги газовой разгрузки.
Особенности механизма формирования газовых гидратов в Охотском море Газовые гидраты в пределах Охотского моря, как показал грунтовый пробоотбор, выявлены на небольших поддонных глубинах. В частности, на северо-восточном сахалинском склоне они отмечены, начиная практически с поверхности морского дна (ст. LV31-24GC, 2003). Как известно, присутствие газа в гидратном состоянии в непосредственной близости от морского дна возможно только при условии его постоянного поступления снизу (Матвеева, Соловьев, 2003). Глубина моря в районе полей газогидратов, вблизи о. Сахалин и о. Парамушир, составляет от 385 до 1040 м (давление от 4 до 10 МПа), а температура у дна - в интервалах 2,2-2,3 С и 1,7-2,2 С, соответственно (Зоненшайн, 1987; Ginsburg et. al., 1993; Гинсбург, Соловьев, 1994; Обжиров и др., 2005). Зона стабильности газогидратов метана при таких термобарических условиях может простираться до поддонных глубин не менее 100 м (Гинсбург, Соловьев, 1994; Веселов и др., 2004). Положение нижней границы зоны зависит в первую очередь от значения геотермического градиента, верхней - от интенсивности потока газа снизу. Чем интенсивнее приток газа, тем на меньшей глубине от поверхности дна возможно образование газогидратов. Обнаруженные во время экспедиций 2003-2005 гг. небольшие глубины залегания верхнего интервала гидратсодержащих осадков (около 0-0,4 м) в пределах северо-западного борта впадины Дерюгина, по мнению автора, вероятно, свидетельствуют об усилении восходящего потока газа в эти годы. Что согласуется, с активизацией сейсмотектонических процессов Охотоморского региона (Обжиров и др., 2003, 2004, 2006).
Другой характерной чертой районов скопления газогидратов, приуроченных к очагам газовой разгрузки, в Охотском море, по литологическим данным, являются специфические текстуры гидратсодержащих отложений (порфировидная, линзовидно-слоистая).
Гидратообусловленная линзовидно-слоистая текстура осадка, определяемая субпараллельными шлирами, чередующимися с прослойками гидратов, аналогична криогенной текстуре, формирующейся при промерзании тонкозернистых отложений (Матвеева, Соловьев, 2003). Согласно работе (2003) подобные гидратные текстуры обнаружены в Мексиканском заливе, в прибрежье Северной Калифорнии и других районах. В морских условиях газогидраты способны формироваться только в случае перенасыщения газом поровых вод. При разгрузке газа насыщение им поровой воды за пределами газового потока должно происходить за счет процесса диффузии (Гинсбург, Соловьев, 1994; Матвеева, Соловьев, 2003). В результате газовые гидраты могут образовываться только в пределах диффузионного ореола рассеяния.
Линзовидно-слоистая текстура формируется при связывании поровой воды диффундирующим газом. Недостающее количество воды, способной участвовать в формировании газогидратов, в зоне начала гидратообразования восполняется за счет поступления поровой воды из смежных к фронту гидратообразования отложений (рис. 26). Что и наблюдается в донных отложений исследуемых районов: повышенное содержание воды в гидратсодержащих интервалах по сравнению с близлежащими отложениями. Поскольку гидратсодержащие отложения вблизи поверхности раздела вода-осадок представляют собой достаточно однородные тонкозернистые образования, то вероятно в процесс формирования газогидратов вовлекается помимо поровой воды гидратсодержащего интервала поровая вода близлежащих участков и морская придонная вода.
В процессе гидратообразования существена роль и фильтрации газонасыщенной воды в направлении дна. Восходящий поток фильтрующегося флюида служит переносчиком тепла в направлении дна, что определяет температурный градиент между центром очага разгрузки (с максимальными температурами) и его периферией, где температура понижается. Пониженные температуры создают благоприятные термобарические условия для формирования газогидратов на некотором расстоянии от очага газового выхода. Таким образом, газогидратообразование может происходить как в зоне наиболее интенсивного потока газа, так и на некотором удалении от неё.
