Аутигенное карбонатообразование в газогидратообразующих очагах разгрузки флюидов

Логвина, Елизавета Александровна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Аутигенное карбонатообразование в газогидратообразующих очагах разгрузки флюидов
ВАК РФ 25.00.28, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Аутигенное карбонатообразование в газогидратообразующих очагах разгрузки флюидов"

Министерство природных ресурсов и экологии Российской Федерации Федеральное агентство по недропользованию Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт геологии и минеральных ресурсов Мирового океана имени академика И.С. Грамберга» (ФГУП «ВНИИОкеангеология им. И.С. Грамберга»)

АУТИГЕННОЕ КАРБОНАТООБРАЗОВАНИЕ В ГАЗОГИДРАТООБРАЗУЮЩИХ ОЧАГАХ РАЗГРУЗКИ

ФЛЮИДОВ

На правах рукописи УДК 549.74:552.578.1

ЛОГВИНА ЕЛИЗАВЕТА АЛЕКСАНДРОВНА 2 7 А В Г 2009

25.00.28 - Океанология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научные руководители:

доктор геолого-минералогических наук, профессор по кафедре литологии и морской геологии Олег Иванович Супруненко кандидат геолого-минералогических наук Татьяна Валерьевна Матвеева

Санкт-Петербург - 2009 г.

003475681

Работа выполнена в лаборатории нетрадиционных источников углеводородов отдела нефтегазоносное™ Арктики и Мирового океана Федерального государственного унитарного предприятия «Всероссийский научно-исследовательский институт геологии и минеральных ресурсов Мирового океана им. академика И.С. Грамберга» ФГУП «ВНИИОкеангеология им. И.С. Грамберга», и на кафедре литологии и морской геологии геологического факультета Санкт-Петербургского государственного университета.

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук,

Анатолий Юрьевич Опекунов доктор геолого-минералогических наук, Александр Евменьевич Рыбалко

Ведущая организация: Тихоокеанский океанологический институт

им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской Академии наук

Защита диссертации состоится «30» октября 2009 г. в 1422 часов в актовом зале на заседании Диссертационного совета Д216.002.01 в Федеральном государственном унитарном предприятии «Всероссийский научно-исследовательский институт геологии и минеральных ресурсов Мирового океана им. академика И.С. Грамберга» (ФГУП «ВНИИОкеангеология им. И.С. Грамберга»), по адресу: Санкт-Петербург, Английский пр., д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «ВНИИОкеангеология им. И.С. Грамберга» по адресу: г. Санкт-Петербург набережная р. Мойки, д. 1206 1 этаж; текст автореферата размещен на сайтах http://wwv.vniio.ru и http://www.hydrate.ru

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 190121, г. Санкт-Петербург, Английский пр., д. 1, факс: +7(812)714-14-70, e-mail: Andreevairi@yandex.ru и Liza_Logvina@mail.ru ученому секретарю Диссертационного совета к.г.-м.н. Ирине Александровне Андреевой

Автореферат разослан «/$>.....f&P.Shf.......2009 г.

Ученый секретарь

Диссертационного совета

кандидат геолого-минералогических наук

Ирина Александровна Андреева

Введение. Аутогенные минералы (от греч. autigenny — местного происхождения) - минералы осадочных пород, образовавшиеся в процессе седиментации или последующих преобразований осадка на месте его захоронения (Теодорович, 1958). Первые описания особого типа аугигенных карбонатов, образующихся за счет окисления метана в отложениях углеводородных (УВ) очагов разгрузки флюидов, появились в конце 60-х годов XX века (Hathaway and Degenes, 1968). Позднее они получили название «methane-derived authigenic carbonates» (Fuex, 1977) - «Аугигенные Карбонаты Метано-производные» (АКМп). Формирование особого типа аугигенных карбонатов является одним из многочисленных проявлений цикла углерода.

АКМп формируются в местах, где имеется достаточное количество водорастворенного кальция и гидрокарбонат-иона. Последний образуется при окислении УВ, в первую очередь, метана, при определенных условиях. Такие условия обеспечиваются, преимущественно, при фокусированной разгрузке углеводородсодержащих потоков, которая приводит к образованию на морском дне специфических структур - очагов разгрузки флюидов (ОРФ). Кроме АКМп, в отложениях ОРФ часто формируются и газовые гидраты, необходимым условием для образования которых (среди прочих) является достаточное для пересыщения поровых вод количество газа. Проявления АКМп в ассоциации со скоплениями газовых гидратов известны во многих районах Мирового океана, в акваториях окраинных, внутренних морей, на озере Байкал, в местах, где широко распространены УВ ОРФ различного типа.

Образование АКМп происходит вследствие жизнедеятельности специфических микробиологических сообществ (царства Archaea и сульфатредуцирующие бактерии), обитающих в пределах УВ ОРФ. Весь цикл биологических процессов жизнедеятельности этих сообществ до сих пор полностью не изучен. Поскольку основным условием формирования аугигенных карбонатов (так же как и газовых гидратов) является наличие достаточного количества УВ, в первую очередь, метана, газовые гидраты, образующие скопления в УВ ОРФ, могут играть определенную роль при формировании АКМп. Предполагается, что формирование АКМп может происходить вследствие образования и/или разложения газовых гидратов. Достоверных научно-обоснованных фактов, позволяющих подтвердить или опровергнуть данное предположение, нет, а специальных работ, посвященных этой тематике, очень мало. Именно поэтому определение степени участия газовых гидратов в цикле формирования АКМп представляется важным и интересным с научной точки зрения.

Актуальность исследований. Поскольку АКМп" являются особым типом аутогенной минерализации, формирующимся в отложениях и на поверхности современных очагов разгрузки УВ флюидов, изучение процесса образования АКМп, как одного из составляющих глобального цикла углерода на Земле, представляется весьма актуальным.

Метан, вследствие его наибольшей мобильности, является не только одним из

компонентов газовых гидратов и источником углерода для формирования карбонатов, но и одним из активных парниковых газов. Относительная эффективность СН4, как парникового газа, удерживающего тепло в атмосфере, в 25-30 раз выше, чем С02 (Бэйтс и др., 2008). Поступая в гидро- и затем в атмосферу он играет значительную роль в глобальном изменении климата. Поскольку метан обладает наивысшей среди прочих УВ растворимостью в воде, именно он является основным компонентом газовых гидратов. Таким образом, в отложениях УВ ОРФ (в основном, метановых) АКМп и газовые гидраты создают геохимический барьер, препятствующий поступлению метана и углекислого газа в атмосферу.

Интерес мирового геологического сообщества к проявлениям аутигенной минерализации, а также к скоплениям газовых гидратов в отложениях очагов разгрузки УВ флюидов возрастает год от года. И если на изучение последних, помимо международных проектов, направлены зарубежные национальные программы (в связи с тем, что газовые гидраты рассматриваются как потенциальное горючее полезное ископаемое), то изучению АКМп, особенно в нашей стране, уделяется все еще не достаточное внимание. Следует отметить, что данная работа направлена, в том числе, и на восполнение пробелов в этом направлении.

Цели и задачи исследования. Цели работы: определить состав, источники углерода и кислорода, участвующих в формировании аутогенных карбонатов, и выявить взаимосвязи процессов образования газовых гидратов и аутогенных карбонатов в отложениях очагов разгрузки углеводородных флюидов.

Для достижения поставленных целей, решались следующие задачи:

1. Составить карту распространения известных проявлений АКМп (в субаквальных и континентальных обстановках) и типизировать их на основании морфологии, минерального состава, особенностей формирования и связи с газогидратообразованием.

2. Изучить минеральный и изотопный состав (513С и 5180) аугигенных карбонатов, выявить источники углерода и реконструировать палеоусловия их формирования на примерах очагов разгрузки УВ флюидов Черного и Охотского морей, Норвежско-Баренцевоморского региона, северо-восточной части Атлантического океана.

3. Датировать радиоуглеродным методом возраст раковин, захороненных в отложениях УВ ОРФ, и на этой основе, определить возраст последних (на примере Охотского моря). Оценить эффективность выбранной методики для датирования очагов разгрузки углеводородов.

4. По данным определений значений 513С и 5180 АКМп, воды (морской, поровой и гидратной), газа (гидратного и в осадке), температурным параметрам, особенностям литологического состава осадков (распределения АКМп, газовых гидратов, текстуре и др.), содержания в них общего углерода и химического состава поровых вод, выявить возможные взаимосвязи процессов образования АКМп и газовых гидратов в отложениях УВ ОРФ.

Научна» исшщпа н практическое значение.

В данной работе процессы формирования АКМп впервые рассматриваются с точки зрения их ассоциации с газовыми гидратами. Рассмотрены возможные процессы взаимодействия АКМп и газовых гидратов в отложениях УВ ОРФ различного типа (фокусированные потоки УВ газов, газонасыщенной воды и нефти или грязевулканические) на примере акваторий Черного и Охотского морей, Норвежско-Баренцевоморского региона и СВ часта Атлантического океана. Представлена наиболее полна;! па сегодняшний день сводная карта распространения известных АКМп в акваториях и на суше. Проявления АКМп в акваториях рассматривались по отношению к положению зоны стабильности газовых гидратов, что позволило проанализировать их сонахождение в современных УВ ОРФ. Анализ распространения АКМп на континенте (по аномально-легким значениям 6ПС) позволил охарактеризовать районы палеоразгрузкн УВ флюидов.

Предложена оригинальная методика расчета вклада процессов аутигенного карбонатообразования в диагенетические процессы, протекающие в отложениях УВ ОРФ. Сделана попытка оценить влияние таких процессов на изменение минерального состава захороненных раковин двустворчатых моллюсков, что, в конечном счете, позволило оценить возраст изученных УВ ОРФ северозападного склона котловины Дерюгина, Охотское море.

Представляется, что полученные в ходе выполнения данной работы результаты исследований вносят существенный вклад в актуальную проблему изучения аутигенных карбонатопроявлений в отложениях УВ ОРФ. Данные по распространению, изотопному и минеральному составу АКМп, позволяющие выявить исходный состав источников разгружающихся на дне флюидов, могут быть рекомендованы в качестве геохимического поискового признака при поиске и разведке углеводородов.

Защищаемые положения:

(1) По происхождению, минеральному и изотопному составам и связи с газогидратообразованием аутигенные карбонаты метано-производные, в целом, подразделяются на три типа: хемогермы, терригенно-диагенетические и клатриты.

(2) Основным источником углерода, участвующим в формировании аутигенных карбонатов в отложениях очагов разгрузки УВ флюидов, является миграционный метан различного происхождения.

(3) Комплексное изучение изотопного состава углерода аутигенных карбонатов мегано-пронзводных н радиоуглеродное датирование захороненных раковин двустворчатых моллюсков позволяют определить возраст очагов разгрузки УВ флюидов.

(4) Прослеживается взаимосвязь между процессами формирования аутигенных карбонатов и образованием/разложением газовых гидратов, обусловленная типом, условиями флюидной разгрузки и составом разгружающегося УВ флюида.

