Поля газогидратов в Охотском море и их геоэкологическое значение

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 295°К, давление — до 250 атмосфер) залежи в твердом — газогидратном 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 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 формированияразрушения газогидратов в морских условиях, роль гидратов в образовании скоплений углеводородов и потоков природного газагенезис 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 образованияразрушения 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.

2. 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.

3. Изучение распределения во времени и пространстве аномальных полей метана в водной толще и донных осадках Охотского моря.

4. 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.

5. Оценка взаимосвязи аномальных полей метана с газогидратами и разрывными структурами в Охотоморском регионе.

6. Выявление и прослеживание эффектов воздействия потоков газа (преимущественно метана) в районе гидратоносных структур на морское дно, биоту, водную среду и атмосферу.

Научная новизна.

1. 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.

2. Значительно расширено информационное поле в области знаний о газовых гидратах Дальневосточного региона, что является важным для их понимания в Мировом океане.

3. Детально прослежены взаимосвязи геологических, геофизических, гидроакустических, газогеохимических и других параметров, позволяющие определить состояние окружающей природной среды в районе гидратоносных структур акватории.

4. 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.

5. 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 бассейнавертикальная миграция метана из донных отложений в воду отмечается в зонах разломов в периоды сейсмотектонической активизации недр регионаисточники потоков метана в Охотском море — нефтегазосодержащие отложения, микробное продуцирование метана и газовые гидраты.

6. 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.

7. Установлена возможность использования метана в качестве контролирующего фактора за состоянием экологической обстановки в районе полей газовых гидратов в Охотском море.

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 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, 31января — 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.

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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Охотское море является природным объектом, сочетающим в себе весь необходимый набор факторов и условий для реализации и существования процесса формирования-разрушения газовых гидратов. Это развитие достаточно мощных осадочных толщ, содержащих жидкие и газообразные углеводороды, в районах, где отмечаются скопления газовых гидратов, наличие разрывных нарушений, геодинамическая активность, а также повышенная сейсмичность соответствующих территорий Охотоморского региона. Именно они определяют возникновение и затухание подводной газовой разгрузки и связанных с ней аномальных полей метана в донных осадках и водной толще.

Сравнение условий формирования и нахождения газовых гидратов в осадочных отложениях окраинного Охотского моря с условиями во внутренних Каспийском и Черном морях позволило сделать вывод о наличии общих и индивидуальных особенностей газогидратопрояления. Их общность проявляется в наличии мощных осадочных отложений в районах газогидратсодержащих площадей, миграции газонасыщенных потоков (преимущественно метана) к поверхности морского дна, приуроченности скоплений газогидратов к зонам тектонических нарушений и районам нефтегазоносных площадей, а также в наличии морфоструктур морского дна подобных грязевым вулканамразличие — в источнике метана газовых гидратов — преимущественно однофазный (газовый поток) в Охотском и двухфазный (газонасыщенные воды) в Черном и Каспийском морях, при этом гидраты Охотского и Черного морей образованы смесью катагенетического газа с микробным, а Каспийского моря — в основном катагенетическим газом.

Изотопный состав газовых гидратов и карбонатных образований верхних интервалов донных отложений и их приуроченность к активным разломным зонам позволяют рассматривать газовые гидраты Охотского моря как полигенетические образования (катагенетический газ в сочетании с микробным), в формировании которых не исключена роль метана из нефтегазоносных отложений региона.

В пределах акватории Охотского моря существуют фоновые и аномальные поля метана в воде и донных осадках. Величины фона и аномалий зависят от геоструктурного расположения газогеохимических полей, их источников и сейсмотектонической активности региона. Результатом качественного сопоставления аномалий метана с тектоническим строением региона и расположением углеводородных скоплений стало обнаружение прямой связи между ними. Наиболее интенсивные аномальные поля метана образуются на северо-восточном склоне о. Сахалин. Именно в этой области осуществляется основной вынос метана в водную толщу и в атмосферу с поверхности моря. Эмиссия метана здесь обусловлена, главным образом, раскрытием зон разломов в периоды сейсмотектонических активизаций и существованием особой чувствительной к изменению Р-Т условий формы нахождения метана в осадочных отложениях — газогидратов.

Концентрации метана в водной толще в районе очагов газовой разгрузки в пределах гидратоносных площадей превосходят его фоновые концентрации на 3−4 порядка и концентрации над нефтегазоносными структурами на 1−2 порядка. Гидратсодержащие отложения также содержат аномальные концентрации метана (300−3000 мл/л), превышающие фоновые значения на 4−6 порядков.

Мониторинг аномальных полей метана северо-западного сектора Охотского моря с 1998 по 2006 гг. свидетельствует о постоянстве газовых выходов в пределах гидратоносных площадей в указанный период времени, но при этом наблюдается изменение их активности.

Исследования автора по вопросу геоэкологических аспектов скоплений газовых гидратов в Охотском море показывают, что последние действительно способны оказывать влияние на различные составляющие окружающей природной среды: донные отложения, водную толщу, биоту и атмосферу. При этом, влияние процесса формирования-разрушения газовых гидратов может быть как положительным (формирование очагов бурной жизнедеятельности ряда представителей микрои макрофауны), так и отрицательным (возникновение оползневых процессов).

Очаги газовых выходов в пределах гидратоносных площадей характеризуются скоплениями некоторых представителей микрофауны и макрофауны, которые отсутствуют в таком количестве в районах с фоновыми полями метана. Существование этих скоплений зависит от интенсивности газовой разгрузки и от величины местного градиента H2S в осадках, образуемого при анаэробном окислении метана. Гидратсодержащие площади характеризуются развитием на поверхности морского дна морфонеровностей (холмов, воронок), также обнаруживают признаки возникновения оползневых процессов в пределах склона. Автор полагает, что эти участки морского дна могут быть потенциально опасными для человека в случаях осуществления различного рода инженерно-технических работ, например, при проведении поисково-разведочных мероприятий. В подобных ситуациях в их пределах крайне важно своевременно и максимально объективно отразить состояние газогеохимической обстановки, наряду с инженерно-геологической и геофизической характеристиками среды.

Полученные результаты по аномальным полям метана в водной толще и донных осадках и степени их приуроченности к гидратоносным структурам и разрывным нарушениям в Охотском море свидетельствуют о возможности использования углеводородных газов (прежде всего метана) в качестве контролирующего фактора за состоянием геоэкологической обстановки.

Таким образом, в работе уточнены геолого-газогеохимические закономерности условий формирования и нахождения газовых гидратов и их сопряженность с потоками метана в Охотском море. Эти данные могут служить научной основой для разработки методик и технических средств по добычи метана из газогидратов, а также рекомендаций по обеспечению экологической безопасности в результате осуществления инженерно-технических работ в морских условиях.