МЕХАНИКА ЖИДКОСТИ И ГАЗА № 5 • 2014
УДК 532.546:536.421
РАЗРУШЕНИЕ ПОДВОДНЫХ ЗАЛЕЖЕЙ ГАЗОВЫХ ГИДРАТОВ
© 2014 г. А.В. ЕГОРОВ*, А.Н. РОЖКОВ***
* Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва ** Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН, Москва e-mail: rozhkov@ipmnet.ru, avegorov@ocean.ru
Поступила в редакцию 11.11.2013 г.
На дне и в верхних слоях осадков подводного вулкана "Хакон-Мосби" обнаружены залежи газовых (метановых) гидратов. Измерения концентрации растворенного в воде метана на различных глубинах в окрестности вулкана показали повышенный уровень концентрации по сравнению со средним уровнем в Океане. С целью объяснения наблюдаемых концентрационных эффектов предложена модель распространения метана в гидросфере, образующегося в результате разложения глубинного и придонного гидратов. В рамках физического моделирования численно прослежена кинетика растворения и распределение метана в гидросфере с учетом анизотропии переноса в разных направлениях и подводных течений. Определены скорость растворения, направления массопереноса и рассчитаны поля концентраций в придонных слоях водоема. Продемонстрировано быстрое рассеивание метана в гидросфере и невозможность формирования значительных водных объемов с высокой концентрацией метана. Даны практические рекомендации по поиску гидратных залежей в акваториях. Предложенная модель применима для описания распространения любой примеси в различных анизотропных средах.
Ключевые слова: гидрат, метан, диффузия, растворение, гидросфера.
На дне и в водной толще озер, морей и океанов сосредоточены гигантские запасы полезных ископаемых, в том числе и углеводородного сырья. Важнейший компонент углеводородного сырья, природный газ метан, присутствует в гидросфере и донных осадках в растворенной форме. Однако при стечении благоприятных факторов растворенный метан может, взаимодействуя с водой, формировать твердые образования — метановые гидраты [1]. Для этого необходимы высокая концентрация растворенного метана, высокое давление и низкая температура. Последние два условия обычно выполняются в акваториях на глубинах свыше 300—500 м. Там, где концентрация метана достаточно велика, формируются метановые гидраты.
1. Метан в подводном вулкане. Наиболее интенсивно процесс гидратообразования может протекать в зонах восходящей фильтрации насыщенных метаном теплых вод — в подводных грязевых вулканах. Согласно модельным представлениям [2] интенсивность гидратообразования здесь на много порядков может превосходить интенсивность гидратообразования в обычных условиях. В результате заполнения пор осадка твердым метановым гидратом могут формироваться монолитные слои и отдельные фрагменты метанового гидрата на дне водоема и внутри осадка.
Монолитная залежь метанового гидрата, непрерывно простирающаяся на десятки метров вдоль дна, была открыта в 2009 г. пилотом глубоководного обитаемого аппарата (ГОА) "Мир-2" Е.С. Черняевым и авторами работы в ходе их погружения на дно озера Байкал в районе подводного вулкана "Санкт-Петербург" на глубине 1400 м [3]. Часть залежи обнажалась на дне, а в основном была скрыта тонким осадочным слоем.
Фиг. 1. Фотография поверхности подводного вулкана "Хакон-Мосби" [6]
Ранее при проведении глубоководных исследований в Мексиканском заливе Атлантического океана [4] и в окрестности Ванкуверских островов в Тихом океане [5] были обнаружены отдельные небольшие холмы метановых гидратов. Метановые гидраты на дне и внутри осадка найдены при исследовании подводного вулкана "Хакон-Мосби" ("Ыакоп МтЬу"), расположенного на глубине 1290 м в Норвежском море [6] (фиг. 1, 2).
Залежи метановых гидратов в осадках грязевых вулканов подвержены непрерывной эволюции. Действительно, сначала происходит формирование залежи благодаря конвективному и диффузионному переносу воды и растворенного в ней метана из глубинных слоев осадков к поверхностным слоям. По пути движения воды часть растворенного метана осаждается в порах осадка в форме твердых гидратов, как это описано в работе [2]. Оставшуюся часть метана вода приносит в гидросферу.
Заполняя поровое пространство и формируя гидратный слой, метановый гидрат перекрывает в конце концов движение восходящему потоку воды, и на этом рост залежи метанового гидрата в данном локальном объеме осадка прекращается. Поток перемещается в соседние, свободные от метанового гидрата части осадка, где начинается формирование новой залежи метанового гидрата, а только что образовавшаяся залежь растворяется, создавая поток растворенного метана от гидрата в гидросферу.
Таким образом, в подводном вулкане могут реализоваться два взаимосвязанных сценария поступления метана в гидросферу: за счет растворения сформировавшегося твердого гидрата и за счет восходящего потока насыщенной метаном воды [2].
Настоящая работа предпринята с целью установления особенностей переноса растворенного метана в районе его выхода из литосферы в гидросферу и вытекающее отсюда распределение концентрации метана в гидросфере.