Личный вклад автора. Работа основана на результатах исследования оригинальных и во многом уникальных материалов, полученных автором в ходе ряда научно-исследовательских экспедиций, в акваториях Черного (НИС «Профессор Водяницкий» 2003 г.) Охотского (НИС «Академик М.А. Лаврентьев» 2003-2008 гг.) морей, и в северо-восточной части Атлантического океана, пролив Гибралтар (НИС «Профессор Логачев» 2004 г.). Следует отметить, что проблемы, освещенные в данной работе, явились частью исследований, проводимых в лаборатории нетрадиционных источников углеводородов (до 2006 г. лаборатории геологии газовых гидратов) ФГУП «ВНИИОкеангеология им И.С. Грамберга» с 2001 по 2008 гг. в рамках ряда российских и международных проектов Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ №02-05-64346, №05-05-66860МФа), Российско-германской лаборатории полярных исследований им. Отто Ю. Шмидта (OSL №03-14, №05-17, №06-12, №07-08, в том числе одного индивидуального), в которых автор принимал активное участие.

Изотопный состав углерода и кислорода 280 образцов АКМп измерялся непосредственно автором в лаборатории стабильных изотопов факультета геологии и естественных наук Свободного Университета Амстердама в рамках международного Российско-Голландского проекта (РФФИ№ 047.017.003).

Автором также была составлена наиболее полная на сегодняшний день карта распространения современных и древних проявлений аутигенной минерализации, связанной с разгрузкой УВ флюидов в акваториях и на суше. На основании анализа морфологии, минерального состава и особенностей формирования выполнена типизация проявлений АКМп.

Автором была успешно решена задача по выявлению состава и происхождения АКМп с использованием изотопных, минералогических и геохимических данных. Методика коррекции радиоуглеродного возраста раковин захороненных в отложениях УВ ОРФ, разрабатывалась, в том числе, и при участии автора.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены на Всероссийской конференции по проблемам нефти и газа «Генезис нефти и газа», (2003); IV Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле», (2003); Международной конференции «Исследования на океанском шельфе» (2003); 1, 4, и 5-ой генеральных ассамблеях Европейского Географического Общества 2004, 07-9); 2, 3 и 4-ой Международных конференциях «Полезные ископаемые Мирового океана» (2004, 06, 08); XVII и XVIII симпозиумах по геохимии изотопов имени академика А.П. Виноградова (2004, 07); 8 и 9-ой Международных конференциях «Газ в морских отложениях» (2005, 08); Всероссийской конференции «Дегазация Земли: геофлюиды, нефть и газ, парагенез в системе горючих ископаемых» (2005, 08); VI всеукраинской научно-практической конференции молодых ученых по проблемам Черного и Азовского морей «Понт Эвксинский-2005», (2005); Международных конференциях по программе «Обучение через исследование - TTR-15, TTR-17, Геологические процессы глубоководных европейских окраин» (2006, 09); Международной конференции Геологического общества Лондона «Технологии

и освоение углеводородов» (2006); Международной конференции по изучению газовых гидратов (2007); 7-ом Международном симпозиуме по прикладной изотопной геохимии (2007); 32 и 33-ых Международных геологических конгрессах (2004, 08); ежегодном совещании азиатского общества наук о Земле и Океане (2008); 1-ой Международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов, посвященной памяти академика А.П. Карпинского (2009).

Основные положения диссертационной работы изложены в 66 публикациях, включающих три статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 18 в других журналах (включая рецензируемые) и отчетах, 45 - материалы докладов на конференциях.

Благодарности. Работа посвящена памяти безвременно ушедших из жизни В.А. Соловьева и JI.JI. Мазуренко - первых наставников и руководителей настоящих исследований. Без их постоянной поддержки, полезных советов и идей эта работа не была бы полноценной.

Автор благодарен научным руководителям д.г.-м.н. О.И. Супруненко и к.г.-м.н. Т.В. Матвеевой, за неоценимую помощь, полезные советы, конструктивные обсуждения и поддержку на всех этапах проведения исследований.

Особенно хочется выразить благодарность заведующему лабораторией изотопной геологии флюидов СПбГУ, д.г.-м.н. Э.М. Прасолову и с.н.с. лаборатории нетрадиционных источников углеводородов ФГУП «ВНИИОкеангеология им. И.С. Грамберга» к.г.-м.н. A.A. Крылову за обсуждение и помощь в вопросах, связанных с изотопной геохимией и процессами карбонатообразования, а также полезные советы в процессе написания работы. Огромная благодарность всем сотрудникам лаборатории нетрадиционных источников углеводородов за помощь и содействие, оказанное на различных этапах выполнения работы.

Автор искренне благодарен М.К. Иванову, А.Н. Стадницкой, В.Н. Блиновой и всем сотрудникам ЮНЕСКО-МГУ центра по геологии и геофизике, а также участникам рейса TTR-14, помогавшим в сборе и любезно предоставившим материалы, использованные в данной работе.

Большое спасибо заведующему отделом радиационной и химической биологии Института биологии южных морей им. А. О. Ковалевского Национальной Академии наук Украины (ИНБЮМ) д.б.н. В.Н. Егорову и его сотрудникам, любезно предоставившим материалы для исследований.

Автор выражает глубокую признательность начальникам и организаторам экспедиций в акватории Охотского моря, проходивших в рамках проекта CHAOS I-III А.И. Обжирову, H.A. Николаевой, О.Ф. Верещагиной, X. Шоджи, Я.К. Джину и всем участникам рейсов, проводившихся на НИС «Академик М.А. Лаврентьев», за помощь и содействие в сборе материалов для исследований.

Основные представления по литологии, морской и нефтяной геологии были получены автором в курсе лекций, проводимых сотрудниками СПбГУ Г.А. Черкашевым, С.М. Усенковым, М.А. Тугаровой, В.П. Якуцени, Э.И. Сергеевой, М.В. Платоновым, Е.Г. Пановой.

Проведение возрастных датировок было бы невозможно без участия сотрудников лаборатории палеогеографии и геохронологии четвертичного периода НИИ Географии СПбГУ и ее заведующего Х.А. Арсланова.

Отдельно хотелось бы поблагодарить д.б.н. Е.В. Павлову, В.О. Павлову и A.A. Григоренко за помощь в выборе научного жизненного пути, за моральную и

психологическую поддержку на всех этапах написания работы.

Искренняя благодарность самому близкому другу и коллеге В.А. Гладышу за помощь и поддержку в процессе написания работы.

Автор благодарит всех родственников, друзей и коллег, чью поддержку и внимание автор постоянно чувствовал на всех этапах подготовки работы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (240 наименований) и четырех приложений. Объем работы составляет 254 страниц, диссертация иллюстрирована 63 рисунками, 7 таблицами.

Глава 1. Аутигенные минералы в очагах разгрузки углеводородных флюидов. В Мировом океане известно множество глубоководных площадей и областей, характеризующихся интенсивной низкотемпературной разгрузкой УВ флюидов на дне в ассоциации с газовыми гидратами (Магигепко & 8о1оу1е\', 2003). Приблизительно половину из них составляют грязевые вулканы (ГВ) и глиняные диапиры (ОтИгоу, 2002). Карбонатные корки и конкреции в этих ОРФ представлены высоко- и низкомагнезиальным кальцитом, арагонитом и низкомагнезиальным доломитом, цементирующими грязевулканические отложения, и расположены как в осадке, так и непосредственно на морском дне.

Фокусированная разгрузка газонасыщенной воды и/или нефти приводит к формированию так или иначе выраженных в рельефе структур на дне, чаще всего в виде незначительных депрессий или воронок. Аутигенные карбонаты в отложениях УВ ОРФ этого типа характеризуются массивными постройками и корками, формирующимися при цементации вмещающих отложений на границе вода-дно, и конкрециями в толще осадков. Значения 6180 АКМп, образованных в результате разгрузки газонасыщенной воды, должны наследовать особенности ее изотопного состава кислорода.

УВ ОРФ, вызванные интенсивной разгрузкой свободного газа, встречаются на склонах грязевых вулканов и диапиров, а также приурочены к разломным зонам на тектонически-активных окраинах. Формирование аутигенных минералов, образующих карбонаты разнообразной морфологии, происходит здесь из местной поровой воды (аналогичной по составу поровым водам данного бассейна) при наличии в ней достаточных концентраций кальция (Mg, Ре и пр.) и сульфата.

На основании собственных и опубликованных данных был составлен наиболее полный на сегодняшний день перечень и сводная карта распространения проявлений современных и древних (идентифицировались по соответствующим значениям 513С) АКМп в акваториях и на суше (Рис. 1).

Практически все субмаринные АКМп расположены в пределах потенциально газогидратоносных акваторий. В 50% районов газовые гидраты в ассоциации с АКМп наблюдались визуально в ходе грунтового пробоотбора, в большинстве других районов присутствие газовых гидратов предполагается по ряду косвенных признаков. Только в четырех районах, в связи с неблагоприятными условиями (в первую очередь, недостаточное гидростатическое давление), формирование газовых гидратов невозможно.

Рис. 1. Карта распространения древних (белые точки) и современных (красные точки) проявлений аутигенных карбонатов метано-производных в Мировом океане и на суше. Желтые поля - потенциально газогидратоносные акватории (по В.А. Соловьеву, 1999). Карта составлена по данным автора с привлечением опубликованных материалов.

Глава 2. Материалы и методы. Работа основана на результатах аналитических исследований материалов, полученных в ходе экспедиций в акваториях Черного и Охотского морей, в Норвежско-Баренцевоморском регионе и в СВ части Атлантического океана. При выполнении работы применялись следующие аналитические методы: изотопный (513С, 5|80 - 538 обр.), рентгенофазовый (52 обр.), микроскопический (48 обр.) и радиоуглеродный (13 обр.) анализы для изучения АКМп и раковин двустворок; компонентный (23 обр. воды) и изотопный (23 обр. воды и 14 обр. газа) анализы для исследования газовых гидратов; анализ содержания общего и органического углерода (206 обр.) отложений У В ОРФ; компонентный (193 обр.) и изотопный (76 обр.) анализ поровых и придонных вод.

Глава 3. Морфология и минеральный состав аутигенных карбонатов в отложениях очагов разгрузки УВ флюидов (обзор фактического материала). Комплексное изучение АКМп, отобранных в пределах УВ ОРФ различного типа в акваториях Черного и Охотского морей, в Норвежско-Баренцевоморском регионе и в СВ части Атлантики, позволило выделить в каждом районе различные типы и подтипы карбонатопроявлений.

Проведенный анализ морфологии, минерального состава, положения в осадке и ассоциации АКМп с газовыми гидратами, а также использование многочисленных опубликованных данных послужили основанием для выделения трёх основных типов АКМп: хемогермы, терригенно-диагенетические и клатриты. В таблице 1 приведены основные параметры, по которым проводилась типизация карбонатов.

