ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2014, № 4, с. 70-85
УДК 550.3+551.26
РАЗЛОМООБРАЗОВАНИЕ И УСЛОВИЯ СТАБИЛЬНОСТИ ГАЗОВЫХ ГИДРАТОВ В ОСАДКАХ ОЗЕРА БАЙКАЛ
© 2014 г. А. Я. Гольмшток
Институт океанологии им П.П. Ширшова РАН (филиал), г. Санкт-Петербург E-mail: golmshtok@gmail.com Поступила в редакцию 04.07.2013 г.
Решается задача о фазовом переходе гидрат метана—метан-газ в пористой осадочной среде. Используя полученное решение, исследуется влияние разломообразования на условия стабильности содержащихся в осадках газовых гидратов. Для этого выполняется численное моделирование фильтрационного и теплового режимов осадочного покрова Центральной впадины озера Байкал в зоне аномального поведения кажущейся сейсмической границы — BSR, как правило, ассоциируемой с нижней границей зоны стабильности газовых гидратов в осадках. Предполагается, что такое поведение обусловлено тектоническим воздействием.
Результаты расчетов свидетельствуют, что предложенная модель возникновения аномальной области с полным разложением ранее содержавшихся там гидратов является вполне правдоподобной. Показано, что разложение газовых гидратов в осадках вследствие разломообразования и последующий подъем продуктов этой трансформации к поверхности дна по возникающему каналу, могут привести к формированию обширного скопления гидратов на дне озера. Показано также, что если бы весь свободный газ, покинувший зону разложения, достиг поверхности озера c нормальными давлением и температурой, его объем мог бы быть эквивалентен запасам среднего газового месторождения.
Результаты моделирования последствий нарушения условий стабильности газовых гидратов в осадках озера Байкал можно считать справедливыми и для других областей с гидратсодержащими осадками с учетом конкретных условий и масштаба тектонической активности.
Ключевые слова: задача о фазовом переходе, газогидраты, разломообразование. DOI: 10.7868/S0002333714040036
1. ВВЕДЕНИЕ
Широкое распространение газовых гидратов (в основном, гидратов метана) в осадках Мирового океана и содержание в них огромных запасов простейших углеводородов позволяет рассматривать их как экологически чистые источники энергии недалекого будущего [КуепуоЫеп, 1993]. Изменение термобарических условий существования гидратов может вызвать дестабилизацию содержащих их осадочных образований, вследствие чего могут возникнуть гигантские оползни на континентальном склоне, просадки грунта и обрушения склона. Такие проявления обнаружены во многих районах Мирового океана. Вышеизложенное свидетельствует о несомненной актуальности исследований условий стабильности газовых гидратов в морских отложениях.
Скопления газовых гидратов в донных осадках обнаруживаются, как правило, в аккреционных призмах современных активных континентальных окраин, а также в других тектонически активных глубоководных осадочных бассейнах, например, на озере Байкал. В таких областях известны
многочисленные гидратопроявления непосредственно на дне или вблизи него, всегда приуроченные к очагам разгрузки флюидов, проводниками которых служат разломы, действующие и в настоящее время [КуептоЫеп, 1993; Гинсбург, 1994; Магшепко, 2003; Соловьев, 2004]. На дне поперечные размеры скоплений газовых гидратов могут достигать сотен метров и даже первых километров [Гинсбург, 1994]. Все очаги разгрузки флюидов на дне имеют в плане изометричную форму.
При разломообразовании осадочный материал подвергается дроблению и интенсивной трещи-новатости. Несмотря на пластичность молодых слабоуплотненных песчано-глинистых отложений, содержащих газовые гидраты, образующиеся в разломах многочисленные трещины "отрыва", заполненные песком [Семинский, 2001], обеспечивают высокие пористость и гидравлическую проницаемость осадочного материала в зонах нарушений. Поскольку упомянутые очаги разгрузки флюидов на дне моря в плане всегда изометричны, можно предполагать, что подводящие флюидопроводники образованы пересекаю-
щимися разломами и поэтому области пересечения характеризуются особенно большими значениями этих параметров [Гольмшток, 20086].
Каждая зона дробления возникает в результате многократных актов проявления разломной деятельности. Исследование таких зон показывает, что в зависимости от геодинамической обстановки интервал между повторными движениями по разлому может меняться от первых лет и даже месяцев, до многих сотен лет в период активной фазы формирования нарушенной зоны [Теркот, 1985]. В осадочном слое, поровое пространство которого полностью или частично насыщено водой и все поры гидравлически связаны, образование раз-ломной зоны должно изменить существовавшие до этого распределения порового давления и температуры.
В осадках с газогидратами изменение давления и температуры способно нарушить условия стабильности газовых гидратов, вызвать их фазовое превращение и инициировать смещение границ зоны этой стабильности с заметной трансформацией ее геометрии.
