ЛИТОЛОГИЯ И ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ, 2009, № 5, с. 483-492
УДК 553.6+551.2
ГАЗОГИДРАТЫ В ОСАДОЧНОМ ЧЕХЛЕ ПАССИВНЫХ ОКЕАНИЧЕСКИХ ОКРАИН: ВОЗМОЖНОСТИ ПРОГНОЗА ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВОЙ АЛЬТИМЕТРИИ В АТЛАНТИКЕ И АРКТИКЕ
© 2009 г. С. Ю. Соколов, А. О. Мазарович
Геологический институт РАН 119017 Москва, Пыжевский пер., 7;
E-mail: sysokolov@yandex.ru, amazarovich@yandex.ru Поступила в редакцию 24.12.2008 г.
Проведен анализ фактических данных по акустическим признакам флюидных проявлений, отрицательным гравитационным аномалиям, рассчитанным на основе спутниковой альтиметрии, тектоническим деформациям и находкам ультраосновных пород и серпентинитов. Эти данные устойчиво формируют в Атлантике субширотные группы, которые прослеживаются поперек акватории океана. Полученная картина выявляет следующую причинно-следственную цепочку процессов: 1 - тектонические деформации - >2 - серпентинизация ультраосновных пород и генерация метана - >3 - аккумуляция газогидратов в осадочном чехле у континентальной окраины. 2-ой процесс сопровождается формированием отрицательных гравитационных аномалий, а 3-ий - специфическим отображением флюидов в акустическим волновом поле. Это создает основу для прогноза наличия газогидратов по редукциям данных спутниковой альтиметрии и картам осадочного чехла регионального масштаба в Атлантике и Арктике.
ПРЕДПОСЫЛКИ МЕТОДА ПРОГНОЗА
В начале 1980-х годов на дне Мирового океана были исследованы два типа источников абиогенного метана. Первый тип связан с высокотемпературными (до 400°С) гидротермальными системами, приуроченными к осевым частям средин-но-океанических хребтов (СОХ), описание которых можно найти в многочисленных публикациях, например [Rona, Scott, 1993]. Тектонические особенности расположения этих систем свидетельствуют об их взаимосвязи с областями повышенной трещиноватости коры в области СОХ, облегчающей циркуляцию вод [Мазарович, Соколов, 1998], что выявляется, в частности, по зонам пониженного фона сейсмичности с магниту-дами более 3 по шкале Рихтера [Mazarovich, Sokolov, 2002]. По ряду геохимических признаков [Charlou et al., 1998] метан этого типа образуется в результате взаимодействия морской воды преимущественно с базальтами.
Генерациея метана второго типа, а также водорода происходит в процессе серпентинизации мантийных перидотитов [Charlou et al., 1991, 1998; Donval et al., 1997; Симонов и др., 1999] и приурочена к выходам массивных мантийных гипербази-тов вблизи некоторых трансформных разломов Срединно-Атлантического хребта (САХ). В работе [Charlou et al., 1998] сделан вывод о том, что такие явления обычны для участков САХ, где в условиях медленного спрединга и низкопродуктивного базальтового магматизма образуется ко-
ра с широким распространением остаточных мантийных гипербазитов (кора "Хессовского типа" [Cannat et al., 1995]).
В работе [Дмитриев и др., 1999] приведены данные по геохимическим особенностям процесса серпентинизации и количественной оценке потенциальных объемов генерации метана - из 1 км3 ультраосновной породы, участвовашей в реакции, было выделено - 2.5 х 105 т метана при отношении вода/порода равном 2 и содержании в морской воде в среднем 2.4 ммоль/кг углекислоты. Оптимальный температурный диапазон для данного процесса - 150-350°С при наличии проницаемости пород, обусловленной их тектонической трещиноватостью. Величина отношения вода/порода может меняться в диапазоне от первых десятков до нескольких тысяч в зависимости от геодинамической обстановки, формирующей трещиноватость. Постепенное погружение изотермы 400°С от СОХ к пассивным окраинам увеличивает эффективную мощность слоя потенциальной генерации метана. Таким образом, по мере удаления от СОХ главным фактором, влияющим на процесс, является наличие тектонических деформаций, формирующих систему трещин, и доступ к воде с необходимым количеством растворенной углекислоты.
В работе [Дмитриев и др., 1999] также приведена оценка объема метана, который может образоваться в процессе аккреции литосферы Атлантического океана в сегменте от экватора до
483
3*
~35° с.ш. Эффективная глубина подошвы слоя, где может происходить серпентинизациия, с приближением к пассивной окраине океана с возрастом около 150-170 млн лет может достигать 1015 км. При этом литосферные перидотиты, не испытавшие серпентинизации под осевой зоной СОХ, где по статистике драгирования [Дмитриев и др., 1999] выходы перидотитов составляют примерно 10% площади, за его пределами остывают до температур, при которых становится возможной их серпентинизация. Площадь коры "Хессов-ского типа" при ширине океана порядка 4000 км и протяженности параллельно оси хребта 3000 км равна 12 х 106 км2. Принимая среднюю мощность пород, где возможна дополнительная серпентинизация, равной 5 км при содержании в их составе перидотитов в 10%, "объем слоя потенциальной серпентинизации составит 6 х 106 км3 с выделением 3 х 1012 т Н2 и 1.5 х 1012 т СН4, что близко к оценкам, сделанным для открытой рифтовой зоны. Это означает, что общий баланс выхода водорода и метана при формировании литосферы с пассивными окраинами может быть удвоен по сравнению с оценкой для открытой рифтовой зоны" [Дмитриев и др., 1999, стр. 515].
