Газогидраты пресноводного «океана»

Все результаты, опубликованные в этой статье, были получены международной командой ученых, работавших по российско-бельгийскому проекту при поддержке INTAS, СО РАН и РФФИ (1998–2004 гг.).

Руководители проектов:
член-корреспондент Бельгийской Королевской академии морских наук, почетный профессор СО РАН Ян Клеркс (г. Тервюрен, Бельгия);
профессор морской геологии, седиментологии и геодинамики Марк Де Батист (г. Гент, Бельгия);
кандидат биологических наук, ученый секретарь и старший научный сотрудник лаборатории микробиологии Лимнологического института СО РАН Тамара Ивановна Земская (г. Иркутск, Россия);
кандидат географических наук, заведующий лабораторией гидрологии и гидрофизики Лимнологического института СО РАН Николай Григорьевич Гранин (г. Иркутск, Россия).

Метан в «Клетке»

На непосвященный взгляд, газовые гидраты представляют собой обычные грязноватые комочки льда. На самом деле это уникальная твердая смесь газа и воды, в которой молекулы газа «впаяны» в каркас из молекул воды. При этом объемное содержание газа может достигать 150—180 единиц на единицу объема гидрата!

В природе газогидраты образуются в глубоководных осадках морей и океанов и в районах вечной мерзлоты – главным образом из углеводородных газов, чаще всего метана. Присутствие газогидратов в вечной мерзлоте было предсказано по данным каротажа скважин и затем обнаружено во многих арктических районах Азии, Северной Америки и Европы, где мерзлые породы распространяются на глубину более 250 метров. Подавляющее же большинство скоплений газогидратов находится в глубоководных акваториях морей и океанов, в основном на континентальных склонах и подводных поднятиях, в условиях высокого давления и низких температур.

Газогидраты образуются в консолидированных и рыхлых осадках в пределах зоны, где они могут находиться в состоянии термодинамической устойчивости. Это так называемая зона стабильности гидратов (ЗСГ), которая в морских донных отложениях на средних и низких широтах прослеживается на глубинах свыше 500 м, а на высоких широтах – начиная с глубины около 200 м или глубже, в зависимости от местных температурных условий.

В районах вечной мерзлоты Аляски, Канады и России гидраты метана формируются при невысоком давлении и низких температурах, образуя сложные криогенные образования из обычного льда и собственно гидратов. Зона стабильности льда в этих районах начинается непосредственно от поверхности земли (около 0 °C). Зона же стабильности гидратов находится ниже: верхняя ее граница определяется средней температурой поверхности, внешним давлением и температурным градиентом, нижняя – опускается ниже границы зоны стабильности льда.

Наказание или Благо?

Интерес к природным гидратам метана в последнее время значительно возрос в связи с исследованиями в области климата и природной среды, а также по ряду экономических причин.

Во-первых, гидраты, содержащие огромные количества метана, являются источником так называемого «парникового» газа, способного вызвать глобальные изменения природной среды и климата. Кстати сказать, эффектив­ность метана как парникового газа в 21 раз превышает эффективность углекислого газа! Поскольку газогидраты существуют на границе фазовой устойчивости, то даже незначительные изменения температуры и давления ведут к их необратимому разрушению с выделением метана. Выделение большого количества метана может ускорить глобальное потепление в десять и даже в сто раз, что, в свою очередь, вызовет дальнейшее разложение природных гидратов. Полярные и приполярные районы Северного полушария, где сосредоточены большие запасы газогидратов, являются, таким образом, зонами повышенного экологического риска.

Подавляющее большинство скоплений газогидратов было найдено в глубоководных акваториях внутренних и окраинных морей, в условиях высокого давления и низких температур

Но это не единственная опасность, которая может исходить от газогидра­тов. Дестабилизация газогидратов на континентальных склонах, спровоцированная изменениями температуры придонных вод или падением уровня моря, может стать причиной подводных оползней. Последние, в свою очередь, могут вызвать цунами и катастрофическое затопле­ние прибрежных районов. И хотя процесс возникновения подводных оползней под влиянием газогидратов понят еще не до конца, они, тем не менее, представляют собой источник геологической опасности в морях и океанах.

Но в любом деле есть и свои светлые стороны. Ведь метан является источником органического углерода, а его общее расчетное количество в виде в гидрата превышает 10¹⁹ г – больше, чем во всех залежах планеты вместе взятых. Поэтому газогидраты рассматриваются как возможный альтернативный источник энергетического сырья, потенциальное топливо будущего. Причем самого ближайшего будущего, что предполагает промышленное освоение запасов газовых гидратов в Мировом океане уже в следующие десятилетия.