Таблица 1. Типизация аутигенных карбонатов метано-производных

Террнгенно-

Клатриты

Параметры

Цвет серый серый - коричневый желтый, белый

Занимаемая 10-200 м 0,5 см - 1,5 м 20 см

площадь

Размер > 50 м 0,5 см - 8 м 1-3 см

в осадке в осадке на поверхности осадка в

Положение прослоях газовых

на поверхности на поверхности гидратов

Минералогия арагонит, Mg, выcoкo-Mg арагонит, сидерит, кальцит, арагонит сферо-

кальцит, доломит редко доломит агрегатный

Органический > 30% около 5% нет

детрит

Терригенные примеси на поверхности 1 -2% в осадках 10-40% до 70% нет

Значения д13С -40...-6096» -20...-7096» -47...-55%о

Значения б180 -З.-.+ЗКо 0...+396о +3,7...+4,5%о

Возраст до 350 млн. лет до 174 тыс. лет 1,3-1,9 тыс. лет

Морфология массивные рифообразные, строматолитоподобные стяжения, корки, конкреции, трубы слои,корки

Составлена по

данным автора с привлечением литературных материалов

Глава 4. Источники углерода и кислорода, участвующих в формировании аутигенных карбонатов в отложениях УВ ОРФ.

Изотопный состав углерода метана. Необходимыми условиями для формирования аутигенных карбонатов являются преимущественно положительные температуры, щелочная среда, достаточные концентрации двухвалентных катионов (Са, Mg, Fe и пр.) и карбонат-ионов в поровых водах. Изотопный состав 513С растворенного неорганического углерода, а, следовательно, и аутигенных карбонатов, будет обусловлен исходным составом источника углерода - органического вещества (ОВ), морской воды и раковин моллюсков. При формировании аутигенных карбонатов в УВ ОРФ основным поставщиком углерода становятся метан, в значительной степени обедненный тяжелым изотопом углерода-13; поэтому считается, что АКМп, образующиеся в результате анаэробного окисления метана по общей формуле:

СН, + S042" + Са2+ -» СаСОз + H2S +Н20, характеризуются низкими значениями 513С < -40%о в противоположность морским карбонатам (±2,5%о).

Изотопный состав углерода АКМп варьирует в широких пределах: от -55,12 до -4,19%о в Норвежско-Баренцевоморском регионе, от -45,5 до -10,5%о в акватории Черного моря, от -50 до 3,8%о в акватории Охотского моря и от -49,4 до 1,95%о в северо-западной части Атлантического океана. Такие вариации соотношения изотопов углерода в аутигенных карбонатах из УВ ОРФ исследованных районов могут быть вызваны несколькими причинами.

Во-первых, различием исходного изотопного состава углерода, растворенного С02 и, следовательно, гидрокарбонат-иона в поровых водах ОРФ. Это может быть результатом, в первую очередь, локального смешения в различных пропорциях углекислого газа различного генезиса:

1). Образованного в ходе АОМ, которое осуществляется по следующей широко известной реакции:

СН, + 2Н20 -* С02 + 4Н20 (царство Archaea)

S042" + 4Н20 + Н+—> HS" + 4Н20 (сульфатредуцирующие бактерии)

S042' + СН4 —» НСО3' + HS" + Н20 {результирующая формула) (1)

Результаты многочисленных эмпирических наблюдений показали, что различие в изотопном составе углерода между метаном и углекислым газом в зоне АОМ варьирует от 5 до 20%о (Whiticar, 1999), то есть в среднем углерод метана на 12,5±7,5%о легче углерода С02

2). Вторым, не менее значимым, источником углерода при формировании аутигенных карбонатов является гидрокарбонат-ион, образующийся в результате окисления ОВ сульфат-ионом поровой воды по формуле:

СН20 + S042" НСО3" + HS" + Н20 (2)

Фракционирование углерода между ОВ и получаемым в результате реакции (2) растворенным неорганическим углеродом незначительно и им можно пренебречь (Blair and Aller, 1995).

Вторая причина приведенных выше изотопных различий обусловлена степенью изотопного фракционирования углерода при формировании аутигенных карбонатов различного состава. Термодинамический изотопный

эффект полностью определяется коэффициентом фракционирования а -отношением (З-факторов, которые, в свою очередь, являются функциями температур и колебательных частот (Галимов, 1968).

На основании измерений изотопного состава углерода АКМп и расчетов изотопного состава гипотетических источников этого углерода (Табл. 2) было установлено, что формирование аутогенных карбонатов в отложениях УВ ОРФ происходит, в основном, за счет миграционного метана различной природы.

Таблица 2. Измеренный и рассчитанный изотопный состав углерода метана в очагах разгрузки грязевулканического типа в акватории Черного моря и в северо-западной части Атлантического океана.

Тип флюидной 813Ссн4 измеренное б' 1 Сам рассчитанное

разгрузки (У-РБВ) (У-РБВ)

Норвежско-Баренцевоморская окраина

ГВ «Хаакон Мосби» -61,0%»' -61,2.. ,-33,5%о

Северо-западное Черное море

очаги разгрузки газа -74,22...-58,2%о3 -75,9.. .-52,7%о

Центральное Черное море

ГВ «Ковалевский» -49,8...-31,6%</ -49,8.. ,-33,8%о

ГВ «Вассоевич» -56,2...-50,7%о2 -55,4.. .-27,2%о

Прогиб Сорокина, Черное море

ГВ «ниоз» -67,4...-49,1%о2 -73,2.. .-50,2%о

ГВ «Казаков» -56,1...-55,3%о2 -77,4.. ,-31,1%0

ГВ «Одесса» -70,4.,.-66,5%о2 -78,2.. .-32,2%о.

Северо-западный склон котловины Дерюгина, Охотское море

очаги разгрузки газа и -65%о -86,4.. .-29,6%«

газонасыщенной воды

Северо-западная часть Атлантического океана, Марокканская окраина

ГВ «Кидд» -84,0...-69,3%о4 -61,62. ..-20,1%о

ГВ «Фиуза» -39,9...-38,6%о4 -61,48.. .-32,95%о

ГВ «Хесус Бараза» -63,9...-23,9%о4 -25,2.. .-62,8%о

ГВ «Мекнес» -82,5...-52,0%о4 -58... -15,5%о

ГВ «Порто» -62,6...-51,1%о4 -56,13.. ,-39,53%о

ГВ «Капитан Арутюнов» -79,1...-48,1%о4 -56,1. ,..-19%о

ГВ «Юма» -66,0%4 -59,98.. ,-39,38%о

ГВ «Гинсбург» -56,3...-34,7%о4 ...,„:—■ 1 . . ■, „-„ -61,85.. Л „ .-17,96%о

1 Леин и др., 2000; * Маддт е1 а!., 2004;' 1уэпоу а!., 1991;4 Блинова, 2006

Возраст очагов разгрузки флюидов на основании радиоуглеродных датировок Известно, что углерод, содержащийся в составе карбонатов из отложений УВ ОРФ, может иметь различный генезис, а, следовательно, и содержание радиоактивного углерода в них различно. Часть углерода генетически чужда основной его массе, этот углерод, если и содержал радиоактивный 14С, то в весьма отдаленном прошлом. Следовательно, присутствие радиоактивного углерода в АКМп невозможно в связи с тем, что основным источником углерода при их формировании является метан. Напротив, в раковинах двустворок, растущих в обычных морских обстановках

на поверхности осадка, должен содержаться радиоактивный углерод. Таким образом, при проведении датировок раковин двустворок, захороненных в отложениях УВ ОРФ, можно оценить вклад АКМп в их состав (т.е. примесь АКМп), и, с учетом этого, определить реальный возраст захороненных раковин. Для решения этой задачи исследовано 12 образцов двустворок из отложений У В ОРФ СЗ склона котловины Дерюгина, Охотское море (Табл. 3).

Таблица 3. Результаты радиоуглеродного датирования раковин двустворчатых моллюсков из отложений УВ ОРФ северо-западного склона котловины Дерюгина, прибрежье о. Сахалин, Охотское море.

№ Станция Поддонная 5иС, %а Радиоуглеродный Калиброванный

пп пробоотбора глубина, см (У-РБВ) возраст, тыс. лет1 возраст, тыс. лет2

УВ ОРФ «ХАОС»

1 ЬУ32-16СС 103 -12,1 4,960±0,120 2,100+0,090

2 ЬУ32-16СС 135 -24,8 11,560+0,200 3,990+0,270

3 ЬУ32-160С 343 -26,6 8,890+0,230 современный

4 ЬУ31-24СС 5 -9,6 3,100+0,110 0,965+0,120

5 ЬУ31-240С 45 -13,2 3,210+0,080 современный

6 ЬУ31-240С 95 -8,9 2,130+0,090 0,070+0,070

7 ЬУ31-240С 150 -4,4 2,500+0,140 1,520+0,160

УВ ОРФ «Китами»

8 ЬУ32-11НС N0 -7,6 4,400+0,100 2,860+0,120

9 ЬУ32-11НС N0 -16,0 7,750+0,140 3,950+0,190

УВ ОРФ «Иероглиф»

10 ЬУ32-130С 25 -18,5 4,420+0,080 современный

УВ ОРФ «КОПРИ»

и ЬУЗб-ЮО 0 -2,8 2,740+0,150 2,220+0,200

12 ЬУ36-39НС 45 -18,9 5,180+0,190 современный

Примечание: N0 - валовая проба; - стандартная методика, не калиброванный возраст;2 - возраст, пересчитанный по предложенной в работе методике:

8|3Собр. = {5|3Снорм. + (1-0 513САКМп, где Г - доля «нормального» карбоната (Г<1), (1-0 - доля АКМп, 513Собр., 513Снорм и 513Сдкмп - значения фракционирования изотопов углерода в «нормальном»

карбонате и АКМп, выраженные в %о относительно стандарта РРВ._

Крайние изотопные значения 5|3С исследованных карбонатов составили -26,6...-2,8%о (У-РБВ). Рассчитанный вклад обычного морского карбоната в них составил 0,335 и 0,93 соответственно (при 513С обычных морских карбонатов = 0%о и АКМп = -40%о - для исследованного района). Скорректированное значение активности рассматриваемых образцов превышает измеренное в 2,98 и 1,08 раза.

В связи с тем, что изменения изотопного состава углерода связаны с его источниками, а не с изотопным фракционированием, то поправки за фракционирование могут быть введены только для значений обычного морского карбоната. Данные измерений радиоуглеродного возраста по традиционной методике и результаты введения поправок за АКМп представлены в таблице 3.

Таким образом, проведенные расчеты вклада аутогенных карбонатов метано-производных в состав раковин двустворчатых моллюсков из отложений УВ

ОРФ по предложенной методике позволили скорректировать данные радиоуглеродного анализа, полученные стандартным методом. Основываясь на полученных результатах радиоуглеродного датирования раковин двустворк и измерении изотопного состава углерода в них, можно заключить, что в среднем возраст УВ ОРФ северо-западного склона котловины Дерюгина составляет 2,0 тыс. лет, а скорость осадконакопления - ~ 7,5 см/тыс. лет. Реконструкция палеоусловий формирования аутигенных карбонатов. Известно, что изотопный состав кислорода карбонатов контролируется двумя основными параметрами: составом 6180 поровой воды и температурой, при которой происходит их кристаллизация. В отложениях УВ ОРФ, расположенных в зоне стабильности газовых гидратов, наряду с выпадением карбонатов, может происходить образование газовых гидратов, что, вероятно, должно отражаться на' изотопном составе АКМп. Достоверность этого предположения может быть подтверждена или опровергнута изучением изотопного состава кислорода аутигенных карбонатов, формирующихся в активных в настоящее время очагах разгрузки углеводородных флюидов. С другой стороны, изучение изотопного состава кислорода древних аутигенных карбонатопроявлений, являющихся свидетельством разгрузки углеводородных флюидов (по данным изотопного состава углерода), позволит воссоздать палеоусловия их формирования и, возможно, предположить возможность присутствия газовых гидратов в отложениях древних очагов разгрузки УВ флюидов.