Существует проблема доступа океанской воды к неизмененным перидотитам, так как они перекрыты слоем серпентинитов, метагаббро, мета-базальтов и вышележащим чехлом осадков. В этом случае проницаемость коры в сильной степени зависит от наличия в ней трещин и разломов разного масштаба, что контролируется тектоническим режимом внутри океанических плит. Согласно [Мазарович, Соколов, 1998], их формирование сопровождается постоянной сменой тектонических напряжений разного направления, осложненных периодическими проявлениями магматизма.
Осадочный чехол на магматическом субстрате препятствует просачиванию воды в фундамент. Однако в случае быстрого образования осадочного чехла вода захороняется вместе с осадками и может поступать в фундамент по системе трещин, образованных в субстрате. Обычно осадочный чехол играет роль флюидоупора, препятствующего дегазации водорода и метана и способствующего их аккумуляции, в частности, в виде газогидратов.
"В целом данная обстановка не благоприятствует развитию процесса серпентинизации из-за дефицита воды, проникающей в фундамент. Однако именно дефицит воды позволяет предполагать, что если в этой обстановке происходит серпентинизация перидотитов, то она протекает при низком отношении вода/порода и сопровождается максимальным уровнем генерации водорода и метана" [Дмитриев и др., 1999, стр. 515].
Ультраосновные породы, состоящие из минералов с плотностью около 3.25 г/см3 в процессе их серпентинизации замещаются породами с плотностью около 2.55 г/см3, то есть происходит уменьшение на 20 % их плотности, а, следовательно, и увеличение объема [Физические..., 1984]. Данный фактор может являться одним из поисковых признаков при прогнозе скоплений метана на акваториях в осадочном чехле. При уменьшении плотности на 0.7 г/см3 и мощности серпентинитового слоя до 5 км максимальная величина гравитационных аномалий, связанных с зонами серпентинизации, может достигать 140 мГал по сравнению с зонами, где ультраосновные породы не подвержены изменениям. Особо отметим, что это оценка верхнего предела и касается она аномалий Буге и их пересчета в остаточные аномалии, а не аномалий в свободном воздухе, в которых гравитационный эффект рельефа еще не компенсирован. Данная величина более чем на порядок превышает оценку точности гравитационных аномалий, полученных для акватории Мирового океана по данным спутниковой альтиметрии и равную 7-10 мГал [Sandwell, Smith, 1997]. Исследование гравитационного поля дна океана по спутниковым данным позволит выявить области, где прогноз обнаружения зон серпентинизации и генерации метана является положительным. Данное исследование, проведенное на акватории хорошо изученной Атлантики с подтвержденным наличием газогидратов, драгированных серпентинитов и метановых аномалий в воде, коррелируемых с гравитационными аномалиями, позволит сделать по аналогичным аномалиям прогноз для акватории Арктики.
МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ ГРАВИТАЦИОННЫХ ДАННЫХ
Данные альтиметрии [Sandwell, Smith, 1997] представляют собой высоты уровня океана, пересчитанные в гравитационные аномалии в свободном воздухе. Основной вклад в вариабельность этих аномалий вносится рельефом дна, а на долю плотностных неоднородностей приходится около 35%. Первым шагом в обработке данных является расчет аномалий Буге, физический смысл которых состоит в удалении гравитационного влияния рельефа из данных альтиметрии. Рельеф измерен эхолотными промерами и является независимым параметром [ETOPO5, 1993], никак не связанным с альтиметрией, что делает расчет объективным. Вариабельность аномалий Буге связана в основном с плотностными неоднород-ностями коры и мантии. Для большинства геологических задач интерес представляют неоднородности коры, создающие аномалии с поперечными размерами до 30-35 км. По приблизительным, но весьма эффективным оценкам поперечные раз-
-80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10
Рис. 1. Остаточные аномалии Буге в Атлантическом океане.
меры и глубина источника аномалии соотносятся как 3 к 1, а при средней глубине океана 4 км и мощности коры 5-7 км мы получим именно эти поперечные размеры. Размеры аномалий, создаваемых температурными неоднородностями в мантии, существенно превышают указанные значения. В неразделенном виде гравитационный эффект коры в сильной степени маскируется влиянием мантии, которое устраняется путем введения компенсации за термические эффекты. Оставшаяся часть аномалий, называемая остаточными аномалиями Буге, представляет эффект коровых неоднородностей в максимальной степени "очищенный" от влияния других факторов (рис. 1).
Полученные аномалии отражают влияние переменных мощности и плотности коры, в общем виде неразделяемых используемыми редукциями гравитационного поля. Предложен способ расчета аномалий, в которых эффект плотност-ных вариаций был бы выражен в максимальной степени. Суть его состоит в том, что осуществляется вариационный подбо
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.