ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2007, том 34, № 5, с. 620-625
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОД СУШИ ^^^^^^^^^^ С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
УДК 550.8:553.98
О ВОЗМОЖНОЙ СВЯЗИ ГАЗОГИДРАТОВ С СУБМАРИННЫМИ
ПОДЗЕМНЫМИ ВОДАМИ
© 2007 г. А. А. Баренбаум
Институт проблем нефти и газа Российской академии наук 119333 Москва, ул. Губкина, 3. Поступила в редакцию 17.08.2006 г.
Рассмотена гипотеза о подземном субаквамаринном стоке, как о причине образования скоплений газогидратов на материковом склоне и шельфе континентов и крупных островов, основанная на концепции нефтегазообразования, согласно которой крупные естественные скопления углеводородов являются продуктом циркуляции подвижного углерода биосферы через земную поверхность с участием вод климатического круговорота.
В последние годы аквамаринные газовые гидраты привлекают к себе все большее внимание исследователей [5, 11, 13], которое вызвано широким распространением данного типа минерального сырья и возможностью сравнительно недорого извлечения из них метана. Вместе с тем вопрос о происхождении газогидратов не решен, а время их существования в природных условиях остается неопределенным.
Ниже рассмотрена гипотеза, связывающая происхождение аквамаринных газогидратов с подземным стоком вод с континентов. Она учитывает масштабы современного подземного субаквамаринного стока вод в Мировой океан [10], а также объемы выноса этими водами водорастворимого углеродсодержащего вещества [7] и основана на новой "климатической" концепции формирования газонефтяных скоплений [2].
ПРИРОДА ГАЗОГИДРАТОВ И МАСШТАБЫ ИХ РАСПРОСТРАНЕНИЯ
Газовые гидраты представляют собой кристаллические структуры из молекул воды, пустоты в которых заполнены молекулами газа. Один объем воды может связывать в газогидратах до 160 объемов метана [11]. Газогидраты стабильно существуют лишь в ограниченном диапазоне значений температуры 70-350°К и давления 2 х 10-8-2 х х 103 МПа. Этим условиям отвечают поверхностные зоны дна океана, а на континентах - участки вечной мерзлоты. Примерно 98% всех известных газогидратов рассредоточено в акватории Мирового океана, главным образом, на континентальных склонах и шельфе материков. Располагаются они здесь крайне неравномерно. Наибольшие массы газогидратов приурочены к зонам разломов, конусам выноса рек, а также располагаются вблизи подводных грязевых вулканов. Основные
аквамаринные скопления газогидратов связаны или с разгрузкой флюидов на дне морей, или находятся на значительной поддонной глубине, но также контролируются потоками подземных флюидов [19].
Неравномерность залегания создает большие трудности при подсчете количества газогидратов. Прогнозные оценки заключены в пределах 2 х х 1014-7.6 х 1018 м3. Наиболее вероятным сегодня считается значение 2 х 1014-1015 м3 [19], что соответствует массе газогидратного метана ~1017-1018 г. Эти ресурсы сопоставимы с запасами газа в газовых и газоконденсатных месторождениях, что позволяет рассматривать газогидраты как весьма перспективный источник метана.
ПРОБЛЕМА ПРОИСХОЖДЕНИЯ ГАЗОГИДРАТОВ
Происхождение скоплений газогидратов, как и нефтегазовых залежей, принято объяснять в рамках либо органической, либо неорганической теории. "Органики" источником метана в газогидратах считают процессы разложения органического вещества осадочных пород, включая жизнедеятельность подземных микроорганизмов [17], а "неорганики" - поступление к поверхности глубинных углеводородных газов, в том числе образующихся в процессах серпентизации пород океанической коры [9].
Время жизни газогидратов в их скоплениях в естественном залегании определено с еще меньшей достоверностью. Возраст газогидратов в зависимости от предполагаемого механизма образования и условий нахождения допускается как современный [19], так и составляющий десятки тысяч [15] и даже миллионы лет [11].
Существующие точки зрения на происхождение газогидратов, основанные на органической
либо неорганической теории, мало убедительны. Первая не предлагает источника биогенного метана, необходимого для образования наблюдаемого количества газогидратов, вторая сталкивается с проблемой удаления углерода из биосферы. При современном темпе дегазации недр (3 ± 2) х 1015 г углерода в год [4] земная атмосфера была бы полностью им насыщена за тысячу лет.
НОВЫЙ ПОДХОД К ПРОБЛЕМЕ
В [1, 2] выдвинута новая концепция формирования скоплений углеводородов (УВ), решающая эти проблемы. Образование скоплений газогидратов связывается с переносом подвижного углерода через земную поверхность метеогенными водами при климатическом круговороте. В основу концепции положена идея В.И. Вернадского [3] о глобальном геохимическом круговороте вещества, в котором активное участие принимают живые организмы. Исследования показывают, что этим явлением в первую очередь охвачены геохимические циклы кислорода, углерода и воды, образующие, благодаря существованию на Земле жизни, единую динамически устойчивую систему круговорота [1]. Участвуя во всех трех циклах, живое вещество приводит скорости циркуляции углерода биосферы и кислорода атмосферы в равновесие со скоростью круговорота вод гидросферы.