Байкальские Открытия

В последние десятилетия скопления газовых гидратов найдены во многих уголках Мирового океана. Это не мог­ло не привлечь внимания геологов и геофизиков, изуча­ющих донные осадки пресноводного «океана» Байкал. Как уже говорилось, для образования газогидратов в донных отложениях водоемов требуются определенные условия. Осадки должны содержать достаточное количество газа и воды, а главное – находиться под большим давлением и при низкой температуре, т. е. при глу­бине воды свыше 500 или даже 700—800 м. Именно такие условия характерны для глубоководных районов Байкала. При этом концентрации метана должны быть особенно высоки в местах впадения рек, в частности, вблизи дельты Селенги. Это связано с тем, что притоки озера несут с собой большое количество органического вещества, которое осаждается на дне и в донных отложениях преобразуется в метан.

Косвенные признаки присутствия газогидратов в осадках можно обнаружить по данным непрерывного сейсмопрофилирования методом отраженных волн. Поскольку осадки, содержащие газогидраты, отличаются по физическим свойствам от нижележащих слоев, на профиле возникает кажущаяся отражающая граница, соответ­ствующая по форме контурам поверхности дна*.

На Байкале такие границы, отождествляемые с ниж­ней границей газогидратного слоя, впервые заметил А. Гольмшток во время российско-американских сейсмических исследований осадочного наполнения Байкальской впадины (1989—1992 гг.). Эти границы, выявленные и прослеженные на большой площади к северу и к югу от дельты Селенги, были первыми свидетель­ствами присутствия газогидратов на Байкале. А в 1997 году в буровом керне в ходе работ по проекту «Байкал-Бурение» (под руководством академика М. И. Кузьмина, директора Иркутского института геохимии СО РАН) были обнаружены сами кристаллы. Образцы были подняты с глубин 120 и 160 м под поверхностью дна. Это открытие окончательно подтвердило, что донные отложения Байкала действительно содержат газовые гидраты.

Из Бельгии и Санкт-Петербурга – на Байкал

Внимание исследователей байкальских донных осадков привлекла необычная форма границы ЗСГ. Уже А. Гольмшток заметил, что на сейсмических профилях она, против обыкновения, не повторяет в точности рельефа дна. Граница имела неровную форму и местами прерывалась вблизи разломов. Гольмшток предположил, что в этих местах устойчивость гидратов нарушена, газогидратный слой прерывается и метан прорывается на поверхность дна озера.

Чтобы получить точное изображение рельефа дна, коллективом российских и бельгийских ученых было решено провести сейсмопрофилирование донных отложений с высоким пространственным разрешением в сочетании с локацией бокового обзора. Проект был профинансирован фондом INTAS, а экспедицию под руководством профессора Марка Де Батиста (университет г. Гента) организовал Лимнологический институт СО РАН (г. Иркутск).

Летом 1999 года были получены детальные разрезы ЗСГ в Южно-Байкальской котловине южнее дельты Селенги, на которых хорошо видны уча­стки нарушенного слоя газогидратов и вертикальные каналы, по которым газ поднимается вдоль разломов к поверхности дна. На снимке, сделанном с помощью локатора бокового обзора специалистами из ВНИИ океанологии (г. Санкт-Петербург), видна цепочка газовыделяющих структур, очень похожих на грязевые вулканчики. Эта цепочка, около 2 км шириной, тянется вдоль зоны разломов, где глубина воды достигает 1350 метров.

«Газировка» из Вулканов

Грязевые вулканы – это донные структуры, напоминающие по форме обычные вулканы. Они появляются, когда вода, газ и ил выталкиваются из нижележащих слоев на поверхность дна моря под действием напряжения, накопленного на глубине. Во время извержений и даже в период затишья такие грязевые вулканы выбрасывают большие количества жидкости и газа. Их можно часто увидеть в тектонически активных районах или в зонах быстрого осадконакопления. Грязевых вулканов особенно много в Черном и Каспийском морях.

Грязевые вулканы по форме очень напоминают обычные. Но, чтобы убедиться в этом, нужно запастись специальным оборудованием или опуститься под воду. Выбрасывая струи жидкости и газа высотой до 25 метров, они проявляют себя на поверхности воды лишь лопающимися пузырьками газа

На сонограммах байкальских грязевых вулканов видны струи длиной около 25 м, направленные от источников газа. Химический анализ воды действительно показал повышенное содержание метана в этих струях. Это открытие очагов разгрузки газа на дне Байкала позволило предположить, что внутри грязевых вулканов могут находиться приповерхностные газогид­раты, как, например, в Черном море.

