Геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых
Воробьев А.Е., доктор технических наук, профессор Российского университета дружбы народов Чекушина Т.В., кандидат технических наук, доктор экономических наук, доцент Института проблем комплексного освоения недр Российской академии наук
Синченко А.В., аспирант Российского университета дружбы народов
МЕХАНИЗМЫ И ПУТИ ОБРАЗОВАНИЯ МЕТАНА В ЛИТОСФЕРЕ*
Приведена общая классификация метана по происхождению. Выделены группы источников метана. Рассмотрено содержание углеводородов в материнских и осадочных породах.
Ключевые слова: метан, источники метана, материнская порода, геология, горная порода.
METHANE IN LITHOSPHERE - THE WAYS HOW IT'S FORMED
The general classification of methane by its origin has been provided. Groups of methane sources have been highlighted. Hydrocarbon content in basement and sedimentary rocks has been discussed.
Keywords: methane, methane sources, basement rock, geology, rock.
В природных средах углеводородный газ обычно присутствует в свободной, растворенной, адсорбированной, абсорбированной и капиллярно-конденсированной формах. В частности, в атмосферном воздухе содержание метана в свободной форме достигает величины 1,210-4 об.%, 'содержание прочих углеводородов довольно незначительно.
В почвенном воздухе содержатся пары воды и микроконцентрации углеводородных газов (CH4, C2H4), а также другие летучие органические компоненты (спирты и эфиры). Среднее содержание метана в почвенном газе может достигать значение 0,03 об.%.
В материнских породах (в земной коре) суммарное содержание углеводородов составляет значение 0,01 об.%, а в осадочных породах их среднее содержание доходит до 0,25-0,30 кг/м3.
Первоначально целесообразно привести общую классификацию метана по его происхождению:
■ абиогенный - который был образован в результате химических реакций неорганических соединений;
■ биогенный - был образован в результате химической трансформации органического вещества;
■ бактериальный (микробный) - был образован в результате жизнедеятельности бактерий;
■ термогенный - был образован в ходе термохимических процессов.
Метаногенез, биосинтез метана - процесс образования метана анаэробными археями, сопряженный с получением ими энергии.
В настоящее время известно три типа метаногенеза :
* Работа выполнена в рамках ФЦП ««Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.» по Гос.контракту № 14.B37.21.1254 от 21 сентября 2012 г.
■ восстановление одноуглеродных соединений с помощью молекулярного водорода или 2-х и более углеродных спиртов;
■ диспропорционирование одноуглеродных соединений;
■ диспропорционирование (кажущееся декарбоксилирование) ацетата.
Из них наиболее хорошо изучен процесс восстановления углекислого газа до метана [2]:
CO2 + 4H2 ^ CH4 + 2H2O (1)
Одним из значимых путей поступления метана в биосферу является океаническое дно.
Источники метана на дне Мирового океана известны с начала 1980-х годов. Их можно разделить на 2 основные группы.
Первая группа представлена локальными аномалиями в морской воде, связанными с действующими высокотемпературными (до 400 0С) гидротермальными источниками («black smokers»). Эти источники широко распространены в пределах срединно-океанических хребтов (СОХ) и в задуговых центрах спрединга [2].
Вторая группа представлена интенсивными метановыми аномалиями (с содержанием СН4 до 50 нмоль/кг), не сопровождающимися аномально высокими содержаниями марганца, но обнаруживающими повышенные содержания водорода (до 13 ммоль/кг) и приуроченными к выходам массивных мантийных гипербазитов вблизи некоторых океанических трансформных разломов Срединно-Атлантического хребта (САХ).
Генерация метана в этих аномалиях связывается в основном с серпентинизацией мантийных перидотитов.
В ходе протекающих процессов серпентинизации интенсивность выделения метана существенно зависит от количественного значения отношения вода : порода (В:П) [2]. Так, при довольно небольших значениях этого отношения фугитивность кислорода в системе буфери-руется вмещающей породой и остается низкой, свойственной мантийным перидотитам (примерно QFM+1 лог. ед. и ниже), тогда как при высоких величинах этого отношения фугитив-ность кислорода буферируется морской водой и становится сравнительно высокой (примерно отвечающей буферу HM и выше) [1].
Таким образом, при высоком отношении значения В : П серпентинизация перидотитов должна сопровождаться их существенным окислением, а при низком - нет. В частности, при температуре, равной 300°С, и буфере Ni-NiO доминирующей формой присутствия углерода во флюидах будет CH4, а при буфере НМ - уже CO2.
В общем случае, в обстановке океанического метаморфизма отношение В:П, как правило, уменьшается с глубиной и с ростом значения температуры [3]. Однако в оптимальном интервале температур для процессов серпентинизации (150-350 °С) величина отношения В:П зависит главным образом от проницаемости массива вмещающих горных пород, обусловленной их тектонической нарушенностью - трещиноватостью.
В этом контексте возможны 2-е контрастные геологические ситуации.
Первая ситуация отвечает относительно высокой проницаемости массивов горных пород. В пределах СОХ эта ситуация наиболее отчетливо реализуется в бортах активных долин крупных трансформных разломов, где устанавливаются признаки просачивания морской воды в литосферу на глубину порядка 20 км [4].
Судя по величине 87Sr / 86Sr в перидотитах, величина отношения В:П при серпентинизации могло превышать 10,000. Минимальное значение отношения В:П (около 300) при сер-пентинизации перидотитов следует из сопоставления среднего содержания урана в серпен-тинизированных перидотитах (примерно 1 ppm [5]) и среднего содержания урана в морской воде (3,2 10-3мг/л).
Вторая ситуация отвечает более низкой проницаемости массивов горных пород. В принципе, низкая проницаемость массива горных пород должна вести к их серпентиниза-
ции при низком значении отношения В:П. Следствием серпентинизации в таких условиях должен быть ее определенной изохимический характер, минералогически проявляющийся в присутствии в перидотитах ассоциирующих с серпентином брусита (по крайней мере, в гарцбургитах) и диопсида [2].
Таким образом, в соответствии с известными теориями происхождения метана (абиогенная, биогенная, бактериальная и термогенная) в поверхностные воды, как правило, поступает биогенный метан, а в океанические воды - метан, образующийся в результате серпентинизации мантийных перидотов (в частности, при серпентинизации 1 км3 перидотита выделяется 2,5*105 т СН4).
ЛИТЕРАТУРА
1. Файф У., Прайс Н., Томпсон А. Флюиды в земной коре. М.: Мир, 1981,436 с.
2. Дмитриев Л.В., Базылев Б.А., Силантьев С.А., Борисов М.В., Соколов С.Ю., Буго А. Образование водорода и метана при серпентинизации мантийных гипербазитов океана и происхождение нефти // Российский журнал наук о Земле. Т. 1. №6, 1999.
3. Силантьев, С.А.Метаморфические породы дна Атлантического океана. М.: Наука, 1984. 115 с.
4. Базылев Б.А. Метаморфизм гипербазитов из разломной зоны Атлантис (Атлантический океан): Свидетельство глубокого проникновения воды в океаническую литосферу //Доклады РАН, 323,(4), 1992. - С.741-743.
5. Vinogradov A.P., Dmitriev L.V. and Udintsev G.B. Distribution of trace elements in crystalline rocks of rift zones,Phil. Trans. Roy. Soc., London,1971. A 268, pp.487-491.
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.