Основываясь на известных уравнениях для расчетов равновесных параметров кристаллизации карбонатов различного минерального состава: Кальцит (Zhow andZheng, 2006): 103!па кмьцит-вода = 18,21Ч03'Т"'-32,72, Арагонит (Tarutani et al, 1969): 103 lna арагонит.вода = 18,03*103T"' - 31,82 и Mg кальцит: 1031паМякальцит.вода= 2,78« 10^Г2-2,89+0,06Mg (атом.%), Доломит (Vasconcelos etal., 2005): 103lna »ломт-вода = 2,73*106Т2+0,26, где a - фактор изотопного фракционирования кислорода и Т - температура формирования карбонатов в Кельвинах, для каждого из исследованных районов были получены теоретические значения температур формирования карбонатов, а также их изотопный состав кислорода и поровой воды, из которых происходило их формирование.

Согласно полученным результатам, достоверная в целом сходимость измеренных и рассчитанных значений наблюдается только в единичных образцах. Теоретическая температура кристаллизации карбонатных минералов различного состава значительно отличается от измеренной in situ.

Очевидно, основная масса исследованных карбонатов сформировалась при определенной температуре, не превышающей современные условия в каждом конкретном регионе. В этом случае изотопный состав поровой воды (8lsO) будет изменяться в рамках рассчитанных для них значений, что, в свою очередь, будет соответствовать измеренным величинам 5180 поровых и придонных вод. Таким образом, любые отклонения от рассчитанных величин 5180 будут

отражать изменения в изотопном составе кислорода поровых вод при формировании карбонатов, что может быть вызвано, в том числе, и процессами образования/разложения газовых гидратов. Для оценки влияния этих процессов был проведен комплексный гидрогеохимический анализ отложений УВ ОРФ в акватории Охотского моря.

Глава 5. Анализ взаимосвязи газовых гидратов и аутнгениых карбонатов метано-производных. Скопления газовых гидратов в отложениях УВ ОРФ располагаются в непосредственной близости от дна, на дне или на очень незначительной поддонной глубине (первые метры) в зонах сосредоточенной разгрузки УВ флюидов (метана и др.) и контролируются флюидопроводниками (разломами, грязевыми вулканами и диапирами). В пределах таких зон часть УВ газов путем диффузии переходит в твердую фазу. Происходит это вблизи раздела вода-дно вследствие уменьшения вблизи дна температуры и растворимости газа в поровой воде, что способствует пересыщению газом поровой воды и образованию газовых гидратов. При прекращении подтока газа нарушаются условия стабильности и происходит постепенное разложение твердого гидрата на газ и воду. Основным фактором, контролирующим образование и нахождение гидрата в стабильном состоянии, являются равновесные концентрации газа (или его растворимость). Именно этот фактор определяет минимальное количество газа, необходимое для поддержания газового гидрата в стабильном состоянии. Как только гидрат сформировался в неконсолидированных морских осадках, концентрация газа в поровой воде фиксируется равновесными концентрациями. В результате этого, изменение величины растворимости с глубиной контролирует потери газа путем его диффузии из мест, где сформировался гидрат. Таким образом, для поддержания постоянного объема гидратного агрегата в месте его формирования, необходим более или менее постоянный приток газа к этому месту.

Изменение параметров растворимости газа в воде является одним из факторов, контролирующих как образование, так и разложение гидрата. Это определяется важной особенностью растворимости метана в воде в равновесии с гидратом, которая мало зависит от внешнего давления, а контролируется, в основном, давлением гидратообразования, равновесным для данной температуры. Поскольку с увеличением температуры равновесное давление газогидратообразования тоже становится большим, увеличивается и растворимость газа в воде в равновесии с гидратом, что приводит к разложению последнего.

Гидрогеохимические аномалии и распределение АКМп и газовых гидратов в отложениях очагов разгрузки УВ флюидов в Охотском море. Сопоставление гидрогеохимических аномалий, выявленных в гидрохимических разрезах гидратоносных отложений УВ ОРФ, с данными по распределению АКМп и раковин позволило проследить предполагаемую взаимосвязь процессов образования АКМп и газовых гидратов:

(1) Образование газовых гидратов и формирование АКМп (из остаточной

после образования гидратов поровой воды, обогащенной солями и легкими изотопами кислорода - см. далее) может происходить одновременно. Такая возможность существует как в зоне метаногенерации (поровые воды обогащены солями, а изотопные значения 513С карбонатов положительны), так и на нижней границе зоны сульфатредукции (Рис. 2). Вероятно, интенсивность разгрузки газа такова, что формирование гидратов происходит очень быстро, таким образом, что химические реакции в окружающих осадках и поровых водах «не успевают» за этим процессом (соли не успевают диффундировать, смещение зоны сульфатредукции, т.е. уменьшение ее мощности, также не может произойти так же быстро). В результате, газовые гидраты наблюдаются в пределах нижней границы зоны сульфатредукции, что само по себе является своеобразным артефактом.

ЛУ36-74Н УВ ОРФ "Данжен" НСЦмМоль ЭОГиМоль Ог'мМоль СГмМоль й,,01„га(%о) О -1-[-.-,--1-.---| ,о ? -| о -| 9 л

Рис. 2. Гидрогеохимическое описание отложений, отобранных в пределах УВ ОРФ «Данжен», станция ЬУ36-74Н. Слева - направо: график распределения органического углерода (Сорг) и общего углерода (С) с выявленными геохимическими аномалиями на основании литологического описания кернов: распределение в осадке АКМп (красный цвет), фрагментов раковин двустворок (желтый цвет), газонасыщенные отложения (белые пузыри), газовые гидраты (синие кристаллы); графики распределения основных ионов в поровых и гидратных водах; график распределения измеренных (синий) и теоретических (зеленый) величин 5180 У8МОШ воды по разрезу вмещающих отложений. Красной пунктирной линией отмечены значения б'80 воды газовых гидратов, голубая пунктирная линия - значения 5180 придонной воды.

(2) Формирование АКМп происходит в ходе разложения газовых гидратов, «попадающих» в зону сульфатредукции при увеличении ее мощности, вследствие уменьшения концентраций разгружающегося газа, приводящего к нарушению их стабильности (УВ ОРФ «КИТ» ст. 1Л'36-72Н, «ТОЙ» ст. [Л'36-57Н). АКМп в этом случае могут формироваться, в том числе, и из воды разложившихся гидратов (более пресной и изотопно-тяжелой по кислороду).

(3) Аутигенные карбонатопроявления формируются на границе зон сульфатредукции и метаногенерации, при этом зона наибольшей насыщенности

(пересыщение) газом поровых вод, где формируются газовые гидраты, расположена ниже зоны карбонатообразования. Следовательно, процессы формирования аутогенных карбонатов и газовых гидратов не связаны (УВ ОРФ «ХАОС» ст. LV31-27HC, ст. LV31-34GC).

Процессы изотопного обмена в ходе формирования аутигенных карбонатов и газовых гидратов. При формировании АКМп и скоплений газовых гидратов, так или иначе, используются общие источники углерода и кислорода - вода и метан (и другие УВ) с определенными изотопными характеристиками. В ходе формирования газовых гидратов и АКМп (а в случае газовых гидратов, и разложения) происходит ряд реакций изотопного обмена, что отражается в конечном изотопном составе и тех, и других. Представляется, что именно изменение этих характеристик и может послужить основой для выявления возможных взаимосвязей между процессами формирования АКМп и газовых гидратов, которые можно проследить на основании изучения их изотопного состава углерода и кислорода.

Как было показано выше, при формировании газовых гидратов и аутигенных карбонатов в отложениях очагов разгрузки УВ флюидов используется общий источник углерода — разгружающейся метан. Но определить, участвовал ли в формировании АКМп свободный метан или метан разложившихся газовых гидратов, затруднительно, поскольку при формировании последних фракционирование изотопов углерода весьма незначительно и составляет -0,1 ...0,4%о (Hachikubo et al., 2007).

С другой стороны, установлено, что в результате изотопного фракционирования при газогидратообразовании вода, входящая в структуру гидрата, утяжеляется по кислороду на ~3%о, как это наблюдается при формировании льда (Hesse and Harrison, 1981). При образовании газовых гидратов в их решетку входит изотоп кислорода-18, а 160 остается в поровой воде, и, наоборот, при их разложении происходит обогащение поровых вод ,sO (Matsumoto, 2004). Следовательно, вариации между теоретическими -рассчитанными по значениям 5,sO АКМп - и измеренными значениями 5180 поровых, морских и гидратных вод позволят оценить степень влияния процессов образования и/или разложения газовых гидратов при формировании аутигенных карбонатов.

Исходя из физико-химических параметров формирования АКМп и газовых гидратов, ниже предлагается несколько сценариев (Рис. 3) их формирования в отложениях очагов разгрузки углеводородных флюидов.

(1) АКМп и газовые гидраты образуются одновременно и находятся в одних и тех же горизонтах (интервалах). При этом, АКМп наследуют в своем составе изотопно-легкую по кислороду воду (образованную вследствие формирования газовых гидратов), что возможно проследить, рассчитав теоретический изотопный состав поровых вод, на основании измеренных значений 5180 АКМп. Осуществление предложенного сценария возможно в случае значительного увеличения интенсивности и объёмов разгрузки свободного газа (см. рис. ЗА).

(2) АКМп формируются при разложении газовых гидратов из изотопно-тяжелой воды (в том числе), выделившейся из газовых гидратов. На основании расчетов теоретических значений 5|80 воды по данным измеренного изотопного состава кислорода АКМп можно проследить эти изменения. Работоспособность данного сценария возможна в случае резкого уменьшения интенсивности разгрузки газа, что приведет к увеличению растворимости газа в воде, увеличению температуры и повышению равновесного давления газогидратообразования и, как следствие, нарушению стабильности газовых гидратов и их постепенного разложения на газ и воду (см. рис. ЗБ).

(3) Газовые гидраты и АКМп образуются в различных горизонтах и наследуют изотопные характеристики вод различного генезиса (морская и флюидная). Наиболее вероятным представляется вариант, когда АКМп выпадают на границе вода-осадок преимущественно из морской воды, а газовые гидраты формируются из воды разгружающегося флюида. Такие условия будут обеспечиваться постоянным подтоком воды с отличным от морской изотопным составом кислорода, что в гидрохимическом разрезе будет выражаться в наличии у поверхности дна интервала диффузионного выравнивания (см. рис. ЗВ). Следует отметить, что данный сценарий подразумевает разгрузку не только газа, но и воды со специфическим изотопным составом.

ОЧЛГ РАЗГРУЗКИ свободного ГАЗЛ ОЧЛГ РАЗГРУЗКИ СВОБОДНОГО ГАЗА ОЧАГ РАЗГРУЗКИ ГАЗОНАСЫЩеиНОЙ ВОДЫ

Рис. 3. Схема очагов разгрузки УВ флюидов различного типа (из Матвеевой и др., 2008

с дополнениями). Очаг разгрузки свободного газа с (А) возрастающим потоком и (Б) затухающим потоком разгружающегося флюида, (В) очаг разгрузки газонасыщенной воды. Схематично изображены реакции изотопного обмена кислорода при формировании аутигенных карбонатов и газовых гидратов в УВ ОРФ.