Само название «приповерхностные газогидраты» предполагает, что они находятся в самых верхних слоях донных отложений. Поэтому образцы для исследований были подняты грунтовыми трубками непосредственно над выходами газа. Эти места были заранее определены благодаря предварительному отбору проб со льда во вре­мя зимней экспедиции 2000 года под руковод­ством Я. Клеркса, организованной Лимнологическим институтом СО РАН.

Из одного грязевого вулкана, с глубины от 15 до 40 см ниже дна, удалось извлечь слой газогидратов мощностью 10 см, состоящий из крупных кристаллов размером до 7 см. Очевидно, что мелкие кристаллики газогидратов содержались в керне и других местах, судя по строению осадочной толщи и другим показателям. Однако они, к сожалению, разрушились во время подъе­ма колонок на поверхность.

Донные отложения Байкала представляют собой чередующиеся слои глин и темно-серого ила, насыщенного остатками диатомовых водорослей. Обнаружилось, что диатомовые слои вблизи грязевых вулканов содержат виды, вымершие почти 3 млн лет назад. В обычной последовательности осадочных слоев горизонт, содержа­щий эти водоросли, должен находиться на глубине около 300 метров. Но, как это обычно бывает в грязевых вулканах, флюиды, образующиеся на такой глубине, поднимаются к поверхности и во время извержений выносят осадочный материал наверх. Неудивительно, что и глубоко захороненные диатомовые водоросли были подняты к поверхности по каналам вулканов.

Метан и Качество Байкальской Воды

Когда было обнаружено, что из донных осадков через подводящие каналы в воду Байкала поступает метан, возник вопрос: как метан влияет на качество байкальской воды и строение водной толщи?

Изучением этого вопроса активно занялись в последние годы. На дне вблизи источников газа было отмечено лишь небольшое повышение содержания метана, а наиболее высокие концентрации обнаружились в верхних 25—50 м воды. Выяснилось, что метан из донных очагов разгрузки оказывает гораздо меньшее влияние на химический состав воды, чем метан из поверхностных источников. Распределение метана по площади в поверхностных водах наглядно свидетельствует о связи его поступления с речным стоком.

С другой стороны, данные многолетних исследований вертикального распределения физических свойств воды указывают на существование аномального слоя глубинных вод в Южно-Байкальской котловине, температура в котором возрастает с глубиной. В пробах воды из этого слоя иногда обнаруживаются повышенные концентрации метана и реже – немного сниженные концентрации кислорода. Происхождение аномального слоя связывают с перемешиванием воды под воздействием разгрузки метана из донных источников. Таким образом, метан, существенно не меняя химический состав байкальской воды, тем не менее, оказывает влияние на строение водной толщи.

Детальные исследования рельефа дна озера и строения осадочной толщи различными дистанционными методами продолжаются. Выявляются все новые выходы метана, другие участки нарушения газогид­ратного слоя и очаги разгрузки метана помимо тех, что были найдены в Южной котловине. Выяснилось, что гидраты метана содержатся в верхнем слое осадков на обширных площадях Среднего и Южного Байкала. Остается, однако, один важный вопрос: почему слой газогидратов в Байкале нестабилен? Почему метан там просачивается на поверхность дна, в то время как в морях и океанах газогидратный слой, как правило, устойчив?

Байкал – Уникален во Всем

Предположительно существует несколько причин нестабильности газогидратов. Это – быстрое накопление осадочной толщи, текто­ническое поднятие земной коры, миграция флюидов, локальное растяжение коры, оползневые явле­ния. Например, когда осадочная толща быстро нарастает, подошва зоны стабильности гидратов смеща­ется вверх, а газогидраты в нижней части слоя разрушаются. В результате про­исходит накопление свободного газа.

Район дельты Селенги – участок самого значительного поступления твердого стока на Байкале и, соответственно, самого быстрого накопления осадков. Когда активизируется один из разломов, достигающих основания зоны стабильности газогидратов, то осадочная «пробка» над областью скопления жидкости и газа может сме­ститься ниже границы BSR и флюиды могут устремиться вверх по разлому к поверхности дна. Теплые флюиды, поднимающиеся из-под нижней границы зоны стабильности гидратов, нарушают их устойчивость, и граница в результате перемещается на меньшую глубину.