2. Метан в гидросфере. Метан от донных источников рассеивается в водной толще. Очевидно, что концентрация метана в воде зависит от его количества, поступающего со дна, и скорости переноса метана в гидросфере. Фигура 3 представляет результаты измерений концентраций растворенного в воде метана на различной глубине над подводным вулканом "Хакон-Мосби". Измерение концентрации осуществлялось хрома-тографическим анализом проб воды [7]. Пробы отбирались стандартными батометрами с борта судна на расстоянии 60 и 80 м от дна [6] и батометрами ГОА "Мир" на расстоянии 1 м от дна [8]. Кроме того, на фиг. 3 представлены вертикальные профили концентраций, полученные с помощью батометров системы Розетта (30 л) и специальным придонным батометром, срабатывающим на расстоянии 1 м от дна [8]. Все пробы отбирали непосредственно над вулканом.
6 ▲ 1
Фиг. 2. Интерпретация сонарного имиджа подводного грязевого вулкана "Хакон— Мосби" [6]. Метановые гидраты в донных пробах: 1 — поверхностные гидраты, 2 — гидраты в осадке, 3 — осадок без гидрата и насыщен метаном, 4 — осадок без гидрата и слабо насыщен метаном, 5 — центральная ось сейсмоакустического сканирования, 6 — внешний ров проседания, 7 — разрывные нарушения, 8 — локальные холмы, сипы, впадины, 9 — потоки осадочного материала, 10 — область умеренного обратного рассеивания, 11 — центральная плоская равнина с сильным обратным рассеиванием. Линии 100, 500, 2500, 5000 и 7500 — изолинии температурного градиента (мК/м)
Результаты свидетельствуют, что во всех случаях концентрация метана в основной массе воды чрезвычайно мала и находится на уровне средней концентрации метана в водах Мирового океана с= 10-10 кг/кг [6]. Лишь в придонных объемах концентрация метана возрастает до уровня с ~ 10-9^10-5 кг/кг, который тем не менее намного ниже
Фиг. 3. Зависимость концентрации метана в воде с от расстояния г до дна: 1 — батометр [6], 2 — батометр ГОА "Мир", 3 — батометры Розетта, 4—6 — расчет; толщина диффузионного ПС 5 = 1 (4), 10 (5), 100 (6) мм
уровня равновесной концентрации растворения метанового гидрата ср = 10-3 кг/кг [2]. Для ответа на вопрос, что происходит с метаном, поставляемым в гидросферу растворяющимся метановым гидратом и донными потоками, построена модель процесса обмена метаном между осадком и гидросферой.
3. Модель массообмена. Основные подходы к моделированию процесса разрушения залежи метанового гидрата, расположенного непосредственно на дне, за счет растворения в водной толще сформулированы в [6, 9]. Предполагается, что монолитный слой метанового гидрата покрывает горизонтальный участок дна, который для простоты полагается квадратным. Размер участка 21 х 21 (фиг. 4). Согласно данным фиг. 2 величина I ~ 200 м.
Вводится декартова система координат х, у, г с началом в центре данного квадрата. Вертикальная ось г направлена от дна водоема к его поверхности, а значение г = 0 отвечает поверхности метанового гидрата (фиг. 4).
На границе раздела фаз, т.е. на границе между метановым гидратом и водой, г = 0, концентрация метана в водной фазе равна равновесной концентрации растворения метанового гидрата ср. Обусловлено это тем, что на бесконечно малом удалении от границы влияние внешних условий на молекулярный обмен между твердой и жидкой фазами становится бесконечно малым.
Известно, что вода в океане турбулизирована, и перенос вещества и энергии осуществляется турбулентной (конвективной) диффузией. Однако вблизи дна доминирует молекулярная компонента вязкости воды, которая подавляет конвективный перенос [10, 11]. Массоперенос в этой придонной области осуществляется обычной молекулярной диффузией. Хотя изменения в характеристиках переноса по направлению от
Фиг. 4. Схема моделирования распространения примеси в гидросфере: I — плоский объем частиц, в котором концентрация метана отвечает равновесной концентрации растворения гидрата ср; II — диффузионный ПС, III — турбулентная гидросфера
дна в объем воды происходят плавно, обычно используется прием, изложенный в [10]. Он заключается в том, что вблизи дна выделяется тонкий диффузионный пограничный слой (ПС), для которого считают, что весь перенос осуществляется только молекулярной диффузией. Вне этого ПС существует только конвективный перенос с коэффициентами конвективной диффузии на порядки величин, превышающими молекулярную диффузию [12, 13].
Толщина диффузионного ПС 8 зависит от скорости и турбулентности придонных вод. Согласно данным работ [6, 11], для условий вулкана "Хакон—Мосби" обсуждаемая величина имеет порядок 8 ~ 1 мм.
Изучение метановых гидратов на подводном вулкане "Санкт-Петербург" [3] показало, что, как правило, поверхность метанового гидрата покрыта тонким слоем осадка. С целью оценки толщины слоя осадка, покрывающего метановый гидрат, ГОА "Мир-2" совершил несколько столкновений с дном путем управляемой потери плавучести и удара лыжами о грунт. Во всех случаях ощущался жесткий удар, который свидетельствует о монолитности залежи метанового гидрата. В результате удара на поверхности грунта оставался четкий след очень незначительной глубины, очевидно, в сил
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.