Для проверки достоверности данных сценариев был проведен комплексный анализ УВ ОРФ северо-западного склона котловины Дерюгина (Охотское море), характеризующихся не только разгрузкой свободного газа, но и, в некоторых случаях, газонасыщенной воды.

В отложениях очагов разгрузки свободного газа «Китами» (ст. 1Л'32-09СС), «Данжен» (ст. 1ЛЛ36-74Н; см. рис. 2), где АКМп и газовые гидраты расположены

на нижней границе зоны сульфатредукции, изотопные значения кислорода воды

(5,8Он20 измеренное < б^Ощо теоретического) Свидетельствуют об образовании ГЯЗОВЫХ

гидратов и формировании при этом АКМп (из остаточной воды, с более легким изотопным составом кислорода).

Обратная зависимость в значениях 5180Нго (З'^Ощо измеренное > б'^Оцзо теоретическое)» наблюдается на различных поддонных глубинах отложений очагов разгрузки свободного газа «КИТ» (ст. 1Л''36-72Н) и «ТОЙ» (ст. ЬУ36-57Н; Рис 4). Это свидетельствует о том, что формирование АКМп происходило при разложении газовых гидратов в зоне сульфатредукции, при этом тяжелая по кислороду вода участвовала в формировании АКМп.

1,\'}6-57Н УН ОРФ "ТОЙ"

НСО, мМольБО.' мМольСУ мМшн. П мМо.п, «"01лмгт(«.|

.«у ...

* 100

•т

•а 150

)♦ Ф ♦ 4 + т

СЧцм. %• »С, %

4 »

2.0 II 30 60 О 20 О 8 16 300 40(1500

■ I ' I ■ I 1 I ■ I ' I

■5 -4 -3 -2 -I О I

Рис. 4. Гидрогеохимическое описание отложений, отобранных в пределах УВ ОРФ «ТОЙ», станция 1^У36-57Н. Слева - направо: график распределения органического углерода (Сорг) и общего углерода (С) с выявленными геохимическими аномалиями на основании литологического описания кернов: распределение АКМп (красный цвет), фрагментов раковин двустворок (желтый цвет), газонасыщенные отложения (белые пузыри), газовые гидраты (синие кристаллы); графики распределения основных ионов в поровых и гидратных водах: график распределения измеренных (синий) и теоретических (зеленый) величин 5|!<0 (V-ЭМОУУ) воды по разрезу вмещающих отложений. Красной пунктирной линией отмечены значения 3|80 воды газовых гидратов, голубая пунктирная линия - значения 6|80 придонной воды.

Минимальная разница в изотопном составе кислорода (6|!,0

Н20 измеренное

5 0Н2о теоретического) была отмечена в отложениях нескольких изученных станций очага разгрузки газонасыщенной воды «ХАОС» (Рис. 5). В ряде случаев теоретические значения 5|Я0 воды, из которой формировались аутигенные карбонаты, близки к изотопному составу кислорода морской воды, в других - к величинам 5,кО воды разгружающегося флюида. Очевидно, формирование АКМп происходило при участии вод с различными изотопными составами кислорода. Оценить взаимосвязь процессов образования/разложения газовых гидратов и формирования аутигенных карбонатов в отложениях очага разгрузки газонасыщенной воды, на данном этапе исследований, затруднительно.

Ш1-340С УВ ОРФ •■ХАОС"

Ш'О 4Vta.il.SO, чМо.и-Сд иМли. П м

• <(||>|.%

с,%

1.0 1.5 3.0 2.5 3.0 5.5 « ДО «25 5« » 10 20 250 500 -1 I) 1 2

Рнс. 5. Гидрогеохимическое описание отложений, отобранных в пределах У В ОРФ «ХАОС», станция ЬУЗ1-34СС. Слева - направо: график распределения органического углерода (Сорт) и общего углерода (С) с выявленными геохимическими аномалиями на основании л иго логического описания кернов: распределение АКМп (красный цвет), фрагментов раковин двустворок (желтый цвет), газонасыщенные отложения (белые пузыри), газовые гидраты (синие кристаллы); графики распределения основных ионов в поровых и гидратных водах; график распределения измеренных (синий) и теоретических (зеленый) величин 81й0 (У-БМ(Ж) воды по разрезу вмещающих отложений. Красной пунктирной линией отмечены значения 6|!,0 воды газовых гидратов, голубая пунктирная линия - значения придонной воды.

Таким образом, на основании фактического материала была доказана работоспособность предложенных сценариев. Взаимосвязь формирования АКМп и газовых гидратов заключается в том, (1) что они имеют общий источник углерода (миграционный метан различной природы) и (2) АКМп наследуют изотопные характеристики вод. выделенных при образовании/разложении газовых гидратов.

Следует также отметить, что проведенный анализ и выделенные закономерности могут быть использованы для определения интенсивности и динамики разгрузки т аза. Последние, в свою очередь, являются составляющими балансовых расчетов количества газа, разгружающегося в УВ ОРФ в гидро-, а затем и в атмосферу и стабилизирующегося в гидратиой фазе.

Заключение.

Проведенные комплексные исследования позволили определить состав, источники углерода и кислорода, участвующих в формировании аутигенных карбонатов, и выявить взаимосвязь процессов их образования с газовыми гидратами в отложениях УВ ОРФ. Результаты, полученные в ходе выполнения данной работы, можно обобщить следующим образом:

¡.Большинство из известных проявлений аутигенной карбонатной минерализации в отложениях УВ ОРФ в акваториях расположены в пределах зоны стабильности газовых гидратов, оцененной по термобарическим условиям, а также в пределах потенциально газогидратоносных акваторий

(характеризующихся не только Р-Т, но и условиями, благоприятными для достаточной газогенерации). При этом в 50% закартированных проявлений АКМп наблюдались в ассоциации с газовыми гидратами. В остальных районах присутствие газовых гидратов предполагается по косвенным признакам. Таким образом, существуют предпосылки для констатации взаимосвязи процессов образования АКМп и газовых гидратов.

2. Обнаружение АКМп в древних отложениях, расположенных в настоящее время на суше, свидетельствует о массовом распространении УВ ОРФ как минимум 350 млн. лет назад.

3.По морфологии, минеральному составу, положению в осадке и ассоциации АКМп с газовыми гидратами выделены и охарактеризованы различными параметрами три их основных типа: хемогермы, терригенно-диагенетические и клатриты.

4. На основании измерений 513С карбонатов и расчетов изотопного состава гипотетических источников этого углерода было установлено, что формирование аутигенных карбонатов в УВ ОРФ происходит в основном за счет миграционного метана (различной природы). Поскольку основной предпосылкой образования гидратов в ОРФ является именно восходящая фильтрация газа, то разгружающийся миграционный метан является общим источником углерода при формировании и газовых гидратов, и АКМп. Дополнительными источниками углерода в процессе формирования АКМп являются: ОВ, морская вода, вода разгружающегося флюида и раковинный детрит.

5. Расчеты вклада АКМп в состав захороненных раковин двустворчатых моллюсков из отложений УВ ОРФ по предложенной оригинальной методике позволили скорректировать данные радиоуглеродного анализа, полученные стандартным методом, и рассчитать возраст очагов разгрузки газа. Средний возраст УВ ОРФ северо-западного склона котловины Дерюгина (Охотское море) составляет 2,0 тыс. лет, а скорость осадконакопления - ~ 7,5 см/тыс. лет. Эффективность метода подтверждена результатами независимых определений.

6. Выявлена взаимосвязь процессов формирования аутигенных карбонатов и образования/разложения газовых гидратов. Во-первых, метан, фильтрующийся в сторону морского дна, является для них общим источником углерода. Во-вторых, в случае разгрузки свободного газа, поровая (морская) вода является общим источником кислорода для газовых гидратов и АКМп. Таким образом, можно оценить влияние процессов образования/разложения газовых гидратов на изотопный состав кислорода АКМп: аномально-легкий - свидетельствует об их формировании при образовании газовых гидратов, тогда как аномально-тяжелый - при разрушении последних. В-третьих, в случае разгрузки газонасыщенной воды источником кислорода для АКМп и газовых гидратов может быть как флюид, так и морская вода. В этом случае установить общность источников кислорода воды и влияние процессов образования/разложения газовых гидратов на формирование АКМп затруднительно.

Основные публикации по теме диссертации

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК РФ:

1. Э.М. Прасолов, К.И. Лохов, Е.А. Логвина Л.Л. Мазуренко, В.А. Соловьев, В.Н. Блинова, М.К. Иванов Происхождение карбонатов в районах современной подводной разгрузки флюидов по данным изотопной геохимии (Черное и Охотское моря, Кадисский залив). Региональная геология и металлогения, СПб.: ВСЕГЕИ, 2006, № 28, с. 158-173 ISSN: 31664.

2. Е.А. Логвина Различные сценарии формирования аутигенных минералов в отложениях очагов разгрузки флюидов. СПб.: Вестник СПбГУ. Сер. 7. Вып. 4. 2008, с. 46-61 ISSN: 36847.

3. Е.А. Логвина, Т.В. Матвеева Сравнение изотопного состава аутигенных карбонатов из различных районов Мирового океана. СПб.: Вестник СПбГУ. Сер. 7. Вып. 1.2009, с. с. 48-52 ISSN: 36847.

Статьи в других журналах и сборниках:

4. Шнюков Е.Ф., Лейн А.Ю., Егоров В.Н., Клещенко С.А., Гулин С.Б., Артемов Ю.Г., Арсланов Х.А., Кутний В.А., Логвина Е.А. Обнаружение в Черном море глубоководных карбонатных построек биогенного происхождения. Доклады Национальной академии наук Украины, №1,2004, с. 118-122 ISSN: 1025-6415.

5. Shoji Н., Soloviev V., Matveeva Т., Mazurenko L., Minami H, Hachikubo A., Sakagami H„ Hyakutake K., Kaulio V., Gladysch V., Logvina L„ Obzhirov A., Baranov В., Khlystov O., Biebow N., Poort J., Jin Y.K.,, Kim T. and other CHAOS project members. Hydrate-bearing structures in the Sea of Okhotsk. Eos, Transactions, American Geophysical Union, Vol. 86, No. 2,2005, p. 13-24 ISSN: 0096-3941.

6. Krylov A., Mazurenko L., Hachikubo A., Minami H., Logvina E.. Nikolaeva N., Kida M., Nunokawa Y., Nishio S., Obzhirov A., Jin Y., Poort J. & Shoji H. Sediments and Authigenic Carbonates Related to Gas-Hydrates in the Sea of Okhotsk: First Results from the CHAOS 2005 Expedition. Gas Hydrates for the Future Energy and Environment, Proceedings of the 2nd International Workshop on Gas Hydrate Studies and Other Related Topics - for the Future Energy and Environment Considerations - October 22-23, 2005 Kitami, Japan. Eds. Hideyuki Tsunemoto, Hitoshi Shoji and Satoshi Yamashita. Published by the Kitami Institute of Technology, Kitami, March, 2007, p. 49-55 ISBN: 978-4-903845-00-5.