История изучения выходов газа на Байкале насчитывает около полутораста лет. Выходы газа в Байкале отмечали уже первые побывавшие там путешественники. В 1868 году для изучения явления была организована специальная экспедиция.

В начале ХХ века академик В. Обручев писал: «Еще задолго до полного взламывания льда появляются на Байкале голые места, носящие у местных жителей характерное название пропарин и образующиеся, по их мнению, вследствие действия теплых подводных ключей … сейчас же после покрытия озера льдом, когда лед еще очень тонок, на местах будущих пропарин подо льдом собираются большие пузыри воздуха (газа).

Движение флюидов по каналам разломов, так же как и их направленная миграция, характерная для обстановок сжатия, оказывает дестабилизирующее влияние на газогидраты. Хотя в целом в Байкальской впадине преобла­дает напряжение растяжения, на локальных участках имеются признаки сжатия осадочной толщи. Это может приводить к дегидратации с высвобождением воды и формированию флюидных потоков. В условиях быстрого осадконакопления в районе дельты Селенги флюиды движутся в направлении минимального сжатия и накапливаются под подошвой зоны стабильности гидратов. Нижняя граница стабильности благодаря действию более высокой температуры смещается кверху. В конце концов в ней появляются нарушенные участки. В результате метансодержащие флюиды поднимаются по разломам в тектонически-активном районе Байкала и выходят на поверхность дна озера.

Если лед пробить ловким ударом пешни и подвести к отверстию зажженную спичку, то из отверстия вырывается яркое пламя, подымающееся иногда на высоту сажени, смотря по величине пузыря».
Особое внимание этому явлению уделялось в 20—30-е годы ХХ века, когда Байкал считали перспективным нефтеносным районом. Эти надежды базировались на том, что в составе газов из донных источников были обнаружены высокое содержание метана. По многим признакам, интенсивность разгрузки газов в озере значительно снизилась за последние полвека.

Эта необычная последовательность процессов, при которой метан накапливается в форме гидратов и высвобождается при нарушении их устойчивости с образованием грязевых вулканов, как и сам факт существования метановых газогидратов в условиях пресноводного водоема, — еще одно очередное свидетельство уникальности Байкала. Но главное не это. Вспомним: метан в форме гидратов, это потенциальное топливо будущего, устойчив только при низких температурах и высоком давлении. Поэтому их изучение в теплых и глубоких морях крайне затруднительно: гидраты просто «не доживают» до поверхности. Такой проблемы в холодном и глубоком озере не существует, а зимний, закованный в лед Байкал — удобная рабочая площадка для исследований. Подтверждая свой статус международной природной лаборатории, пресноводный «океан» Байкал радушно привечает на своих берегах ученых из Санкт-Петербурга и Японии, из маленькой континентальной Бельгии и с далеких берегов теплого Индийского «собрата»…

* В англоязычной литературе такие границы называются Bottom Simulating Reflectors (BSR), буквально «отражающие границы, повторяющие рельеф дна». Этот термин закрепился и у русских геологов и геофизиков, они предпочитают так и говорить: «граница BSR». – Прим. пер.

Литература

Dе Batist M., Klerkx J., van Rensbergen P., Vanneste M., Poort J., Golmshtok A., Kremlev A., Khlystov O. & P. Krinitsky. Active Hydrate Destabilization in Lake Baikal, Siberia // Terra Nova. 2002. 14(6). P. 436—442.

Гранин Н. Г., Гранина Л. З. Газовые гидраты и выходы газов на Байкале // Геология и Геофизика (Russian Geology and Geophysics). 2002. Т. 43. № 7. С. 629—637 (589—597).

Van Rensbergen P., De Batist M., Klerkx J., Hus R., Poort J., Vanneste M., Granin N., Khlystov O. & Krinitsky P. Sublacustrine mud volcanoes and methane seeps caused by dissociation of gas hydrates in Lake Baikal // Geology. 2002. 30(7). P. 631—634.

Клеркс Я., Земская Т. И., Матвеева Т. В., Хлыстов О. М., Грачев М. А., Намсараев Б. Б., Дагурова О. П., Голобоко­ва Л. П., Воробьева С. С., Погодаева Т. П., Гранин Н. Г., Калмычков Г. В., Пономарчук В. А., Шоджи Х., Мазуренко Л. Л., Каулио В. В., Соловьев В. А. Гидраты метана в поверхностном слое глубоководных осадков озера Байкал // ДАН. 2003. Т. 393. № 6. С. 822—826.