В ходе этого процесса углерод многократно пересекает земную поверхность. Входя в состав живых существ и минеральных агрегатов, он меняет химическую форму и изотопный состав. Над поверхностью Земли, выполняющей функцию "геохимического барьера", углерод циркулирует преимущественно в окисленном виде СО2, а под ней в восстановленном СН4.
Ведущую роль в восстановлении углерода под земной поверхностью и образовании из него метана (СН4) и его высокомолекулярных гомологов играют поликонденсационные реакции синтеза УВ из окисленных форм углерода, воды и водорода [14]. Эти реакции, в частности, приводят к образованию алканов, которые выступают основными компонентами подземных газов и флюидов. Смешиваясь с другими углеводородами, возникающими при разложении биогенного вещества и за счет деятельности микроорганизмов, они выделяются в отдельную фазу, формирующую собственные скопления [1].
Учет переноса углерода метеогенными водами полностью решает [2] балансовую проблему его круговорота [4], по крайней мере, в пределах континентов. При этом выясняется, что подземные залежи нефти и газа, как и присутствующие на континентах внутренние моря, реки, озера, ледники и другие крупные скопления воды контролируются
одними и теми же региональными природными процессами, обусловленными климатическим круговоротом воды. Поэтому промышленные нефтегазовые месторождения на континентах, во-первых, как правило, размещаются в пределах крупных осадочных бассейнов артезианского типа, собирающих воду с огромных территорий; во-вторых, их пополнение нефтью и газом происходит не за миллионы лет, как считалось раньше, а за несколько десятилетий [16]. В настоящей статье данный подход привлекается для объяснения происхождения аквамаринных газогидратов и оценки времени их жизни.
СУЩЕСТВО ГИПОТЕЗЫ
В отличие от артезианских бассейнов, расположенных в центральной области материков, у водосборных бассейнов, находящихся на окраинах континентов и на крупных островах, имеется существенная особенность. Значительная часть собираемых здесь осадков выносится в океан суб-маринным подземным стоком [10]. При этом воды, в основном, разгружаются на шельфе и/или континентальном склоне материков. По современным данным общий подземный сток с континентов и крупных островов составляет 2400 км3/год. На отдельных участках расход подземных вод превышает 100 тыс. м3/сут на 1 км береговой линии. Это приводит к появлению на шельфе и океаническом склоне мощных очагов разгрузки флюидов, с которыми нередко ассоциируются залежи аквамаринных газогидратов [19].
На рис. 1 приведена карта мест скопления газогидратов [19], а также участков субмаринного подземного стока интенсивностью >3 л/с км2 [10]. Они наглядно демонстрируют связь скоплений аквамаринных газогидратов с участками повышенного подземного стока вод с континентов и островов. Имеющаяся информация по газогидратам и подземному стоку вод требует существенного дополнения и уточнения при дальнейших исследованиях.
Особого внимания заслуживает вопрос о количестве углеродсодержащего вещества, транспортируемого субмаринным подземным стоком. По данным [7] этими водами ежегодно переносится 735 гидрокарбоната (НСО3) и 45-50 млн. т растворенного органического вещества. В пересчете на углерод это дает его массу ~2 х 1014 г/год. При такой интенсивности подземного стока все известные скопления аквамаринных газогидратов посредством механизма [2] можно сформировать за время т - (1017-1018)/(2 х 1014) ~ 103 лет.
Рис. 1. Сопоставление скоплений газовых гидратов, обнаруженных на земном шаре [19], с подземным стоком вод в Мировой океан с континентов [10]. Светлые кружки - места скопления газогидратов по геофизическим и геохимическим данным, темные - по данным разгрузки флюидов на океаническом дне. Участки береговой линии с расходом воды 1 - 15-10, 2 - 10-7, 3 - 7-5, 4 - 5-3 л/(с км2).
ОБРАЗОВАНИЕ АКВАМАРИННЫХ ГАЗОГИДРАТОВ
Известно, что необходимыми условиями формирования газогидратов при наличии метана и воды являются пониженные температуры и определенные значения давления [5, 11, 15]. В условиях субмаринного подземного стока этим требованиям вполне отвечают области континентального склона и глубоководного шельфа материков. Исследования показывают, что зона стабильности газогидратов в этом случае располагается на глубинах от 200 в приполярных морях и от 500 м в экваториальных регионах. Верхняя ее граница находится в толще воды у поверхности дна, а положение нижней определяется глубиной дна, составом газа, а также температурой и минерализацией воды.
Вопрос об источнике метана для получения газогидратов может быть принципиально решен.
Требуемые количества СН4 предположительно образуются из окисленного углерода, поступающего с субмаринными подземными водами, в ходе реакций поликонденсации типа пСО + (2п + 1)Н2 —► —► СпН2п + 2 + пН2О (синтез Фишера-Тропша); (3п + 1)СО + (п + 1)Н2О — СпН2п + 2 + (2п + 1)СО2 (синтез Кёльбеля-Энгельгарда) и др.
Распределение возникающих при этом УВ подчиняе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.