7. Матвеева T.B., Соловьев B.A., Мазуренко Л.Л., Логвина Е.А.. Куликова М.В. Газовые гидраты Мирового океана: механизмы образования, распространение, источники, ресурсный потенциал. 60 лет в Арктике, Антарктике и Мировом Океане. СПб.: ВНИИОкеангеология, 2008, с. 409-426 ISBN:978-5-88994-079-l.

Материалы конференций:

8. Логвина Е.А.. Егоров В.Н., Иванов М.К. Карбонатообразование в черноморских очагах разгрузки газа. Отв. ред. А.Н. Дмитриевский, А.Э. Конторович. «Генезис нефти и газа», Москва, ГЕОС, 2003, с. 179-180 ISBN 5-89118-300-5.

9. Логвина Е.А.. Егоров В.Н. О карбонатных постройках в очагах разгрузки газа в Черном море. Материалы международной конференции «Новые идеи в науках о Земле», Москва, 2003, т. 1, с. 235.

10. Logvina Е.А.. Mazurenko L.L. On the age of carbonate formations associated with gas seeps, the Black Sea. Abstracts of the Ocean Margin Research Conference, 15-17 September, Paris, 2003, p. 35

11. Logvina E.. Mazurenko L. Carbonate formations associated with fluid venting (Black

Sea): results of isotopic studies. EGU General assembly, 2004, EGU04-A-03428, CD-ROM. ISSN: 1029-7006.

12. Logvina E.A.. Mazurenko L.L., Ivanov M.K., Egorov V.N. On the peculiarities of authigenic carbonate formations in the Black Sea. Mineral of the Ocean integrated strategies 2, Saint-Petersburg, 2004, p. 190-192.

13. Logvina E.. Mazurenko L., Prasolov E. Isotopic composition of carbon-13 and oxygen-18 from authigenic carbonates, Black Sea region. AGU, 85(17), Joint Assembly Suppl., Abstract, Montreal, Canada, 2004, p. JA542.

14. Логвина Е.Д.. Мазуренко Л.Л., Иванов M.K., Блинова В. Сравнительная характеристика изотопного состава карбонатов в очагах разгрузки флюидов в Черном, Норвежском морях и Кадисском заливе. Тезисы докладов всероссийской конференции «Дегазация Земли: геофлюиды, нефть и газ, парагенез в системе горючих ископаемых», Москва, 2005, с. 17-18.

15. Logvina Е.А.. Mazurenko L.L., Ivanov М.К. Some properties of the authigenic carbonates associated with fluid venting, the Black Sea Theses if IV All-Ukranian research-and-practical conference of the young scientists devoted to the problems of the Black and Azov seas "Pontus Euxinus - 2005", May 24-27, Sevastopol, 2005, p. 81-82 ISBN: 966-02-3611-5.

16. Logvina E.. Mazurenko L„ Soloviev V., Ivanov M., Prasolov E., Blinova V. Influence of gas-hydrate forming fluid on the isotopic composition of authigenic carbonates: comparative study of the Black Sea and the Gulf of Cadiz. Program and Abstracts Book of the International conference and 15th Anniversary Training Through Research Post-Cruise Meeting «Geological Processes on Deep-Water European Margins», 29 January - 4 February 2006. Moscow/Zvenigorod, Russia. 2006, p. 48.

17. Logvina E.. Mazurenko L., Soloviev V., Prasolov E., Ivanov M., Krylov A., Matveeva Т., Blinova V., Shoji H., Obzhirov A., Jin Y.K. Authigenic carbonates associated with gas hydrate-forming fluid venting: the source of 5'80 and 8I3C. International Conference "Minerals of the Ocean-3: future developments". St.Petersburg, VNIIOkeangeologia, 19-22 June 2006, Saint-Petersburg, VNIIOkeangeologia, 19-23 June, 2006, p. 81-83.

18. Logvina E. Authigenic carbonate fonnation in gas hydrate-bearing sediments. International conference on gas hydrate studies, Irkutsk, 2007, p. 36.

19. Logvina E., Mazurenko L., van Weering T.C.E., Ivanov M., Stadnitskaia A., Blinova V. The formation history of dolomite chimneys based on the 8lxO and 813C data (the Gulf of Cadiz, NE Atlantic). Journal of 4s' EGU General Assembly Abstracts. Vienna, Austria, Geophysical Research Abstracts, Vol. 9,08381, 2007, EGU2007-A-08381, CD-ROM, ISSN: 1029-7006.

20. Logvina E.. Matveeva T. Oxygen-18 and carbon-13 isotopic composition of authigenic carbonates from fluid vents: implications for the precipitation reconstructions. 33rd IGC, Oslo, 2008, August 6-14lh, CD-ROM.

21. Logvina E.. Prasolov E. and Matveeva T. Radiocarbon dating of clam shells related to the gas venting structures (the Sea of Okhotsk). 5lh Annual meeting of the Asia Ocean Geosciences Society, Korea, Busan, 16-20 June, 2008, CD-ROM, ISBN: 978-981-08-0351-3.

22. Logvina E.. Matveeva Т., Mazurenko L., van Weering T.C.E., Ivanov M., Stadnitskaia A. and Blinova V. Stable carbon and oxygen isotope compositions of methane-derived carbonates from different fluid venting locations. EGU General Assembly, Viena, Avstria, Geophysical Research Abstracts, Vol. 10, 2008, EGU2008-A-06087, CD-ROM, ISSN: 10297006.

23. Логвина E.A. Осаждение аутигенных минералов в отложениях углеводородных очагов разгрузки флюидов. Материалы всероссийской конференции «Дегазация Земли:

.У

геофлюиды, нефть, газ и их парагенезы», Москва, ГЕОС, 2008, с. 283-285.

24. Логвина Е.А. Интерпретация данных изотопного состава 8,sO и 8ПС аутогенных карбонатов из отложений углеводородных очагах разгрузки флюидов. Материалы всероссийской конференции «Дегазация Земли: геофлюиды, нефть, газ и их парагенезы», Москва, ГЕОС, 2008, с. 281-282.

25. Alexey Krylov, Elizaveta Logvina, Akihiro Hachikubo, Hirotsugu Minami, Yutaka Nunokawa, Hitoshi Shoji, Leonid Mazurenko, Tatyana Matveeva, Anatoly Obzhirov, Young Keun Jin Authigenic carbonates related to gas seepage structures in the Sea of Okhotsk (NE offshore Sakhalin): results from the CHAOS project. 6th International Conference on Gas Hydrates (ICGH 2008), CD-ROM.

26. Elizaveta Logvina. Eduard Prasolov, Tatiana Matveeva The age of clam shells from hydrate- bearing gas vents by C14 dating (the Sea of Okhotsk). International Conference "Minerals of the Ocean-4: future developments". St.Petersburg, VNUOkeangeologia, 12-14 May 2008, Saint-Petersburg, VNUOkeangeologia, 2008, p. 126-127.

27. Elizaveta Logvina. Tatiana Matveeva, Eduard Prasolov Origin indicators of methane-derived authigenic carbonates by isotopic and chemical composition. International Conference "Minerals of the Ocean-4: future developments". St.Petersburg, VNUOkeangeologia, 12-14 May 2008, Saint-Petersburg, VNUOkeangeologia, 2008, p. 128-129.

28. Логвина Е.А. О формировании аутигенных минералов в отложениях очагов фокусированной разгрузки газа различных районов Мирового океана. Сборник тезисов докладов научно-практического семинара молодых ученых и специалистов, приуроченный к проведению технологической экспедиции ООО «ВНИИГАЗ» «Байкальские гидраты», Москва, ВНИИГАЗ, 2008, с. 17.

29. Elizaveta Logvina. Alexey Krylov, Tatiana Matveeva, Alina Stadnitskaia, Tjecrd.C.E. van Weering, Michael Ivanov and Valentina Blinova The authigenic chimney formation in the Gibraltar diapiric Ridge (NE Atlantic). 9lh International Conference on Gas in Marine Sediments, Bremen, Germany, September 15-19, 2008, p. 38-39.

30. Логвина E.A.. Крылов A.A., Матвеева T.B.. Иванов М.К., Стадницкая A.M. Особенности формирования аутигенных карбонатных труб СВ Атлантического океана (пролив Гибралтар). 1 Международная научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов, посвященная памяти академика А. П. Карпинского, 24-27 февраля 2009 г. Тезисы докладов. СПб.: Изд-во ВСЕГЕИ, с. 508-512 ISBN: 97S-5-93761-118-5

31. Elizaveta A. Logvina. Alexey A. Krylov, Tatiana V. Matveeva, Alina N. Stadnitskaia, Tjeerd C.E. van Weering, Michael K. Ivanov and Valentina N. Blinova Carbonate chimney study: the Gibraltar Diapiric Ridge area (NE Atlantic). Abstracts Book of the International conference and 17,h Post-Cruise Meeting «Geo-marine research on the Mediterranean and European-Atlantic margins», 2nd-5lh February 2009, Granada, 2009, p. 33-34.

Подписано к печати 18.06.2009 г. Печ. л. 1,1. Уч.-изд. л. 1,2.

_Формат 60*90/16. Тираж 100 экз._

Отпечатано в секторе информационного обеспечения недропользования ОНАиМО ФГУП «ВНИИОкеангеология им И.С. Грамберга» 190121, Санкт-Петербург, наб. р.Мойки 120

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Логвина, Елизавета Александровна

Список сокращений.•.•.

Введение.

Глава 1. Аутигенные минералы в очагах разгрузки углеводородных флюидов.

1.1. Диагностические признаки очагов разгрузки флюидов.

1.2. Аутигенная минерализация в различных типах очагов разгрузки углеводородных флюидов (УВ ОРФ).

1.3. Скопления газовых гидратов в отложениях очагов разгрузки флюидов.

1.4. Биологические сообщества и их метаболизм.

1.5. Формирование аутигенных минералов.

1.6. Распространение аутигенных карбонатов метано-производных.

1.7. Изотопные индикаторы формирования аутигенных карбонатов.

Глава 2. Материалы и ме годы.

2.1. Материалы экспедиции.

2.2. Аналитические методы.

Глава 3. Морфология и минеральный состав аутигенных карбонатов в отложениях очагов разгрузки углеводородных флюидов (обзор фактического материала).

3.1. Норвежско-Баренцевоморский регион.

3.1.1. Грязевой вулкан «Хаакон Мосби».

3.1.2. Плато Воринг, оползень Сторрега.

3.2. Черное море.

3.2.1. Северо-западная часть Черного моря.

3.2.2. Центральная часть Черного моря.

3.2.2. Район прогиба Сорокина.

3.3. Охотское море.

3.4. Северо-восточная часть Атлантического океана.

3.4.1. Прибрежье Марокко.

3.4.2. Кадисский залив.

3.4.3. Гибралтарский пролив.

3.5. Типизация аутигенных карбонатов метапо-производпых (АКМп).

Глава 4. Источники углерода и кислорода, участвующие в формировании аутигенных карбонатов в отложениях УВ ОРФ.

4.1. Изотопный состав углерода метана.