Особенность разложения газового гидрата в пористой среде состоит в том, что значительная масса высвобождаемого газа оказывается заключенной в весьма ограниченном объеме. На примере решения автомодельной задачи о фазовом переходе при тепловом воздействии на границу однородного полупространства, заполненного материалом с низкой пористостью и значительной насыщенностью пор гидратом метана, Р.И. Нигматулиным с соавторами показано, что в такой среде (поровая вода неподвижна) могут развиться аномально высокие давления [Нигма-тулин, 1998; 1999]. Очевидно, что такие давления должны существенно замедлять сам процесс фазового перехода или препятствовать его протеканию.
Несмотря на приуроченность поверхностных скоплений газовых гидратов к выходящим на дно разломам, механизм воздействия разрывной тектоники на стабильность газовых гидратов практически не изучен. Исследуем эту проблему на примере гидратопроявлений в осадочном покрове озера Байкал, где методом многоканального сейсмического профилирования, выполненного нами в 1989 и 1992 годах [Golmshtok, 2000], была выявлена кажущаяся сейсмическая граница или BSR ("bottom simulating reflection"), по всем признакам соответствующая подошве зоны стабильности гидратов метана. Было установлено, что BSR присутствует в Южной и Центральной впадинах Байкала во всех областях, где глубина озера превосходит 500—700 метров. Глубина BSR, изме-
ренная относительно дна, изменяется здесь от 35—40 до 450 метров.
Наличие газовых гидратов, предсказанное по результатам сейсмических исследований, было позднее подтверждено глубоководным бурением в Южной впадине в 1997 году [Кузьмин, 1998], про-боотбором [Ма^ееуа, 2003] и недавно с помощью глубоководных обитаемых аппаратов "Мир".
В сейсмических разрезах вдоль многих профилей наблюдаются области с аномальным поведением Б8Я, связываемым нами с влиянием разрывной тектоники ^^тз^ок, 2000]. Наиболее яркая аномалия отмечается на сейсмическом профиле Б92-13 вдоль оси Центральной впадины озера (врезка к рис. 2) и, как нам представляется, она является подходящим объектом для того, чтобы путем численного моделирования исследовать степень влияния описанных выше тектонических процессов на условия стабильности гидратов метана в осадках озера и оценить их роль при формировании донных скоплений газогидратов. Так как заметные искажения давления и температуры должны происходить вблизи областей нарушений, моделирование необходимо выполнять путем решения в общем случае трехмерной задачи о фазовом переходе, учитывая фильтрацию поро-вой воды и газа. Принимая это во внимание, сформулируем основные соотношения для задачи о фазовом переходе гидрат метана—метан-газ в осадочной среде, которые далее будем использовать при численном моделировании.
2. ФАЗОВОЕ ПРЕВРАЩЕНИЕ ГАЗОВЫХ ГИДРАТОВ В ОСАДКАХ
2.1. Свойства среды
Будем считать, что активная пористость ф осадков изменяется как в пространстве, так и во времени, т.е. ф = ф(х, у, г, 0.
Увеличение температуры в среде или/и уменьшение в ней давления может вызвать диссоциацию газовых гидратов, а также смещение фазовой границы (подошва гидратсодержащих осадков). Разложение гидратов сопровождается выделением в осадки дополнительной воды и свободного газа-
метана. Доля газового гидрата 5н в поровом пространстве уменьшается от 8Й к началу диссоциации до нуля после ее полного завершения, завися от температуры Ти давленияр в поровой воде, меняющихся в процессе разложения. При этом массовая доля воды, выделяющейся при диссоциации гидрата метана, составляет у = (0.87—0.88), тогда как массовая доля выделяющегося свободного метана-газа равна 1 — у = (0.12—0.13) [Дядин, 1998].
Если принять в рамках нашей задачи (аналогично тому, как это было сделано в работе [Ниг-матулин, 1999]), что механические свойства гидрата метана не отличаются от аналогичных свойств скелета осадка, то твердое вещество заполняет относительный объем 5s = 1 - (l -5h) ф, а доля пространства, свободного от твердого вещества, или эффективная пористость фе равна
фе = 1 -5 ^ = (1 -5 h )ф. (1)
Пусть sw — насыщенность водой свободного порового пространства, а sg = 1 - sw — насыщенность этого пространства газом, причем насыщенности могут изменяться в пространстве и во времени. Доли воды и газа в единичном объеме осадка составляют при этом 8 w = ф^, 5 g = ф esg.
Поскольку при разложении газового гидрата в пористой среде может развиваться достаточно высокое давление газа, то часть воды будет вытесняться из поровых каналов, а часть газа в соответствии с законом Генри будет растворяться в поро-вой воде. Последнее должно вести к возрастанию насыщенности пор водой и соответствующему уменьшению насыщенности газом. Принято считать, что растворенный в поровой воде газ незначительно изменяет плотность поровой жидкости, поэтому будем полагать эту плотность pw везде постоянной.
Проницаемость пористой среды для воды и газа будем определять, используя формулу Козени— Кармана [Kozeny, 1927; Carman, 1937]. При этом заменим там полную пористость ф на эффективную фе. Имеем для воды
_( e)
(Фа )
ч2'
(2)
(1 - Фс)2
где к0 — коэффициент, зависящий от структуры осадка и имеющий размерность площади.
Следуя Л.С. Лейбен
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.