4.1.1. Норвежско-Баренцевоморская окраина, грязевой вулкан «Хаакон Мосби»

4.1.2. Черное море.

4.1.3. Охотское море, северо-западный склон котловины Дерюгина.

4.1.4. Северо-восточная часть Атлантического океана.

4.2. Возраст очагов разгрузки флюидов на основании радиоуглеродных датировок.

4.3. Реконструкция палеоусловий формирования аутигенных карбонатов.

4.3.1. Норвежско-Баренцевоморский регион.

4.3.2. Черное море.

4.3.3. Охотское море.

4.3.4. Северо-восточная часть Атлантического океана.

Глава 5. Анализ взаимосвязи процессов образования газовых гидратов и аутигенных карбонатов метано-производных (АКМп).

5.1. Гпдрогеохимические аномалии и распределение АКМп и газовых гидратов в отложениях очагов разгрузки УВ флюидов в Охотском море.

5.2. Процессы изотопного обмена в ходе формирования аутигенных карбонатов и газовых гидратов.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Аутигенное карбонатообразование в газогидратообразующих очагах разгрузки флюидов"

Аутнгенные минералы (от греч. autigenny — местного происхождения) - минералы осадочных пород, образовавшиеся в процессе седиментации или последующих преобразований осадка на месте его захоронения (Теодорович, 1958). Первые описания особого типа аутогенных карбонатов, формирующихся за счет окисления метана в отложениях очагов разгрузки углеводородных (УВ) флюидов, появились в конце 60-х годов двадцатого века (Hathaway and Degenes, 1968). Позднее они получили название «methane-derived authigenic carbonates» (Fuex, 1977) - «Аутогенные Карбонаты Метано-производные» (АКМп). Формирование особого типа аутогенной минерализации является одной из составляющих геохимического цикла углерода в океане.

АКМп формируются в местах, где имеется достаточное количество водорастворенного кальция и гидрокарбонат-иона. Последний образуется при окислении углеводородов, в первую очередь метана, при определенных условиях. Такие условия обеспечиваются, преимущественно, при фокусированной разгрузке углеводородсодержащих потоков, которая приводит к образованию на морском дне специфических структур - очагов разгрузки флюидов (ОРФ). Кроме АКМп, в отложениях ОРФ часто формируются и газовые гидраты, необходимым условием для образования которых (среди прочих), является достаточное для пересыщения поровых вод количество газа. Проявления аутогенной минерализации в ассоциации со скоплениями газовых гидратов известны во многих районах Мирового океана, в акваториях окраинных, внутренних морей, на озере Байкал, в местах, где широко распространены очаги разгрузки углеводородных флюидов различного типа.

Образование АКМп происходит вследствие жизнедеятельности специфических микробиологических сообществ (царства Archaea и сульфатредуцирующие бактерии), обитающих в областях разгрузки углеводородных флюидов. Весь цикл биологических процессов жизнедеятельности этих сообществ до сих пор полностью не изучен. Поскольку основным условием формирования аутогенных карбонатов (так же как и газовых гидратов) является наличие достаточного количества газа, в первую очередь метана, газовые гидраты, образующие скопления в ОРФ, могут играть определенную роль при формировании АКМп. Предполагается, что формирование АКМп может происходить вследствие образования и/или разложения газовых гидратов. Достоверных научно-обоснованных фактов, позволяющих подтвердить или опровергнуть данное предположение, нет, ввиду ограниченного количества специальных работ, посвященных этой тематике. Именно поэтому, определение степени участия газовых гидратов в цикле формирования карбонатов представляется важным и интересным с научной точки зрения.

Актуальность исследований. Поскольку АКМп являются особым типом аутигенной минерализации, формирующимся в отложениях и на поверхности современных очагов разгрузки углеводородных флюидов, изучение процесса образования АКМп, как одного из составляющих глобального цикла углерода на Земле, представляется весьма актуальным.

Метан, вследствие его высокой мобильности, является не только одним из компонентов газовых гидратов и источником углерода для формирования карбонатов, но и одним из активных парниковых газов. Относительная эффективность метана, как парникового газа, удерживающего тепло в атмосфере, в 25-30 раз выше, чем углекислого газа (Бэйтс и др., 2008). Поступая в гидро- и затем в атмосферу, он играет значительную роль в глобальном изменении климата. Поскольку метан обладает наивысшей среди прочих углеводородов растворимостью в воде, именно он является основным компонентом газовых гидратов. Таким образом, в отложениях очагов разгрузки УВ флюидов (в основном метановых), АКМп и газовые гидраты создают геохимический барьер, препятствующий поступлению метана и углекислого газа в атмосферу.

Интерес мирового геологического сообщества к проявлениям аутигенной минерализации, а также к скоплениям газовых гидратов в отложениях очагов разгрузки УВ флюидов, возрастает год от года. И если на изучение последних, помимо международных проектов, направлены зарубежные национальные программы (в связи с тем, что газовые гидраты рассматриваются в качестве потенциального горючего полезного ископаемого), то изучению АКМп, особенно в нашей стране, уделяется все еще недостаточное внимание. Следует отметить, что данная работа направлена, в том числе, и на восполнение пробелов в этом направлении.

Цели и задачи исследования. Пели работы: определить состав, источники углерода и кислорода, участвующих в формировании аутигенных карбонатов, и выявить взаимосвязи процессов образования газовых гидратов и аутигенных карбонатов в отложениях очагов разгрузки углеводородных флюидов.

Для достижения поставленных целей, решались следующие задачи:

2. Изучить минеральный и изотопный состав (813С и 8180) аутигенных карбонатов, выявить источники углерода и реконструировать палеоусловия их формирования на примерах очагов разгрузки УВ флюидов Черного и Охотского морей, Норвежско-Баренцевоморского региона, северо-восточной части Атлантического океана.

3. Датировать радиоуглеродным методом возраст раковин, захороненных в отложениях очагов разгрузки углеводородных флюидов, и на этой основе, определить возраст последних (на примере Охотского моря). Оценить эффективность выбранной методики для определения возраста очагов разгрузки углеводородов.

4. По результатам определений изотопного состава углерода и кислорода аутигенных карбонатов, воды (морской, поровой и гидратной), газа (гидратного и в осадке), температурным параметрам, особенностям литологического состава осадков (распределение аутигенных карбонатов, газовых гидратов, текстуры и др.), содержания в них общего углерода и химического состава поровых вод, выявить возможные взаимосвязи процессов образования аутигенных карбонатов и газовых гидратов в отложениях очагов разгрузки УВ флюидов.

Научная новизна и практическое значение. В данной работе формирование АКМп впервые рассматривается в тесной взаимосвязи с газогидратообразованием. Рассмотрены возможные процессы взаимодействия АКМп и газовых гидратов в отложениях очагов разгрузки флюидов различного типа (фокусированные потоки УВ газов, газонасыщенной воды и нефти или грязевулканические) на примере акваторий Черного и Охотского морей, Норвежско-Баренцевоморского региона и СВ части Атлантического океана. Представлена наиболее полная на сегодняшний день сводная карта распространения известных проявлений АКМп в акваториях и на суше. Положение АКМп в акваториях рассматривалось по отношению к распространению зоны стабильности газовых гидратов, что позволило проанализировать их сонахождение в современных очагах разгрузки УВ флюидов. Анализ распространения АКМп на континенте (по данным изотопного состава углерода) позволил охарактеризовать районы палеоразгрузки углеводородных флюидов.

Предложена оригинальная методика расчета вклада процессов аутогенного карбонатообразования в диагенетические процессы, протекающие в отложениях очагов разгрузки углеводородов. Сделана попытка оценить влияние таких процессов на изменение минерального состава захороненных хемотрофных раковин двустворок, что, в конечном счете, позволило оценить возраст изученных очагов разгрузки УВ флюидов в акватории Охотского моря.

Представляется, что результаты исследований, полученные в ходе выполнения данной работы, вносят существенный вклад в актуальную проблему изучения аутигенных карбонатов в отложениях очагов разгрузки углеводородных флюидов. Данные по распространению, изотопному и минеральному составу аутигенных карбонатов, позволяющие выявить исходный состав и источники разгружающихся на дне флюидов, могут быть рекомендованы в качестве геохимического признака при поиске и разведке углеводородов.

Защищаемые положения:

1)По происхождению, минеральному и изотопному составам и связи с газогидратообразованием, АКМп, в целом, подразделяются на три типа: хемогермы, терригенно-диагенетические и клатриты.

2) Основным источником углерода, участвующим в формировании аутогенных карбонатов в отложениях очагов разгрузки углеводородных флюидов, является миграционный метан различного происхождения.

3) Комплексное изучение изотопного состава углерода АКМп и радиоуглеродное датирование захороненных раковин двустворчатых моллюсков позволяют определить возраст очагов разгрузки углеводородных флюидов.

4) Прослеживается взаимосвязь между процессами формирования аутигенных карбонатов и образованием/разложением газовых гидратов, обусловленная типом, условиями флюидной разгрузки и составом разгружающегося углеводородного флюида.

2003 г.), Охотского морей (НИС «Академик М.А. Лаврентьев» 2003-2007 гг.), и в северовосточной части Атлантического океана, пролив Гибралтар (НИС «Профессор Логачев»

2004 г.). Следует отметить, что проблемы, освещенные в данной работе, явились частью исследований, проводимых в лаборатории нетрадиционных источников углеводородов ФГУП «ВНИИОкеангеология им И.С. Грамберга» с 2001 по 2008 гг. в рамках ряда российских и международных проектов Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ №02-05-64346, №05-05-66860МФа), Российско-германской лаборатории полярных исследований им. Отто Ю. Шмидта (OSL №03-14, №05-17, №0612, №07-08, в том числе одного индивидуального), в которых автор принимал активное участие.

Автором также была составлена карта распространения современных и древних проявлений аутогенной минерализации, связанной с разгрузкой УВ флюидов в акваториях и на суше. На основании анализа морфологии, минерального состава и особенностей формирования, выполнена типизация проявлений АКМп.

Автором была успешно решена задача по выявлению состава и происхождения АКМп с использованием изотопных, минералогических и геохимических данных. Методика коррекции радиоуглеродного возраста раковин, захороненных в отложениях очагов разгрузки УВ флюидов, разрабатывалась, в том числе, и при участии автора.

Апробация работы. Результаты исследований были представлены на всероссийской конференции по проблемам нефти и газа «Генезис нефти и газа», (Москва, 2003); IV Международной конференции «Новые идеи в науках о Земле», (Москва, 2003); Международной конференции «Исследования на океанском шельфе» (Париж, 2003); 1, 4, и 5-ой генеральных ассамблеях Европейского Географического Общества («EGU General assembly», Ницца, 2004; Вена, 2007-9); 2, 3 и 4-ой международных конференциях «Полезные ископаемые Мирового океана» (Санкт-Петербург, 2004, 2006, 2008); XVII и XVIII симпозиумах по геохимии изотопов имени академика А.П. Виноградова (Москва, 2004, 2007); 8 п 9-ой международных конференциях «Газ в морских отложениях» (Виго, 2005; Бремен, 2008); Всероссийской конференции «Дегазация Земли: геофлюиды, нефть и газ, парагенез в системе горючих ископаемых» (Москва, 2005, 2008); VI всеукраинской научно-практической конференции молодых ученых по проблемам Черного и Азовского морей «Понт Эвксинский-2005» (Севастополь, 2005); международных конференциях по программе «Обучение через исследование - TTR-15, TTR-17, «Геологические процессы глубоководных европейских окраин» (Звенигород, 2006, Гранада, 2009); международной конференции Геологического общества Лондона «Технологии и освоение углеводородов» (Лондон, 2006); международной конференции по изучению газовых гидратов (Иркутск, 2007); 7-ом международном симпозиуме по прикладной изотопной геохимии (Стелленбос,

2007); 32 и 33-ых международных геологических конгрессах (Флоренция, 2004; Осло,

2008); ежегодном совещании азиатского общества наук о Земле и Океане (Пусан, 2008); 1-ой международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов, посвященной памяти академика А.П. Карпинского (Санкт-Петербург, 2009).

Благодарности. Работа посвящена памяти безвременно ушедших В.А. Соловьева и Л.Л. Мазуренко — первых наставников и руководителей настоящих исследований. Без их постоянной поддержки, полезных советов и идей эта работа не была бы полноценной.

Автор благодарен научным руководителям д.г.-м.н., проф. О.И. Супруненко и к.г.-м.н. Т.В. Матвеевой за неоценимую помощь, полезные советы, конструктивные обсуждения и поддержку на всех этапах проведения исследований.

Особенно хочется выразить благодарность заведующему лабораторией изотопной геологии флюидов СПбГУ, д.г.-м.н. Э.М. Прасолову и с.н.с. лаборатории нетрадиционных источников углеводородов ФГУП «ВНИИОкеангеология им. И.С. Грамберга» к.г.-м.н. A.A. Крылову за обсуждение и помощь в вопросах, связанных с изотопной геохимией и процессами карбонатообразования, а также полезные советы в процессе написания работы. Огромное спасибо всем сотрудникам лаборатории нетрадиционных источников углеводородов за помощь и содействие, оказанное на различных этапах выполнения работы.

Автор искренне благодарен М.К. Иванову, А.Н. Стадницкой, В.Н. Блиновой и всем сотрудникам ЮНЕСКО-центра при МГУ по геологии и геофизике, а также участникам рейса TTR-14, помогавшим в сборе и любезно предоставившим материалы, использованные в данной работе.

Автор выражает глубокую признательность начальникам и организаторам экспедиций в акватории Охотского моря, проходившим в рамках проекта ХАОС (CHAOS I-III) и SSGHP («Sakhalin Slope Gas Hydrate Project») А.И. Обжирову, H.A. Николаевой, О.Ф. Верещагиной, X. Шоджи, Я.К. Джину и всем участникам рейсов, проводившихся на НИС «Академик М.А. Лаврентьев» в Охотском море, за помощь и содействие в сборе материалов для исследований.

Основные представления по литологии, морской и нефтяной геологии, были получены автором в курсе лекций, проводимых сотрудниками кафедры литологии и морской геологии СПбГУ С.М. Усенковым, Г.А. Черкашевым, М.А. Тугаровой, В.П. Якуцени, Э.И. Сергеевой, С.М. Платоновым, Е.Г. Пановой.

Проведение возрастных датировок было бы невозможно без участия сотрудников лаборатории палеогеографии и геохронологии четвертичного периода НИИ Географии СПбГУ Х.А. Арсланова и его сотрудников.

Отдельно хотелось бы поблагодарить д.б.н. Е.В. Павлову, В.О. Павлову и A.A. Григоренко за помощь в выборе научного жизненного пути, за моральную и психологическую поддержку на всех этапах написания работы.

Автор благодарит всех родственников, друзей и коллег, чью поддержку и внимание автор чувствовал на постоянно всех этапах подготовки работы.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, подразделяющихся на разделы и подразделы, заключения, списка сокращений, списка литературы и четырех приложений. Объем работы составляет 255 страниц, диссертация иллюстрирована 63 рисунками, 7 таблицами, содержит библиографию из 268 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Океанология", Логвина, Елизавета Александровна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные комплексные исследования позволили определить состав, источники углерода и кислорода, участвующих в формировании аутогенных карбонатов и выявить взаимосвязь процессов их образования с газовыми гидратами в отложениях очагов разгрузки углеводородных флюидов. Результаты, полученные в ходе выполнения данной работы, можно обобщить следующим образом:

1. Большинство из известных проявлений аутогенной карбонатной минерализации в отложениях очагов разгрузки УВ флюидов в акваториях расположены в пределах зоны стабильности газовых гидратов, оцененной по термобарическим условиям, а также в пределах потенциально газогидратоносных акваторий (характеризующихся не только Р-Т, но и условиями, благоприятными для достаточной газогенерации). При этом в 50% закартированных проявлений АКМп наблюдались в ассоциации с газовыми гидратами. В остальных районах присутствие газовых гидратов предполагается по косвенным признакам. Таким образом, существуют предпосылки для взаимосвязи процессов образования АКМп и газовых гидратов.

2. Обнаружение АКМп в древних отложениях, расположенных в настоящее время на суше, свидетельствует о массовом распространении очагов разгрузки УВ флюидов как минимум 350 млн. лет назад.

3. По морфологии, минеральному составу, положению в осадке и ассоциации АКМп с газовыми гидратами, выделены и охарактеризованы различными параметрами три их основных типа: хемогермы, терригенно-диагенетические и клатриты.

4. На основании измерений изотопного состава углерода карбонатов и расчетов изотопного состава гипотетических источников этого углерода было установлено, что формирование аутогенных карбонатов в УВ ОРФ происходит в основном за счет миграционного метана (различной природы). Поскольку основной предпосылкой образования гидратов в очагах разгрузки флюидов является именно восходящая фильтрация газа, то разгружающийся миграционный метан является общим источником углерода при формировании и газовых гидратов, и АКМп. Дополнительными источниками углерода в процессе формирования АКМп являются: ОВ, морская вода, вода разгружающегося флюида и раковинный детрит.

5. Расчеты вклада АКМп в состав захороненных раковин двустворчатых моллюсков из отложений УВ ОРФ по предложенной оригинальной методике позволили скорректировать данные радиоуглеродного анализа, полученные стандартным методом, и рассчитать возраст очагов разгрузки газа. Средний возраст УВ ОРФ северо-западного склона котловины Дерюгина (Охотское море) составляет 2,0 тыс. лет, а скорость осадконакопления — 7,5 см/тыс. лет. Эффективность метода подтверждена результатами независимых определений.

6. Выявлена взаимосвязь процессов формирования аутигенных карбонатов и образования/разложения газовых гидратов. Во-первых, метан, фильтрующийся в сторону морского дна, является для них общим источником углерода. Во-вторых, в случае разгрузки свободного газа общим источником кислорода для газовых гидратов и АКМп является поровая (морская) вода. Таким образом, можно оценить влияние процессов образования/разложения газовых гидратов на изотопный состав кислорода АКМп: аномально-легкий - свидетельствует об их формировании при образовании газовых гидратов, тогда как аномально-тяжелый - при разрушении последних. В-третьих, в случае разгрузки газонасыщенной воды, источником кислорода для АКМп и газовых гидратов может быть как флюид, так и морская вода. В этом случае, установить общность источников кислорода воды и влияние процессов образования/разложения газовых гидратов на формирование АКМп затруднительно.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Логвина, Елизавета Александровна, Санкт-Петербург

1. Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК РФ:

2. Е.А. Логвина Различные сценарии формирования аутигенных минералов в отложениях очагов разгрузки флюидов. СПб.: Вестник СПбГУ. Сер. 7. Вып. 4. 2008, с. 4661 ISSN: 36847.

3. Е.А. Логвина, Т.В. Матвеева Сравнение изотопного состава аутигенных карбонатов из различных районов Мирового океана. СПб.: Вестник СПбГУ. Сер. 7. Вып. 1.2009, с. 48-52 ISSN: 36847.

4. Статьи в других журналах и сборниках:

5. Е.А. Логвина Результаты рейса НИС «Профессор Логачев» в северо-восточной части Атлантического океана и Средиземном море (TTR-14). Экспедиционные исследования «ВНИИОкеангеология» в 2004 году. Ежегодный обзор. СПб.: ВНИИОкеангеология, 2005, с. 29-37.

6. Е. Логвина, В. Гладыш, Б. Смирнов, А. Сазонов, М. Куликова, Е. Бекетов, Т. Матвеева, Я. Джин, X. Шоджи, А. Обжиров, Н. Николаева Экспедиционные работы в Охотском море по изучению скоплений газовых гидратов (проект SSGH-07).

7. Экспедиционные исследования «ВНИИОкеангеология» в 2007 году. Ежегодный обзор. СПб.: ВНИИОкеангеология, 2008, с. 72-75 ISBN:978-5-88994-077-7.

8. Логвина Е.А., Егоров В.Н., Иванов М.К. Карбонатообразование в черноморских очагах разгрузки газа. Отв. ред. А.Н. Дмитриевский, А.Э. Конторович. «Генезис нефти и газа», Москва, ГЕОС, 2003, с. 179-180 ISBN 5-89118-300-5.

9. Логвина Е.А., Егоров В.Н. О карбонатных постройках в очагах разгрузки газа в Черном море. Материалы международной конференции «Новые идеи в науках о Земле», Москва, 2003, т. 1, с. 235.

10. Logvina Е.А., Mazurenko L.L. On the age of carbonate formations associated with gas seeps, the Black Sea. Abstracts of the Ocean Margin Research Conference, 15-17 September, Paris, 2003, p. 35

11. Logvina E., Mazurenko L. Carbonate formations associated with fluid venting (Black Sea): results of isotopic studies. EGU 1st General assembly, 2004, EGU04-A-03428, CD-ROM, ISSN: 1029-7006.

12. E.A. Logvina, L.L. Mazurenko, M.K. Ivanov, V.N. Egorov On the peculiarities of authigenic carbonate formations in the Black Sea. Mineral of the Ocean integrated strategies 2, Saint-Petersburg, 2004, p. 190-192.

13. Logvina Elizaveta, Mazurenko Leonid, Prasolov Eduard Isotopic composition of carbon-13 and oxygen-18 from authigenic carbonates, Black Sea region. AGU, 85(17), Joint Assembly Suppl., Abstract, Montreal, Canada, 2004, p. JA542.

14. Logvina E. Authigenic carbonate formation in gas hydrate-bearing sediments. International conference on gas hydrate studies, Irkutsk, 2007, p. 36.

15. E. Logvina, T. Matveeva Oxygen-18 and carbon-13 isotopic composition of authigenic carbonates from fluid vents: implications for the precipitation reconstructions. 33rd IGC, Oslo,2008, August 6-14th, CD-ROM.

16. Е.А. Логвина Осаждение аутигенных минералов в отложениях углеводородных очагов разгрузки флюидов. Материалы всероссийской конференции «Дегазация Земли: геофлюиды, нефть, газ и их парагенезы», Москва, ГЕОС, 2008, с. 283-285.

Информация о работе

Логвина, Елизавета Александровна
кандидата геолого-минералогических наук
Санкт-Петербург, 2009
ВАК 25.00.28

Диссертация

Аутигенное карбонатообразование в газогидратообразующих очагах разгрузки флюидов - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы