Субмаринные газовые гидраты (образование и распространение)

Гинсбург, Габриель Давыдович

Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему
Субмаринные газовые гидраты (образование и распространение)
ВАК РФ 04.00.10, Геология океанов и морей

Автореферат диссертации по теме "Субмаринные газовые гидраты (образование и распространение)"

Комитет Российской Федерации по геологии и использованию недр

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛВДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ И МИНЕРАЛЬНЫХ РЕСУРСОВ МИРОВОГО ОКЕАНА

На правах рукописи УДК 552.578.1(26)

Гинсбург Габриель Давыдович

СУБМАРИННЫЕ ГАЗОВЫЕ ГИДРАТЫ

(образование и распространение)

Специальность 04.00.10 - геология океанов и морей

Диссертация на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук в форме научного доклада

Санкт-Петербург 1994

РГ6 0/1

Работа выполнена во Всероссийской научно-исследовательском институте геологии я нхнеральных ресурсов Мирового океана ( ВНИИОкеангеология)

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Л.Н.Воронов доктор геолого-минералогических наук, профессор Л.Н.Павлов доктор геолого-минералогических наук В. Я. Усгрицкий

Ведущая организация:

Всероссийский нефтяной научно-исследовательский геолого-разведочный институт (ВНИГРИ)

Защита состоится 27 мая 1994 г. в 14.00 на заседании специализированного совета по присуждению учёных степеней Д. 071.14.01 при Всероссийском научно-исследовательском институте геологии и минеральных ресурсов Мирового океана (ВПИИОкеангеология)

по адресу: 190121 С-Петербург, пр. Маклина 1, факс (812) 114-14-70.

С основными опубликованными работами по теме диссертации в форме научного доклада можно ознакомиться в библиотеке ВНИИОкеангеология по адресу: 190121 С-Петербург, наб. р. Мойки, 120.

?а

Диссертация в форме научного доклада разослана «*- » апреля 1994 г.

Учёный секретарь совета кандидат геолого-кинералогхческих наук

И. А. Андреева

АКТУАПЬНОСТЬ ПРОБЛЕКЫ. Интерес к субнаряннык газовый гидратам определяется, прежде всего, тем, что они рассматриваются как резерв углеводородного сырья. Согласно оценкам, выполненным Ю. Ф. Макогоном, В.П.Царевым, А. А. Трофимуком, Н.В.Черским, К. А. Квенволденом (КуепУоЫеп), их энергетический потенциал на Земле, возможно, превышает потенциал всех прочих горючих ископаемых. Предполагается также, что газогидратоносными отложениями могут экранироваться залежи «нормального» газа и нефти. Гидраты газа рассматриваются также как компонент геологической среды, чувствительный к ее техногенным изменениям. Локальные изменения представляют интерес в инженерной геологии, глобальные - с позиций экологии. В первом случае имеется в виду специфика физико-механических свойств гидрат-содержащих грунтов и их очевидное изменение при техногенном разложении гидратов, во втором - возможность усиления на Земле парникового эффекта при выделении метана из гидратов в атмосферу в связи с антропогенным изменением климата. Для решения фундаментальных проблем общей геологии важно правильно оценить место субкаринного газогидратообразования в океаническом литогенезе - в процессах с участием газа и воды (геохимический цикл углерода, судьба поровой воды, мобильность осадочного материала на континентальных склонах), а также возможную специфику геотемпературного поля, обусловленную энергоёмкостью

образования-разложения гидратов.

Чтобы разобраться в этих важных для теории и практики вопросах, надо выяснить, каким образом, в каких масштабах происходит образование и разложение гидратов газа, как они распространены. Эта проблема признана одной из важнейших и наиболее актуальных проблем океанического литогенеза, подлежащих исследованию в ходе научного глубоководного бурения.

СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ К НАЧАЛУ НАШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ. К началу 80х годов были известны только самые первые ■ притон случайные находки

субмаринных гидратов; систематическое их изучение не проводилось.

Распространённая 'это время система взглядов постулировала,что, во-первых, субмарлнные гидраты газа образуются, в основном, из аутигенного газа, во-вторых, весь генерирующийся биохимический и попадающий в зону гидратообразования катагенетический газ стабилизуется в гидратах, в-третьих, гидраты распространены в океане повсеместно и залегают в виде сплошного слоя, который, в-четвёртых, непроницаем для свободного газа и под которым поэтому

- 4 -

скапливаются свободные углеводороды.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Вычвить геологические процессы, ответственные за образование субмаринных газовых гидратов, и дать теоретически обоснованный прогноз их распространения.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ РАБОТЫ:

Проанализировать геологические, геофизические и геохимические материалы натурных наблюдений гидратов газа и их признаков, установить геологические особенности гидратопроявлений, выявить типические геологические обстановки, благоприятные для гидратонакопления.

Рассмотреть возможные геологические модели образования газовых гидратов, проанализировать их эффективность.

- Изучить особенности газогидратообразования в геологической среде, рассмотреть специфику миграции флюидов в зоне стабильности гидратов, выявить механизмы газогидратонакоплекия.

- Дать количественную оценку субмаринной газогидратоносности, основанную на выработанных генетических представлениях и на материалах наблюдений.

НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ. Главным направлением исследований было теоретическое рассмотрение механизмов образования природных гидратов газа. Чтобы обеспечить успех теоретических построений, работа велась также в следующих трёх направлениях:

- Анализ всех мировых данных наблюдений газовых гидратов и их признаков.

- Экспедиционные исследования, специально предпринимавшиеся для поиска и изучения субмаринных гидратов.

Лабораторные эксперименты с целью выяснения специфики природного газогидратообразования.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Защищаемая диссертация - • это первое исследование, направленное на выяснение распространения субмаринных газовыу гидратов, рассматривающее возможные механизмы образования природных гидратов на основе анализа мировых данных наблюдений. Теоретическое исследование проблемы к одновременный анализ эмпирических данных позволили сформулировать и обосновать защищаемые положения диссертации. Все они выдвинуты впервые.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:

1. Субмаринное газогидратообразование присуще материковым и островным склонам и подножиям и глубоководью внутренних и окраинных морей, где сочетаются благоприятные для гмдратообразованхя

современные термобарические условия, генерация достаточного количества углеводородного газа и восходящий флюидоток.

2. Определяющая роль в накоплении субмаринных гидратов принадлежит восходящей фильтрации флюидов. Форна скоплений гидратов может быть жильной и пластовой.

3. Различаются два механизма накопления гидратов в отложениях:

а), осаждение из фильтрующегося насыщенного водного раствора газа и

б). стабилизация в результате сегрегации воды из вмещающих отложений газом, диффундирующим в зону реакции. Выделяются типические текстуры гидратоносных седиментитов, формирующиеся в результате этих процессов (соответственно): а), нассивная и жильные и б). шлировые.

4. Зона субмаринного газогидратообразования представляет собой фильтрационный геохимический барьер для углеводородного газа, эмигрирующего из стратисферы. Но здесь стабилизуется не весь газ, а имеют место «подбарьерный» и «надбарьерный» фильтрационнме переходы и существуют условия для диффузионного стока.

5. Газогидратоносность регионов определяется, главным образом, скоплениями гидратов (а не равномерным их распределением). Места гидратонакопления обусловлены неоднородностью геологического пространства.

6. Потенциально газогидратоносиые акватории занимают около 10%

площади Мирового океана, а скопления гидратов, в свою очередь, до

10% этой площади. Количество метана в субмаринных скоплениях

15 3

гидратов, вероятно, не превышает 10 м , а скопления, содержащие десятки миллиардов кубометров газа, скорее всего, следует считать крупными.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД И ФАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ. В основу диссертации положены результаты изучения субмаринных гидратов газа, проводившегося во ВНИИОкеангеология в плановом порядке с 1982г. За это время проанализированы данные о проявлениях газовых гидратов, включая материалы глубоководного бурения, а также данные, касающиеся косвенных признаков гидратов и методов их изучения -одним словом, вся доступная литература по этой проблеме. Успешно проведены 4 экспедиции, специально предпринятые для поиска и изучения субмаринных гидратов (в 1986 и 1988гг. в Каспийском море совместно с Институтом геологии АН Азербайджана, в 1988г. в Черном море совместно с ВЦ СО АН СССР, в 1991г. в Охотском море с ПГО «Дальморгеология»). Проводились лабораторные эксперименты,

направленные на выявление специфики природного

газогидратообразования. Автор был соисполнителем всех этих исследований, соорганизатором и соруководктелем названных морских экспедиций.

Ещё до начала плановых исследование БНИИОкеангеология по этой проблеме, в 1969г. автором была опубликована статья <06 образовании кристаллогидратов природных газов в недрах* - одна из первых статей, посвященных возможности и особенностям образования гидратов в стратисфере. В ней впервые дпя выделения термобарической зоны стабильности гидратов в вертикальных разрезах скважин и регионов выполнено графическое совмещение равновесных кривых гидратообразования в РТ-координатах и геотернограмм Т( II) в допущении об изменении давления Р с глубиной Н по закону «нормального» гидростатического (рис. 1) - приём, который сейчас широко используется. Хотя эта статья была посвящена гидратообразованию в области вечной мерзлоты, в ней высказано предположение, что этот процесс на Земле распространён шире, поскольку «низкими температурами при достаточно высоких давлениях характеризуются земные недра и под крупными акваториями* (с. 126).

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Полученные результаты, прежде всего, являются вкладок в понимание закономерностей образования и распространения субмаринных гидратов газа, без чего невозможно осознать их практическую значимость; вьпле отмечалось, что, с одной стороны, они могут явиться резервом углеводородного сырья, а с другой - представляют потенциальную опасность как нестабильный компонент техносферы; кроме того, выяснение их распространения и механизмов образования и разложения важно для теоретической геологии - для уточнения ветвей глобальных циклов углерода и воды, особенностей океанического литогенеза. Более конкретное значение имеют рекомендации по направлению исследований субмаринных гидратов в очагах субмаринной разгрузки флюидов. Предложения, касающиеся поиска и изучения скоплений гидратов в Каспийском, Черной и Охотском морях, частично успешно реализованы в морских экспедициях, проведенных ВНИИОкеангеология совместно с другими организациями (см. выше). Автор принимал непосредственное участие в составлении нескольких программ, которые были направлены на изучение субмаринных гидратов газа на общегосударственном (отраслевом) уровне (1983, 1989, 1990, 1991, 1993) ; правда, они не получили необходимой поддержки. В 1992г.

Рис.1. Оценка положения в разрезе термобарической зоны стабильности гидратов газа на основе графического совмещения равновесных кривых гидратообразования в РТ-координатах и гаотернограмк Т(Н). 1-3 - равновесные кривые образования гидратов природных газов разного состава (по Ю. Ф. Макогону и Г. X. Саркнсьянцу, 1966). 1-У - геотеркогракны различных площадей Енисей-Хатангского прогиба.

В.А.Соловьевым и автором направлено предложение в Директорат океанического бурения об изучении скопления гидратов в очаге разгрузки газа в Охотском норе, зарегистрированное под N417. Автор принимал участие в составлении первых нелкокасштабных карт условий газогидратоносности и потенциально газогидратоносных акваторий Мирового., океана, Северного Ледовитого океана и морей России. Наконец, непосредственно в геологической практике могут найти (и уже находят) применение методические приемы, предложенные и опробованные в ходе наших исследований: поиск гидратов по флюидоконтролирующим геологическим структурам, графический метод определения положения в разрезе зоны стабильности гидратов, параллельное изучение количества и состава воды в седиментитах.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ. Результаты работы докладывались и обсуждались на: заседании Гидрогеологической комиссии Всесоюзного географического общества и НТО Горное (Ленинград, 1983); XII и XIII Всесоюзных симпозиумах по стабильнын изотопам в геохимии (Москва, 19S9, 1992); совещаниях экспертов СЗВ по геологии и минеральным ресурсам Мирового океана (Ленинград, 1980; Геленджик, 1987); совещаниях экспертов в рамках сотрудничества СССР - Канада (Оттава, 1986; Ленинград, 1987, 1988); совещании по геотермии морей и океанов Комиссии АН СССР по проблемам Мирового океана (Москва, 1989); сессии Научного совета по криологии Земли АН СССР (Москва, 1988); Всесоюзной конференции «Комплексное освоение нефтегазовых ресурсов континентального шельфа СССР» (Москва, 1986); I Всесоюзной конференции по морской геофизике (Баку, 1987); заседании Комиссии по геотермическим исследованиям АН СССР (Звенигород, 1990); Всесоюзном совещании по подземным водам Востока СССР (Иркутск, 1989); 7, 8 и 10 Школах по морской геологии (Геленджик, 1986, 1988, 1992); заседании секции Научного совета по проблеме «Изучение океанов и морей и использование их ресурсов» ГКНТ СССР (Москва, 1988); I Всесоюзной конференции и Международном симпозиуме по нетрадиционным ресурсам углеводородного сырья (Ленинград, 1988; Санкт-Петербург, 1992); Ленинградском (1985) и Московском (1989) изотопных семинарах; XXYIII и XXIX сессиях Международного геологического конгресса (Вашингтон, 1989; Киото, 1992); международном симпозиуме «Тектоника, энергетические и минеральные ресурсы северо-западной Пацифики» (Хабаровск, 1989); международной конференции «Газ в морских осадках» (Дания, 1992); III семинаре-совещании «Газо-геохимические методы поисков

полезных ископаемых в Южно-Каспийской впадине» (Баку, 1989); заседании межведомственного семинара «Мониторинг малых газовых примесей в атмосфере» (Ленинград, 1989); XI Губкинских чтениях (Москва, 1989); Всероссийском совещании по геохимии углерода (Москва, 1992); совещании «Тектоника и магматизм Мирового океана» (Москва, 1992); международной конференции «Гидраты природных газов» (США, 1993); международной конференции Американской ассоциации геологов-нефтяников (AAPG, Гаага, 1993); рабочем совещании в рамках Российско-Германского сотрудничества в изучении геологии Охотского моря и Курильской дуги (Московская обл., 1993); семинарах в Геологических службах Канады (Сидней, 1989) и США (Менло Парк, 1991), в лаборатории хинии клатратов и коллоидов Национального исследовательского центра Канады (Оттава, 1989), в Институте вулканологии ДВО АН СССР (Петропавловск-Камчатский, 1989), в Геологическом институте АН СССР (Москва, 1390), в Колорадской горной школе (Голден, 1991), а также на заседаниях Ученого Совета ВНИИОкеангеология и его секции региональной и нефтяной геологии (1983, 1984, 1985, 1988, 1989, 1993).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 6Б работ, в том числе две написанные в соавторстве монографии.

БЛАГОДАРНОСТИ. Прежде всего автор благодарен В.А.Соловьеву, с которым мы вместе работали и вместе получили результаты, которые здесь рассматриваются. Автор признателен также другим коллегам. Е. С. Баркан и П. Хэнда (Handa) помогли понять особенности растворимости газа в воде в равновесии с гидратами, Ю. Г.Маширов и Д. Ю. Ступин - специфику газогидратообразования в пористой среде, С. А. Гулин - генетическое значение текстур пород, А. Н. Кремлев -особенности сейсмических записей, связанные с гидратоносностыо,

A.В.Егоров - диффузионную переконденсацию как механизм аккумуляции углеводородов. Вопросы изотопной геохимии газовых гидратов в изученных районах удалось осветить благодаря совместной работе с

3.М.Прасоловым, А. Д. Есиковым, А. Б. Верховским, И. Ю. Шабаевой,

B. И. Пашкиной. И.А.Алексеев, П.Е.Белов, А. В. Блинский, М.Н.Григорьев, А. А. Дадашев, Г.А.Иванова, А. Н. Кремлев, А. Г. Кротов, В. А. Лобков,

4. С.Мурадов, С.А.Казанцев, А. Д. Павленкин, Н.А.Салтыкова, Е. В. Телепнев, Н.С.Баранова, Р. Е. Кренстон (Cranston) и Т. Д. Лоренсон (Lorenson) плодотворно работали с авторон в экспедициях и участвовали в интерпретации полученных данных. Руководители и сотрудники ряда организаций Г. Г. Ткаченко, И. С. Гулиев, Р.А.Гусейнов,

-10В. Е. Царьков, В.К.Дуглас заинтересованно обеспечили проведение экспедиционных исследований. К. А. Квенволден, Т. С. Коллетт (Со11еи), Р. Е. Кренстон, Л. В. Поляк и Л. А. Торчигина передали нам ряд редких или вовсе отсутструющих в библиотеках нашей страны литературных источников. На последнем этапе, при оформлении работы большую помощь оказали А.В.Платонова и Н. П. Кустова.

Директор института И. С. Грамберг, его заместители В.Л.Иванов и Ю.И.Матвеев и ученый секретарь Э.М.Красиков содействовали постановке работы в целой и ее этапов.

Исследования, на результатах которых основана диссертация, выполнялись за счет средств госбюджета Мингео СССР (в настоящее время Роскомнедра) и за счет средств так называемой господдержки ГКНТ СССР (сейчас Миннауки Российской Федерации) по программам «Мировой океан» (раздел «Акванефть») и «Глобальные изменения природной среды и клината», а в 1993г. - также по гранту 93-05-8815 Российского фонда фундаментальных исследований.

1. АНАЛИЗ ДАННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ СУБМАРИННЫХ ГИДРАТОВ ГАЗА И ИХ ПРИЗНАКОВ

Субаквальные гидраты газа и их признаки наблюдались во всех океанах Земли и в глубоководных озерах (рис.2). Сами гидраты вскрыты в 14 районах на 14 станциях глубоководного бурения и в десятках грунтовых колонок в отложениях от голоцена до эоцена включительно, при глубине воды от 475 до 5478м, на поддонных глубинах до 404м, в том числе и непосредственно на дне. Еще в 33 районах установлены геофизические х геохимические признаки гидратов.

1. 1. Краткий обзор проявлений газовых гидратов

Непосредственные наблюдения природных гидратов газа сделаны в кернах глубоководных скважин в 9 районах: в Тихом океане в прибрежьях Перу (Перуанский жёлоб), Коста-Рики, Гватемалы и Мексики (Центральноамериканский жёлоб), США (штат Орегон, континентальный склон Каскадиа), в Японском море (хр. Окусири), в юго-восточном прибрежье Японии (жёлоб Нанкай) и в Атлантическом океане в прибрежье США, к юго-востоку (хр. Блейк-Аутер) и к югу (континентальный склон в Мексиканском заливе) от них. На рис.2 эти

Рис.2. Наблюдения субаквилышх гидратов газа и их признаков в Тихом (Р1-Р22), Атлантическом (А1-А14), Индийском (11), Северном Ледовитом (N1 -N15) и Южном (31-33) океанах, а также в озёрах (01-02).

районы обозначены соответственно Р 21,2,4,5,8,16 и 18; А 7 и 8. Эти находки описаны в опубликованных отчётах о рейсах DSDP-ODP 66, 67, 76, 84, 96, 112, 127, 131 и 146. В грунтовых колонках присутствие гидратов зафиксировано в Каспийском, Чёрном и Охотском морях (в последнем - в двух районах, в прибрежьях Парамушира и Сахалина), а также в Мексиканском заливе и в прибрежье северной Калифорнии; на рис. 2 эти районы обозначены О 1, А 13, Р 15 и 22, А 7 и Р 7. В трёх названных морях гидраты изучались в наших экспедициях, другие сведения взяты в публикациях (Ефремова и Гритчина, 1981; Ефремова и Жижченко, 1974; Конюхов и др., 1990; Корсаков и др., 1989, 1961; Зоненшайн к др., 1987; Brooks et al., 1984, 1986, 1991 и др.).

В ПЕРУАНСКОМ ЯЁЛОБЕ гидраты обнаружены в кернах двух скважин из четырёх, пробуренных при глубине воды более 500м, на континентальном склоне, в обоих случаях в богатых органическим веществом (сорг 2-8%) четвертичных диатомовых алевро-пелитах, слагающих склоновый чехол. В одной из скважин (N 688)выявлено одно проявление, в другой (N 68S) - два визуально и ещё десять по данным каротажа. Общая длина гидратоносного интервала в скважине 685 -100м, а длина участков керна с гидратами - сантиметры и десятки сантиметров; содержание гидратов в седиментитах, судя по фотографиям, 10-20%.

В ЦЕНТРАЛЬНОАМЕРИКАНСКОМ ЖЁЛОБЕ гидраты вскрыты в разрезах 9 скнажин из 20, в терригенных отложениях от плейстоцена до эоцена с Сорг ат 8 ао Всего наблюдалось 23 гидратоносных интервала.

Уже в 66 рейсе (первом в этом регионе) находки гидратов были классифицированы как «мёрзлые отложения» (frozen sediments) и как «включения льда» (ice inclusions) (Shipley & Didyk, 1981). «Мёрзлые отложения» - это прослои относительно грубозернистых седиментитов, сцементированных гидратом; их мощность варьирует от первых сантиметров до первых дециметров, а в одном случае составляла 2м. «Включения льда» приурочены к слоистости, к трещинам или (чаще) выполняют пустоты неизвестного происхождения. Они обычно имеют размер от миллиметров до сантиметров, а мощность зон, в которых они наблюдаются - до первых дециметров. Наиболее значительное проявление гидратов (не только в этой регионе, но и во всём океане) встречено на станции 570. Здесь наблюдалось «включение» почти мономинерального гидрата длиной по керну более 1м. Судя по каротажу, это тело имеет мощность до 4н и входит в ещё болое мощную гидратоносную зону (15м), общее количество газа в гидратах которой

- 13 -3 2

оценено в 240-1400 млн.м на 1 ки площади (Mathews & von Huene, 1985). Разброс оценок связан с применением разных методов каротажа, обладающих разной глубинностью исследования. Авторы склонны отдавать предпочтение акустическим данным, по которым получаются максимальные оценки. Предполагается, что гидраты, вскрытые на ст.570, могут быть связаны с разломом, проявляющимся в рельефе дна в виде ложбины (Mathews & von Huene, 1985; Aubouing & von Huene, 1985) .

На континентальном склоне КАСКАДИА гидраты были найдены в керне скважины 892 - одной из двух пробуренных, в интервале 2-17м ниже дна в виде кристаллов, пеллет и агрегатов в концентрации до 10% в плейстоценовых пело-алевритах с прослоями песка. Считается, что они генетически связаны с пересечёнными скважиной наклонными разломными зонами, по которым осуществляется сосредоточенная разгрузка газосодержащего флюида на дне (Leg 146 Preliminary Results, 1993).

На ХР. ОКУСИРН гидраты вскрыты одной из двух скважин, пробуренных рядом на одной (единственной здесь) станции (N 79В).

Они наблюдались в виде двух включений объёмом около 5 см каждое в песчаных позднеплиоценовых отложениях на поддонной глубине около 90м.

В ЖЁЛОБЕ НАНКАЙ на одной станции (N 808) у основания островного склона пробурено семь скважин. Гидраты наблюдались при углублении одной из них промывкой в интервале 90-140м.

На ХР. * БЛЕЙК-АУТЕР (он представляет собой специфическое сооружение, как бы причленённое к континентальному подножию, образованное контуритами) бурение велось на 4 станциях, но при бурении на первых трёх (NN 102-104) о субмаринных газовых гидратах ещё почти ничего не знали, и они могли быть пропущены. Гидраты обнаружили позднее в керне со ст.533 в виде кристаллов на свежен сколе в слое толщиной несколько сантиметров. По внешнему виду керна (разжиженного) из прилегающего к этому слою сверху интервала 228-237,5м предположили, что он тоже содержал гидраты, разложившиеся при бурении и подъёме.

В МЕКСИКАНСКОМ ЗАЛИВЕ гидраты газа встречены в керне скважины 618 и её дублёра 618А DSDP, а также на семи участках при грунтовом пробоотборе, причём на одном из них они были обнаружены не только в кернах, но и непосредственно на дне, с подводного аппарата (Tresher, 1992): Все эти участки находятся на северном

континентальном склоне, в прибрежье штата Луизиана. В кернах скважин гидраты наблюдались в виде нескольких белых кристаллов и включений размером до сантиметра и в виде одного прослоя гидратоносного песка мощностью 7см в голоценовых и, возможно, верхнеплейстоценовых алевро-пелитах, в интервале глубин 19-48М. В кернах грунтовых станций гидраты были обнаружены в ходе геохимических исследований, направленных на выявление восходящей миграции углеводородов от ещё не открытых залежей. На одном из участков грунтового пробоотбора гидраты найдены в кернах шести станций, на другом - в двух, на остальных пяти - по одной. Средняя частость станций с гидратами - около 1% (Brooks et al., 1986). Как правило, гидраты наблюдались в виде включений в седиментитах на некоторой глубине ниже дна (1,2-4,8м). Форма включений разнообразна (плоские, в т.ч. образующие прослои; «обломки», желваки). Размер включений - от миллиметров до более 15см (одно такое «включение» полностью не пройдено грунтовой трубкой). В ряде случаев гидраты ассоциировались в керне с нефтью. Было замечено, что гидратоносные станции приурочены к зонам отсутствия отражений на сейсмических записях, контролируемым структурами обрушения, сводами диапиров и разломами на их флангах (Brooks et al., 1986). Гидраты, которые наблюдались непосредственно на дне, образовывали небольшой холмик размером около 1,5м в поперечнике, и к этому скоплению был приурочен выход газа.

В ЮЖНО-КАСПИЙСКОЙ ВПАДИНЕ известны два скопления газовых гидратов, оба они изучались нами. Они приурочены к кратерным полям грязевых вулканов Буздаг (рис.3) и Элм (рис.4). Всего в глубоководье Южного Каспия предполагается свыше 60 таких вулканов (Якубов и др., 1989). 19 из *20 грунтовых колонок, поднятых с кратерного поля Буздага (приуроченного к его вершине), оказались гидратоносными, причём сверху донизу (длина колонок - до 1,2м). Диаметр поля - около 0,5км. Гидраты наблюдались в глиняной брекчии в виде выделений различной формы (субизометричной, но угловатой;

пластинчатой; игольчатой), разного размера (до 25 - 30см ) и ориентировки (беспорядочная, субгоризонтальная, наклонная). Содержание включений гидратов в брекчии варьирует от 2-3 до 35%, не обнаруживая пространственной закономерности ни по площади, ни по разрезу. Результаты зондовых геотермических измерений и определённые на герметизированных образцах гидратов равновесные температуры и давления гидратообразования позволяют предполагать,

Рис.3. Фрагмент временного сейсмического разреза через газогидратоносный грязевой вулкан Эли (поднятие Везирова, хребет Шатского). Стрелки с цифрами - грунтовые станции, жирная стрелка -станции с гидратами. Слева - двойное время в секундах.

Рис .4. Схематизированный фрагмент временного сейсмического разреза через гззогидратоиосний грязевой вулкан Элм (поднятие Лзизбекова). 1 - грунтовые станции с гидратами; 2 - то же, без гидратов; 3 - предполагаемые границы тел глиняной брекчии; 4 - поворот профиля. IIa шкалах слева и справа - двойное время в секундах.

что подошва гидратоносной зоны находятся в пределах первых десятков метров ниже дна моря. Кратерное поле вулкана Элм (см. рис. 4) представляет собой плоскую поверхность протяжённостью около 4км, несколько опущенную относительно вершины поднятия. Гидраты были обнаружен1.! в восточной части поля в кернах пяти станций (из семи заданных). Облик гидратоносной глиняной брекчии и включений гидратов в ней - такой же, как на Буздаге, но содержание гидратов составляло не более 15-20%; в одной из колонок гидраты наблюдались только в верхних 30см.

В ЧЁРНОМ МОРЕ также известны два скопления газовых гидратов. Одно из них - на прикрымском континентальном подножии, обнаруженное и изученное нами, приурочено к сложнопостроенной диапировой структуре (рис. 5 и 6), возможно, сопряжённой с разломом. Семь гидратоносных колонок керна взяты вблизи гребня линейно вытянутого возвышения, в круге диаметром около 200м. Гидраты наблюдались в виде включений и прожилков в глиняной брекчии, в виде прожилков во вмещающих эту брекчию и деформированных вблизи контакта с ней тонкослоистых алевро-пелитах. Одно из включений в глиняной брекчии занимало всё сечение грунтовой трубы и имело длину 8см. Мощность прожилков гидрата - до 3-5мм, они часто бывают искривлены и образуют неправильный сетчатый рисунок. В одном из прожилков отчётливо наблюдалась параллельная шестоватость агрегатов: тонкие (менее миллиметра) шестики ориентированы перпендикулярно стенкам. Этот факт, вероятно, свидетельствует об отложении гидратов движущимся раствороН в условиях стеснённой кристаллизации в медленно приоткрывающейся трещине (Хабин, 1979). Гидраты присутствовали в кернах только с некоторой глубины ниже дна (от 0,4 до 2,2м); максимальная вскрытая мощность гидратоносных седиментитов 0,5м; содержание гидратов в них - до 10% (если не считать упомянутого включения сплошного гидрата, где оно приближалось к 100). Другое скопление гидратов приурочено к грязевому вулкану в центральной части моря. Гидраты здесь наблюдались в четырёх грунтовых колонках на поддонных глубинах от О, 6 до 1, 95м в виде кристалликов размером 1-Змн, гнёзд кристаллов 1-Зсм к стяжений в глиняной брекчии (Корсаков х др., 1989, 1991).

В ОХОТСКОМ МОРЕ, как и в Каспийском и Чёрном, тоже известны два скопления газовых гидратов - в прибрежьях Паранушира и Сахалина; оба они изучались нами в экспедиции и оба приурочены к очагак разгрузки свободного газа на дне, которые хорошо фиксируются

Рис.5. Схема изохрон отражений от лна участка газогидратопроявления па прикрымском континентальном подножии. 1,2 - изохроны (достоверные и предполагаемые, оцифровка в секундах); 3 - пробили НСП (см.рис.6), их номера; 4 - места пересечения профилями гребневидного возвышения; 5 - участок, где обнаружены гидраты газа; 6,7 - станции грунтового пробоотбора без гидратов (с керном глиняной бречии - б, с керном стратифицированных отложений - 7).

Рис.6. Генерализованные фрагменты временных разрезов по профилям НСП через газогидратоносный участок на прикрымском континентальном подножии. Положение профилей см. рис. 5. Пунктирные линии - границы диапиров. Сбоку - двойное время, с.

- 20в эхолотных записях в виде «факелов». Диаметр этих «факелов», по данным многократных пересечений, составляет 350-400К вблизи Парамушира и около 200м у Сахалина. Очаг .разгрузки газа вблизи Парамушира проектируется на свод антиклинального поднятия акустического фундамента (рис.7),, который, видимо, осложнён нарушениями. Характерный загиб книзу осей синфазности на временном разрезе свидетельствует о возможной газосодержаник отложений в районе свода; об этом же говорит и приуроченная к своду аномалия эффективной скорости (данные П. Л. Брудастова). Таким образок, газогидратное скопление, видимо, формируется за счёт разрушающейся на глубине залежи газа. «Корни» скопления гидратов вблизи Сахалина не изучены, но само оно исследовано лучше Парамуширского. Здесь на всех пяти грунтовых станциях, заданных внутри контура эхолотного «факела», были обнаружены гидраты газа; шестая станция на удалении 700м от него гидраты не вскрыла. Кровля гидратоносных диатомовых алевро-пелитов встречена на глубинах от 0,3 до 1,2м ниже дна, их вскрытая мощность (всюду до забоев) составляла от О, 1 до 1к. В кернах двух станций гидраты обусловливали линз обидно-слоистую текстуру содержащих их седикентитов, напоминающую криогенную; содержание гидратов оценено в 30-40%, причём изменений по глубине не было замечено. Керны с трёх других станций были нарушены, и гидраты в них наблюдались в виде отдельных кусочков неправильной формы и разных размеров (до первых сантиметров). При изучении скопления вблизи Парамушира гидраты были подняты на четырёх станциях (здесь рассматриваются вместе наши данные и данные Л. П. Зоненшайна, 1987), причём как минимум один раз - из-за границы эхолотного «факела», с поддонных глубин от О, 1 до 2,2м. Они имели вид линзочек и уплощённых включений неправильной формы в кремнистых диатомово-вулканокластических пело-алевритах, а на одной станции в наконечнике трубы обнаружена пластина гидрата толщиной 2см, полностью трубой не пересечённая. Необходимо отметить, что в прибрежье Сахалина было найдено ещё 9 эхолотных «факелов» (кроме того, в ассоциации с которым обнаружено исследованное нами скопление гидратов); с ними, несомненно, тоже связаны гидраты газа.

В прибрежье СЕВЕРНОЙ КАЛИФОРНИИ гидраты газа были найдены в кернах 7 из 74 грунтовых станций, заданных с целью выявления восходящей миграции углеводородов, преимущественно, в зонах разломов (ВгооКэ еЪ а1., 1990). Эти станции располагаются в субмеридиональной полосе протяжённостью около 40км. Гидраты

Рис.7. Временной разрез MOB ОГТ по профилю, проходящему через участок газогидратоироявления вблизи о.Парамушир (данные ПЛ.Брудастова) . Задержка - О. Цена деления по вертикали - 0.1 с. Ф - местоположение эхолотного "факела" и скопления гидратов. ЛФ - акустический фундамент, I, IX - отражающие горизонты.

наблюдались в виде включений разной формы (в том числе в виде прослоев) и разного размера (до 2см) в алевро-пелитах, алевритах и песках на поддонных глубинах от 2-Зсм до 2,8м. Характерными чертами этого района являются глиняный диапиризм (Field et al., 1980) и широко распространённые газопроявления в отложениях и в водной толще, зафиксированные по характерным аномалиям в сейсмических и эхолотных записях и по характерным формам рельефа (холмам и покмаркам), к которым эти аноналии бывают приурочены (Field & Kvenvolden, 1987). Установлено, что активность газовых источников связана с сейсмичностью (Field & Jennings, 1987).

1. 2. Косвенные признаки газогидратоносности В качестве косвенных признаков газовых гидратов используются особенности сейсмических записей, в том числе наиболее широко - BSR (bottom simulating reflector - отражающий горизонт, имитирующий дно). Считается, что он обусловлен присутствием гидратов газа в отложениях над и/или свободного газа под нин (Shipley et al., 1979). Наиболее важное доказательство гндратообусловленной природы BSR - это совпадение рассчитанных на его уровне температур и давлений с равновесными температурами и давлениями в системе гидрат метана (или метана с примесями) - морская вода. Это обстоятельство послужило основанием для использования ВSR не только для суждения о газогидратоносности регионов, но и для оценки геотермических градиентов (Yamano et al., 1982). Помимо гидратообусловленных BSR, наблюдаются BSR, вызванные существованием эпигенетической литологической границы, на которой опал-A переходит в опал-КТ (Kvenvolden & Cooper, 1987). Первые BSR отличаются от вторых отрицательной полярностью отражённого сигнала. Гидратообусловленные BSR наблюдались в районах, где гидраты выявлены непосредственно (в Перуанском и Центральноамериканском желобах, в прибрежье северной Калифорнии и Орегона, в жёлобе Нанкай, на хребте Блейк-Аутер), но, кроне того, ещё в 28 районах Тихого, Атлантического, Индийского, Северного Ледовитого и Южного океанов, а также на Байкале (см. рис. 2. пункты Р 1,3,5,9-11,13,14,19,20; А 1-6,9-13; Г 1; N1,4,5; S 1,3

и 0 2). Они часто прослеживались на больших площадях. Например, в

районе хр. Блейк-Аутер эта площадь составляет около 80 ООО км (Init. Repts, 1984). На континентальном склоне моря Бофорта BSR наблюдались на 60% длины сейсмических профилей (Kvenvolden S Grantz, 1990). Но не следует рассматривать BSR как свидетельство

непременного присутствия гидратов в скоплениях - в общем случае он маркирует нижнюю границу термобарической зоны стабильности гидратов в условиях предельной газонасыщенности вод (см. также главу 5).

На рис. 2 также показаны районы, где в результате глубоководного бурения выявлены аномально пресные поровые воды в седиментитах. Наблюдение таких вод в ассоциации с гидратами в Центральноамериканском жёлобе послужило основанием для суждения об их опреснении в результате разложения гидратов, в том числе уже в керне (Hesse, Harrison, 1981). Впоследствии, однако, выяснилось, что отрицательные аномалии солёности и хлорности поровых вод могут быть и не связаны с гидратоносностью. Эта проблема рассматривается ниже, в разделе 4. В. К числу районов, которые на рис. 2 показаны как возможно гидратоносные по гидрохимическим данным, относятся районы в Алеутском и Японском желобах, в Норвежском море и в море Росса (Р 11, 17; А 12; S 2).

Два района с предполагаемыми гидратами располагаются на арктическом шельфе (в море Бофорта и в бассейне Свердруп, N 2 и 3 на рис.2). Заключение об их возможной гидратоносности сделано на основании данных каротажа скважин (Weaver & Stewart, 1982; Judge, 1982; Goodman & Franklin, 1982).

Наконец, в качестве признака гидратов в керне (когда они не видны глазом) используется низкая температура керна, которая в этом случае рассматривается как следствие эндотермичности их разложения. На основании таких данных, Е частности, сделано заключение о заполнении гидратами 8% объёма пор в керне из скважины 889 ODP, пробуренной в прибрежье о. Ванкувер: керн с глубины 220м ниже дна имел температуру -1,4°С - почти на 10°С меньше, чем в соседних кернах (Leg 146 Preliminary -Jesuits, 1993) . На одной из наших грунтовых станций вблизи Сахалина, где гидраты в керне не были обнаружены визуально, температура керна с поддонной глубины 165-185см составляла О,1°С при температуре придонной воды 2°С.

1. 3. Геолого-структурные особенности районов газогидратопроявлений

Все известные субмаринные проявления гидратов газа ножно разделить на две группы: ассоциирующиеся с очагами открытой концентрированной разгрузки флюидов на морском дне и не инеющие очевидной связи с такими очагами. К первой группе, несомненно, принадлежат все находки, сделанные с помощью грунтового пробоотбора в Каспийском, Чёрном и Охотском морях, в Мексиканском заливе и в

прибрежье северной Калифорнии. Более того, поиск гидратов в nepEtix трех регионах был нацелен именно на такие очаги, а в последних двух гидраты были обнаружены при 'поиске проявлений восходящей миграции углеводородов. Путями вывода флюидов на дно в этой группе слух(ат жерла грязевых вулканов; разломы, осложняющие диапировые структуры; нарушения в своде антиклиналей и другие дизъюнктивы. К этой же группе принадлежит гидратопроявленяе в прибрежье Орегона, вскрытое на станции глубоководного бурения 892 - оно тоже ассоциируется с очагом разгрузки газа или газосодержащего флюида, который контролируется разлоном. По всей вероятности, с очагаки открытой разгрузки связаны также гидраты, обнаруженные на станции глубоководного бурения 618 в Мексиканском залиБе: здесь геолого-структурная ситуация позволяет предполагать наличие каналов фильтрации, обусловленных дкзъюнкткваии - станция находятся вблг.зк выходящих на дно соляных штоков, а скважина псроссклг оползковое тело.

Вторая группа проявлений гидратов (не ассоциирующихся с очагами разгрузки флюидов) объединяет наблюдения в кернах скважин в пяти регионах: на подводном хребте Блейк-Аутер, в желобах Нанкай, Центральноамериканском и Перуанском и в Японском норе. Здесь представлены три типа геолого-структурных обстановок: крупное аккумулятивное тело, образованное контуригами (хр. Блейк-Аутер); конвергентные окраины материков с присущими ик проявлениями субдукции и сопутствующей ей аккреции осадочных отложений (все три желоба) и сложенный осадочными отложениями хребет, рассматриваемый как обдукционное образование (хр. Окусири в Японском море). Во всеу случаях материалы сейсморазведки свидетельствуют о структурной гетерогенности слагающих эти регионы тел: в них наблюдаются чёткие отражающие горизонты, сформированные либо осадочной слоистостью, либо трещинами, либо пластинами магматических тел в толще осадочных (рис.8 и 9). Среди этих горизонтов в каждом случае, как правило, имеются непараллельные дну, что позволяет рассматривать тела или поверхности, которые ими маркируются, как возможные проводники флюидов ко дну. С фильтрацией по этим или ассоциирующимся с ними более мелким каналам может быть связано и гидратонакопление.

1.4. Питологический контроль газогидратоносности

Мы рассмотрим здесь гидратопроявления, выявленные бурением вне очевидной связи с очагами открытой разгрузки флюидов. Все они

шлейф склоновых

4v Переходная^ ж * х л \ Кот имен

"v\ зона > „ ж х х \ тальная

V X X

кора

х X

Океаническая кора.

Рис.8. Отражающие горизонты и площадки на временных сейсмических разрезах газогидратоносных площадей через станции глубоководного бурения: А - хр. Блейк-Аутер (Init.Repts., 1984, р.77); Б, В -склон Центральноамериканского жёлоба (Init.Repts., 1982, р.251; Moore et al., 1981, fig.2, p.826); Г - хр. Окусири (Tamaki et al., 1990). Гидраты были обнаружены в кернах на станциях 533 (А), 498 (Б), 490-492 (В), 796 (Г). BSR - отражающий сейсмический горизонт.

Рис.9. Отражающие горизонты и площадки на сейснических разрезах газогидратоносных площадей через станции глубоководного бурения. Д - Перуанский жёлоб (Suess et al., 1938, p.10); E - жёлоб Нанкаи (Taira et al., 1991). Гидраты обнаружены в кернах на ст.685 и 808.

наблюдались в толщах, главный образон, тонкозернистых, преимущественно, терригенных отложений (алевро-пелитов или пело-алевритов), в некоторых районах содержащих иногда преобладающие карбонатные или кремнистые частицы (нанофоссилии в районе хр. Блейк-Лутер, диатомовые на склоне Перуанского желоба). Выше (раздел 1. I) уже отмечалось, что в Центральноамериканском жёлобе находки гидратов были классифицированы как «мёрзлые отложения» и как «включения льда». Такое деление и сейчас надо признать, в основном, исчерпывающим. «Мёрзлые отложения» - это прослои сцементированных гидратом относительно грубозернистых седиментитов. Из 23 гкдратоносных участков керна в Центральноамериканском жёлобе в 11 случаях наблюдались именно такие «мёрзлые отложения»; ещё в четырёх случаях включения гидратов наолюдались в трещинах. Таким образом, более половины проявлений уже на уровне образцов обнаруживают качественный контроль проницаемостью вмещающих седиментитов. В отношении остальных проявлений, представленных включениями гидратов, их обособленный характер (обособление от минерального скелета седиментита) заставляет сделать вывод об их миграционной природе. Рассмотрение данных на уровне разрезов скважин показывает, что включения приурочены к более или менее мощным литологическим пачкам, по данным гранулометрического анализа отличающимся от подстилающих и перекрывающих отложений относительно большим содержанием крупных (песчаной или алевритовой) фракций (рис.10), т.е. к относительно проницаемым горизонтам.

Таким образом, геологические наблюдения указывают, что геолого-структурную обстановку 8 гидратоносных районах можно рассматривать как благоприятную для восходящей фильтрации флюидов, и что сами проявления гидратов контролируются относительно грубозернистыми разностями сэдиментитов я трещинами - очевидно, фильтрующими коллекторами и трещинными каналами фильтрации. Это и приводит к выводу об определяющей роли, которую играет в субмаринном газогидратообразовании фильтрация флюидов. Отсюда следует, что форма скоплений гидратов должна быть согласована с геометрией фильтрующих геологических тел; очевидно, она может §ыть жильной и пластовой.

Обзор фактического геологического материала показывает также, что гидраты нигде не залегают в виде сплошного слоя, а

533

565

570

¡1

> ^

№

з— г

4= И

V-

■■.иг^.

• 3 ♦ <

х- х-

-1

7 гт.^гп* ?

Рис.ю. Гранулометрический состав седиментитов и гилратопроявления в разрезах станций ОБОР-СЮР 491 , 533, 565 и 570. Составлено по данным (1плЛ. Repts, v.66, 1981 ; v.76, 1984; ^/.84, 1985). н - поддонная глубина, м. В - возраст. Г - гилратопроявления (1 - гидрат-цемент; 2-4 -выделения гидратов: 2 - характер выделений не ясен, 3 - обусловливающие слоистость, 4 - в пустотах неясного происхождения, 5 - сведений о характере гилратопроявления нет; 6,7 -возможно гидратоносный интервал: 6 - керн разжижен, 7 - высокое содержание газа). К - данные каротажа (8 - сплошной гидрат, 9 - гидратоносный интервал). ГР - гранулометрия (содержание Фракций: 10 - песчаной - > 0.062 мм, 11 - алевритовой, 12 - пелитовой - < 0.004 мм).

образуют локальные скопления. К рассмотрению этого вопроса мы вернёмся в главе 5.

На глобальном уровне отчётливо выявляется приуроченность газогидратопроявлений к материковым и островным склонам и подножиям и к глубоководью внутренних и окраинных морей, которые занимают около 107. площади Мирового океана (Океанографическая энциклопедия, 1974). Для этих геоструктур, как и для внутренних областей океана, благодаря низким температурам придонных вод характерны благоприятные для гидратообразования термобарические условия. Но они отличаются от внутренних областей океана более высоким содержанием органического вещества в осадочном чехле (Троцюк, Марина, 1988; Ронов, 1993) и более значительной мощностью этого чехла (а на активных окраинах - чехла, подстилающего его аккреционного комплекса и субдуцированных сядиментитов (Милашев, Панаев, 1985; Геодекян, Забанбарк, Конюхов, 1988; Лисицын, 1988; Крылов, Бурлин, Лебедев, 1988; Левин, 1993) - обоим этим показателям свойственна циркумконтинентальная зональность. Эти показатели, как известно, предопределяют генерацию в отложениях углеводородного газа, как биохимического, так и катагенетического. (На рис.11 видно, что субмаринные гидраты содержат тот и другой.) Наконец, континентальные окраины являются областями разгрузки флюидов (рис.12), как движущихся со стороны суши, так и отжимаемых из отложений под действием тектонического стресса на активных окраинах и давления вышележащих отложений на активных и пассивных. Предпосылкой формирования восходящего флюидотока за счёт нестационарности гравитационного уплотнения отложений служит высокая скорость седиментации на континентальных окраинах (Кукал, 1987; Лисицын, 1988). Таким образом, субаквальные газогидратоносные области контролируются благоприятным сочетанием в их недрах термобарических условий, обусловливающих саму возможность существования гидратов, их стабилизацию; условий газогенерациии, определяющих наличие углеводородного газа; и флюидодинамических условий - восходящего флюидотока, обеспечивающего транспортировку вещества в зону газогидратонакопления.

2. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ГАЗОГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ

Гидраты газа могут образовываться в разных системах и условиях - от закрытых систем и квазистатических условий (охлаждение е/или

105

10*

'О'

-40 -50 -60 -70

S CcH¡j С/о-?/

Рис.1*. Взаимосвязь между изотопным составом углерода метана и отношением концентрации метана к сумме этана и пропана в газах из газовых гидратов. Б - фкгуративное поле биогенных газов, Т -термогенных (по Claypool, Kvenvolden, 1983, fig.4). Использованы данные (Леин и др., 1989; Brooks et al.,1984, 1986; Kvenvolden & McDonald, 1985; Harrison S.Curiale, 1982; Shipley i Didyk, 1981; Suess & von Huene, 1988; Kvenvolden & Kastner, 1990; Field & Kvenvolden, 1987), а также автора.

Рис.12. Известные субмаришше очаги разгрузки подземных флюидов, нокмарки и депрессии обрушения (НсэтлЬапс! 4 >7исЗс1, 1988, с упрощениями).

сжатие газа и воды без поступления и оттока вещества) до открытых систем с подвижными флюидами (при поступлении газа и/или воды в зону реакции и уходе из неё «отработавшего» флюида). Рассматривая возможные варианты систем к условий применительно к осадочным толщам, можно различать следующие геологические модели газогидратообразования: криогенетическую. траисгрессионную,

сбросовую, диагенетическую, седиментационную и ряд фильтрационных моделей - элизионную, подводно-грязевулканическую, геотермальную и струйно-миграционную. Как правило, модели получили названия от того геологического процесса, который непосредственно отвечает за образование гидратов, поскольку является для гидратогенеза последним, «замыкающим»: в результате именно этого процесса создаётся, наконец, весь комплекс необходимых для гидратообразования условий.

КРИОГЕНЕТИЧЕСКАЯ модель подразумевает образование гидратов при экзогенном охлаждении недр, сопутствующем формированию многолетней мерзлоты. Она может реализоваться на суше и приводить к образованию скоплений гидратов только за счет трансформации ранее существовавших залежей газа. В субаквальных условиях такие скопления могут находиться на арктических шельфах с реликтовой мерзлой зоной, в ассоциации с газовыми залежами. Криогенные гидраты не есть дополнительный резерв газа в сравнении с прогнозными ресурсами в «обычных» залежах, оценёнными принятыми для них методами. Но в каждой отдельно взятой залежи, где часть газа может находиться в виде гидратов, эта часть должна быть учтена - для суждения об общих и извлекаемых запасах. До сих пор нет доказанных примеров скоплений этого типа.

Криогенные гидраты могут также залегать непосредственно в толще мерзлых пород, вне ранее существовавших залежей газа, будучи образованными из газа, растворённого в водах промёрзших отложений (Якушев, 1989). Предполагается. что они могут сохраняться в оболочке льда благодаря эффекту «самоконсервации». Вряд ли такие гидраты образуют скопления значительных размеров.

ТРАНСГРЕССИОННАЯ нодель имеет в виду возможность перехода в гидрат части газовых залежей в результате роста пластового давления, обусловленного погружением. В принципе ей аналогична СБРОСОВАЯ МОДЕЛЬ. Примеров реализации той и другой моделей пока нет.

В основу СЕДИКЕНТАЦИОННОЙ модели положены представления о

лавинной седиментации (Лисицын, 1988), в частности, о гравитационных потоках, переносящих осадочный материал с уровня шельфа к основанию материкового склона или на дно глубоководных желобов. Если в теле оползней и обвалов, дающих начало таким потокам, содержится свободный газ, то по мере движения вниз по склону пузырьки газа могут коалесцировать и в конечном итоге, при благоприятном стечении обстоятельств, образовать погребённое скопление гидратов. Примеры реализации этой модели не известны.

В ДИАГЕНЕТИЧЕСКОЙ модели гидраты образуются в результате роста концентрации в поровой воде аутигенного биохимического метана. Для того, чтобы быть максимально приближенной к реальности, эта модель должна быть кинетической - она должна учитывать скорости нескольких процессов: метаногенеза, диффузионного рассеивания метана и солей (концентрирующихся в результате связывания части воды в гидрате), а также литификацию осадка - отток поровой воды вместе с растворённым в ней метаном; необходимо также принимать во внимание рост растворимости метана в воде с увеличением глубины погружения отложений. Построить такую модель трудно, однако и грубая статическая диагенетическая модель (в отсутствие массопереноса)

оказывается полезной. Опубликованные значения скорости метаногенеза

-13 -12 3 3 в морских осадочных отложениях (10 - 10 )см /см .с (Алексеев и

др., 1978; Беляев, 1979; Океанология..., 1979) способны довести

концентрацию растворённого в поровых водах метана до предела,

обеспечивающего выпадение «первой порции» гидрата, через (10-100)

тыс.лет после начала процесса, а для заполнения гидратами порового

пространства, составляющего 50Х седиментита, в метан должно быть

«переработано» без потерь количество углерода, превышающее 4% от

массы его минеральной части. Учёт процессов, отличающих

кинетическую модель от статической, приведет к увеличению времени,

необходимого для начала гидратогенеза, и требуемого количества

углерода. Таким образом, образование гидратов в соответствии с

диагенетической моделью может привести к существенной их

концентрации в отложениях древнее голоцена, заметно обогащенных

органическим веществом и изрядно уплотненных сразу после

захоронения, т. е. в исключительных условиях. А. В. Егоров и

В. Я. Троцюк (1986), рассмотревшие гидратогенез из метана,

образующегося in situ, с учётом скоростей осадконакопления,

генерации и диффузионного рассеивания метана, показали, что такие

гидраты могут залегать на поддонных глубинах более первых десятков

метров. Самым главным показателем действенности такой модели, очевидно, могла бы быть приуроченность наблюдений гидратов к горизонтам обогащенных органическим веществом, а значит, относительно тонкозернистых отложений. В главе 1 показано, что это не так. Даже в Перуанской желобе, где гидраты вскрыты в богатой органическим веществом толще, характер залегания свидетельствует об их миграционной природе.

ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ модели предусматривают поставку флюида в зону гидратообразования в фильтрационном потоке. Их ножно различать по геологическому процессу, обеспечивающему фильтрационный напор, и по фильтрующемуся флюиду. Элизионная модель подразумевает потоки, формирующиеся в ходе уплотнения отложений;

подводно-грязевулканическая - частный случай таких потоков, разгружающихся на кратерных полях грязевых вулканов; геотермальная создание водонапорной системы в результате нагрева локальным источником тепла; струйно-миграционная модель рассматривает струйную миграцию газа.

Эффективность фильтрационных моделей определяется важной особенностью растворимости углеводородного газа в воде в равновесии с гидратом: она в малой степени зависит от внешнего давления , а лимитируется, главным образом, давлением гидратообразования, равновесным для данной температуры. Это положение впервые качественно обосновано Е. С. Барканом и А.Н.Вороновым (1983) и количественно описано Ю. ф. Накогонон и Д.В.Дэвидсоном (1983), а позднее принципиально подтверждено П. Хэндой (Handa, 1990) на основе более точных решений. Поскольку с уменьшением температуры равновесное давление газогидратообразования тоже становится меньше, уменьшается и растворимость газа в воде в равновесии с гидратом (рис.13). Уменьшение растворимости газа в воде при уменьшении температуры - вот причина выпадения гидратов из метансодержащих вод, фильтрующихся в сторону морского дна - в сторону меньших температур. (Заметим, что все количественные оценки в работе сделаны в допущении о чисто метановом составе природных субмаринных углеводородных газов, в т.ч. образующих гидраты. Преобладание метана в составе последних видно на рис. 11. )

На существенную роль путей миграции флюидов в накоплении субмаринных гидратов газа уже обращали внимание исследователи, изучавшие их в разных районах (Shipley & Didyk, 1981; Brooks et al., 1986; Finley et al., 1988). Анализ данных наблюдений (глава 1)

Рис.13. Растворимость нетана в чистой воде (Э) в равновесии с гидратом в зависимости от температуры (сплошная линия, построено по данным Ю. 4>. Макогона и д.в.дзвидсона, 1933) и изобары растворимости (штриховые линии; построено по А.Ю. Намиоту, 1991, с использованием данных о равновесных давлениях по В.А.Истомину, 1992).

показывает, что именно фильтрация флюидов ответственна за образование гидратов всех известных проявлений.

В аспекте той большой роли в накоплении гидратов, которая принадлежит фильтрации , особую важность приобретает изучение режима обезвоживаниия осадочных толщ. В этой связи нельзя не остановиться на работе Р. Д. Хиндиана и Е.Е.Дэвиса (Hyndman & Davis, 1992) первой в мировой литературе, ставящей масштабы гидратонакопления в зависимость от обезвоживания отложений, определяемого тектонической обстановкой и режимом осаднонакопления. В основу рассуждений этих авторов положены представления о том, что в условиях «нормального» (кавычки мок - г.Г.) режима осадконакопления, сопровождающегося стационарной гравитационной консолидацией седиментитов, отжимаемые из них флюиды не покидают осадочную толщу: относительно дна моря и, что еще важнее, относительно изотерм флюиды продолжают двигаться вниз. В таких условиях образование гидратов. по-видимому, невозможно - считают авторы. Они называют три наиболее важных типа геологических обстановок, в которых имеет место восходящее относительно дна коря движение флюидов и, соответственно, могут образовываться гидраты: (1) когда толща осадочных отложений подвергается сжатию в теле аккреционной призмы в зоне субдукции; (2) когда обезвоживаются субдуцируемые отложения (на активных континентальных окраинах, где аккреция не происходит); (3) когда мощность толщи возрастает только в результате седиментации, но так быстро, что равновесная консолидация не успевает за осадконакоплением - тогда позднее для достижения равновесия должно произойти «выталкивание» флюидов. Очевидно, что этот подход в принципе будет продуктивным. Надо отметить лишь, что в условиях «нормального» осадконакопления в реальных разрезах, вероятно, должны найтись относительно более проницаемые слои, способные служить дренами для прилегающих седиментитов и обеспечить отток флюидов. Кроме того, режим уплотнения, видимо, редко бывает стационарным, поскольку скорость осадконакопления меняется во времени. Поэтому было бы неправильно какие-то регионы на пассивных континентальных окраинах рассматривать как заведомо негидратоносные без "специального анализа.

lía суше и на шельфах, где существование благоприятных термобарических условий для образования гидратов связано с многолетней мерзлотой, региональная восходящая фильтрация вод маловероятна - это связано с формированием в зоне охлаждения низких

пластовых давлений, обусловленных тепловой контракцией. Поэтому и фильтрогенные гидраты здесь маловероятны. А если бы восходящая фильтрация вод я происходила, то в силу региональной недонасыщенности вод газом в арктических регионах (Крайчик, Челышев, Кудрявцева, 1991) она вряд ли сопровождалось бы отложением гидратов газа.

В геотермальной модели фильтрационный напор создаётся в результате нагревания вод локальным источником тепла (магматическая камера, интрузив). Если в сфере действия конвекционной гидротермальной системы такого генезиса окажутся осадочные отложения, содержащие достаточное количество органического вещества подходящего состава, в них станет возможной генерация углеводородных газов, которые будут растворяться в воде. Когда фильтрующаяся вода с растворённым газам достигнет зоны стабильности гидратов, гидраты ( в случае достаточно высокого газосодержания) начнут осаждаться. Гидраты такого генезиса, возможно, имеются в бассейне Гуаймас (Калифорнийский залив).

Струйно-миграционная модель подразумевает образование гидратов из фильтрующегося свободного газа. В момент вхождения «лобовой» части струи в зону стабильности гидратов на границе газ-вода образуется плёнка гидрата. Если сила всплывания струи окажется недостаточной для «взламывания» этой плёнки, газ будет её обтекать. Если же плёнка будет прорвана, струя продвинется вверх по потоку. Вслед за лобовой частью струи в коллектор с плёнкой попадёт следующая порция газа. Но образование гидрата из этой порции затруднено в связи с наличием плёнки и с возросшей солёностью остаточной воды гидратоносного коллектора. Тот газ лобовой части струи, который продвинулся по потоку, попадёт в условия, аналогичные первоначальным, и новая часть этого газа стабилизуется в виде гидрата. Результатом процесса явится «размазывание» фильтрующейся струи газа. Материалы наблюдений свидетельствуют, что фильтрующийся свободный газ проходит сквозь зону стабильности гидратов. Об этом, в частности, говорит существование очагов разгрузки свободного газа в Охотском море и в прибрежье северной Калифорнии (см. раздел 1.1), где мощность этой зоны, составляет, по ориентировочным оценкам, несколько десятков метров. Об этом же говорят многочисленные наблюдения длительно действующих газовых грифонов в окрестностях аварийных газовых скважин, расположенных в районах с мощной криолитозоной, а также наши данные о межпластовых

перетоках на Мессояхском газовом месторождении, сопровождающихся образованием гидратов в прискпажинных зонах коллекторов.

Изучение скоплений гидратов, формирующихся в окрестности потоков свободного газа в Охотском море, показало, что гидраты здесь накапливаются из водорастворённого газа в диффузионном ореоле вокруг этих потоков. Эти материалы рассматриваются ниже, в главе 3 и в разделе 4. 3.

Эффективность образования гидратов при фильтрации газонасыщенной воды принципиально отличается от фильтрации газа: в первом случае происходит концентрирование газа, во втором разубоживание. Кроме того, при выделении гидратов из фильтрующегося водного раствора концентрирующиеся в остаточной воде соли удаляются в ходе самой фи; трацхи.

3. ТЕКСТУРЫ ГАЗОГИДРАТОНОСНЫХ СЕДИМЕНТИТОВ И МЕХАНИЗМЫ ГИДРАТОПАКОПЛЕНИЯ

Наблюдать и сфотографировать текстуры гидратоносных седиментитов удаётся далеко не всегда, потому что гидраты на воздухе разлагаются, что придаёт образцам текучесть, вызывает их оплывание. Тем не менее сейчас могут считаться уверенно диагностированными такие обусловленные значительным содержанием гидратов текстуры , как массивная, разнообразные жильные и группа шлировых; кроме того, известны случаи, когда порода представлена почти мономинеральным гидратом. [При типизации текстур газогидратоносных седиментитов оказалось удобным использовать названия некоторых криогенных текстур (Общее мерзлотоведение, 1978, табл.28) и текстур руд (Шахов, 1Е61).]

Примеры МАССИВНОЙ текстуры дают сцементированные гидратами туфогенные алевриты и пески, залегающие в виде прослоев среди более тонкозернистых седиментитов в разрезах, вскрытых на склоне Центральноамериканского жёлоба; речь идёт, в частности, и о тех первых находках, которые были названы «мёрзлыми отложенияни» (Shipley & D'idyk, 1981; см. раздел 1.1).

Гидраты в трещинах, обусловливающие ЖИЛЬНЫЕ текстуры, наблюдались нами в Чёрном и Каспийском морях (прожилки и пластинки толщиной до нескольких миллиметров). Они характерны также для Центральноамериканского жёлоба, где были встречены как в

нелитифицированных седиментитах, так и в доломите; толщина прожилков достигала 1см. Многообразие форм трещинэватости предполагает разнообразие жильных текстур: помимо прожилковой, по аналогии с рудами, видимо, возможны сетчатая и штокверковая гидратообусловленные текстуры. Когда прожилки развиваются на начальных этапах обезвоживания седиментитов, отлагающиеся из флюидов агрегаты гидратов могут быть контанинированы минеральным,! частицами и иметь с вмещающим седиментитом диффузные границы. Именно таков, вероятно, генезис текстуры, которая наблюдалась в керне из глубоководной скважины 688А, пробуренной в Перуанскон жёлобе (Kvenvolden & Kastner, 1990).

Массивная и жильная текстуры, очевидно, являются результатом накопления гидратов в фильтрующем коллекторе (в первом случае - в гранулярном, so втором - в трещинном), причём механизм накопления представляет собой простое осаждение из насыщенного газом водного раствора - когда изменяющиеся на пути фильтрации условия обусловливают уменьшение растворимости газа в воде. Как отмечалось в главе 2, растворимость газа в поровой воде, движущейся в направлении дна, уменьшается в связи с охлаждением. Такой механизн отлчжения гидратов следует, очевидно, рассматривать, как разновидность низкотемпературного гидротермального

•кнералообразования.

К группе ШЛИРОВЫХ отнесены ЛИНЗОВИДНО-СЛОИСТАЯ и ПОРФИРОВАЯ текстуры.

ЛИНЗОВИДНО-СЛОИСТАЯ текстура представлена линзовидными субпараллельными шлирами гидратов, чередующимися с более или менер выдержанными слойкани гидратов, причём те и другие, имея в толщину от долей до нескольких миллиметров, включены в основную массу с'/диментитов. Наиболее представительные наблюдения этой текстуры выполнены в нашей экспедиции в Охотское море. Здесь содержание включений гидратов в диатомовом алевро-пелкте, в котором не было замечено никакой слоистости, помимо обусловленной гидратами, достигало 30-40Х от его объёма. Такие же текстуры описаны э Мексиканском заливе и в прибрежье северной Калифорнии ¡Brooks et al., 1986, 1990). Эта гидратная текстура удивительно похожа на линчовидно-слоистую криотекстуру (Общее мерзлотоведение, 1978, фиг 56, табл. 26), которую обоснованно считают результатом сегрегаци поровой воды при промерзании. Очевидно, и рассматриваемая гидратиая текстура формируется в результате сегрегации воды. Поскольку в

Охотскон норе, где кы её наблюдали, гидратоносные отложения явно ассоциируются с очагами разгрузки свободного газа на дне, есть основания считать, что гидратообраз ование, сопровождающееся сегрегацией воды, осуществляется внутри поддонного диффузионного ореола, где поровая вода насыщена газои. Некоторые особенности гидрагообразования в таких условиях будут рассмотрены ниже (см. раздел 4.3), здесь же важно подчеркнуть, что причиной накопления гидратов в таких условиях может быть поступление всё новых и новых порций газа, который выступает как экстрагент, извлекающий воду из вмещающих седим-энтитов. Очевидно, что механизм гидратонакопления в данном случае, помимо криолитогенеза, обнаруживает сходство с ростом конкреций, так как, по существу, представляет собой процесс стяженкя вещества (в данном случае, воды).

ПОРФИРОВИДНАЯ текстура обусловлена более или менее изометричныни вкраплениями гидратов, более или менее равномерно распределёнными в основной массе седиментита. В наших экспедициях на Каспии мы наблюдали в глиняной брекчии, слагающей кратерное поле грязевого вулкана Буздаг, субизометричные угловатые агрегаты гидратов размером до первых сантиметров. И хотя естественную текстуру этой брекчии по причине быстрой её флюидизации при разложении гидратов не удавалось увидеть, извлекаемые из неё агрегаты гидратов, скорее всего, следует рассматривать как порфировидные включения. Встречались в брекчии и мелкие игольчатые вкрапления, не обнаруживавшие заметной ориентировки. Общее содержание гидратов достигало 35%. Вкрапления гидратов в седиментитах наблюдал* также в Мексиканском заливе, в прибрежье северной Калифорнии (Brooks et al. , 1986, 1990) и в Охотском море (Зоненшайн и др, 1986), где они, несомненно, ассоциировались с гидратоносными седиментитами с линзовхдно-слоистой текстурой. Скорее всего, порфировидная текстура, как и линзовидно-слоистая, обусловлена - сегрегацией воды поступающим в зону гидратонакопления газом. Различие между ними может быть обусловлено различием сложения вмещающих седиментитов до начала гидратонакопления (например, наличием осадочной слоистости). Кроме того, могут играть роль физико-тЛмические факторы, определяющие растворимость газа в воде (температура, солёность воды). Вероятно, линзовидно-слоистая текстура с её субгоризонтальной ориентировкой шлиров формируется вблизи дна моря в отсутствие значительной конвекции тепла и в сравнительно однородной гидрохимической обстановке; дно моря в этих

условиях является как бы потенцкалзадающей поверхностью: изотермы, а стало быть, и кзоповерхнссти растворнности газа в поде параллельны эму (см. далее, раздел 4.3).

Плкрогые текстуры такого >хе происхождения могут быть обусловлены и неправильными (по форме я характеру чередования) включениями гидратов. Видимо, таков генезис некоторой части включений, описанных в рейсах DSDP а Цснтральноанерккр.нском жёлобе как «ice inclusions» (Shipley S Didyk, 1981; см. вышг раздел 1.1).

Когда размер включений гидратов р седиментитах превышает некоторый предел, посла которого их уже трудно считать текстурообразующ!!ми вкраплениями, гидрат становится главным породообразующим минералом и может называться ГИДРАТОМ-ПОРОДОЙ. Такое тело мощностью до 4м было пересечено скважиной 570 DSDP в Центральноамериканском ;келобе; содержание терригенных частиц в этом гидрате составляло 5-7% (Init. Repts, v. 84, 1985). Этот гидрат, скорее всего, представлял собой жильную породу.

Если учесть, что накоплению текстурообразукялего гидрата любого гонезиса должно предшествовать образование рассеянных мельчайших включений, можно говорить о трёх рядах гидратных текстур: рассеянные включения - нассивная текстура (осажденио в гранулярном коллекторе); рассеянные включения - жильные текстуры мономянеральный гидрат (осаждение в трещинном коллекторе), рассеянные включения - шлировые текстуры - мономикеральный гидрат ( сегрегациошый механизм гидратонакопления).

Нельзя не отметить распространённость наложенных - БРЕКЧИЕВЫХ гидратных текстур, которые характеризуются катакластами агрегатов гидратов. Это ещё раз подчёркивает связь гидратоносности с зонами нарушений.

4. НЕКОТОРЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СУБМАРИННОГО ГАЗОГИДРАТООБРАЗОВАНИЯ И СВЯЗАННОЙ С НИМ МИГРАЦИИ ВЕЩЕСТВА И ИХ ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

4.1. Об образовании гидратов из растворённого в воде газа

Во взглядах на возможность образования гидратов

водорастворенным газом нет единства. В работах геологического направления она рассматривается как сама собой разумеющаяся (Claypool & Kaplan, 1974; Finley, Krason, Dorainic, 1987; Hyndman &

Davis, 1992), в химических же работах она считается маловероятной (Какогон, 1985; Sloan, 1990).

Рассматриваемая возможность была проверена нами экспериментально. В качестве гидратообразователя был выбран фреон-12. Опыт проводился при 274.3 - 284.9 К. Рост гидрата из водного раствора происходил в начале эксперимента при пересыщении 3,4, а через 96 часов - при 2,9; наблюдалась тенденция к уменьшению этого показателя.

Полученный результат подтвердил возможность гидратонакопления из водорастворённого газа.

4.2. Зона субмаринного газогидратообразования как фильтрационный

геохимический барьер

В главе 2 уже отмечалось, что сама возможность

гидратонакопления из восходящих фильтрационных потоков воды

определяется важной особенностью растворимости углеводородного газа

в воде в равновесии с гидратом: она уменьшается с понижением

температуры, а стало быть - с уменьшением поддонных глубин (рис.14,

см. также рис.13). По этой причине фильтрующаяся вверх

недонасыщенная газом вода, охлаждаясь по мере приближения ко дну,

может без увеличения концентрации газа оказаться насыщенной и

отлагать гидраты в каналах фильтрации. lipn этом не имеет значениия,

где расположен источник воды с растворенным газом - ниже зоны

стабильности гидратов или внутри неё. Понятно, что и свободный газ,

фильтрующийся в сторону дна, в зоне стабильности гидратов должен

вступать б реакцию с водой, образуя гидрат.

Таким образок, зона субмаринного газогидратообразования

является геохимическим барьером для углеводородных газов в

фильтрационных потоках. Однако насколько эффективен этот барьер -

пока не ясно. Понятно, что метан, содержащийся в воде в

концентрации ниже предела насыщения при температуре дна моря (1-1.5 3 3

нм на 1 м воды, Handa, 1990, см. также рис.14), не будет стабилизирован в гидрате. Такой переход метана в гидросферу можно назвать с позиций рассматриваемой проблемы «подбарьерным». Кроме того, очевидно, что имеет место и «надбарьерный» переход - в данном случае имеются в виду очаги открытой разгрузки газа на дне морей (например, наблюдавшиеся нами в Охотском море). Очевидно, что фильтрация свободного газа через зону термобарической стабильностии гидратов может быть объяснена кинетическими причинами: газ просто

Рис.14. Схема изменчивости растворимости метана в чистой воле в термобарических условиях континентальной окраины. Вертикальный разрез. Температура дна принята равной 5°С до глубины моря 500 м и 2°С при больших глубинах; геотермический градиент - 3°С/100 м; гидробарический градиент - 10 МПа/км. Значения растворимости взяты в работа Ю.Ф.Макогона и Д.В.Дэвидсона (1983) и А.Ю.Намиота (1991). 1 - основание зоны стабильности гидратов; 2 - изолинии растворимости, нсм3/г.

не успевает перейти в гидрат. Тормозить этот переход может плэнка гидрата на контакте газ-вода. По оценке Р. Кренстона, в зоне одного из изученных нами газовых плюмов в Охотском море в гидрат переходят, по крайней мере, на S порядков меньше метана, чем разгружается на дне (Cranston et al., 1994). Понятно, что эффективность гидратообразователького барьера зависит, в частности, от гидродинамических к геотермических условий. Например, в случае мощной очаговой разгрузки воды на дне толщина зоны стабильности гидратов может «выродиться» в нуль (рис.ISA), к гидратонакопленяя из фильтрационного потока не будет совсем. Особенно же благоприятным для гидратонакопления должен быть случай, когда мощный, концентрировашшй поток флюида на некоторой глубине ниже дна «разветвляется» и рассредоточивается на некоторой площади (рис. 15В).

4. 3. О диффузии метана в зоне стабильности гидратов

Когда газогидратонакопление осуществляется по механизму сегрегационного роста, за транспортировку газа к месту выпадения гидрата отвечает диффузия. Наиболее очевидна роль диффузии в гидратонакоплении в окрестности восходящего потока свободного газа, в условиях которого и был идентифицирован сегрегационный рост гидратов (см. главу 3). Вокруг такого потока должна существовать область, для которой характерен горизонтальный градиент фугитивности газа, обусловленный разницей ДР (рис.16) между фугитивностыо свободного газа -(очевидно, близкой к гидростатическому давлению столба воды Р^) и фугитивностыо растворенного газа (близкой к равновесному давлению гидратообразования при данной температуре). Поскольку АР

уменьшается с увеличением глубины, и пористость седиентитов (в существенной мере определяющая их диффузионную проницаемость) тоже, как правило, уменьшается с глубиной, можно предполагать, что скопление гидратов, образующееся в зоне такого потока газа, должно иметь заостряющийся книзу вертикальный профиль. Сравнивая между собой кривые 1-4 Pe(j на рис. 16, можно видеть, что ДР возрастает с увеличением глубины воды. Отсюда скопления гидратов, ассоциирующиеся с более глубокими очагами разгрузки 1;аза, при прочих равных условиях должны быть крупнее.

В окрестностях очагов разгрузки газа имеет место не только центробежный, но и восходящий диффузионный поток газа.

< 9 ~| / 4 У

Г!>>})} 1 3 >-•

•ь.

О)

Рис.15. Зона стабильности гидратов в окрестности очагов сосредоточенной (А) и разветвлённой (В) разгрузки вод. 1 - дно моря; 2 - выход воды в гидросферу; 3 - направление фильтрации; 4 -изотермы (в условных единицах); 5 - подошва зоны стабильности гидратов.

Рис. 16. Различные виды давления (Р) в субмаринной зоне стабильности гидратов и их изменчивость по глубине. Н - общая глубина (глубина воды + поддонная глубина). Рь - условное гидростатическое давление. Реч- равновесное давление образования гидрата метана при глубине воды 1,2,3,4 км (ось глубин отражает изменчивость температуры согласно условиям, названным ниже). Р* -давление насыщения растворённого газа в зоне сульфатредукции. Принятые условия и допущения: вода не содержит солей; температура на дне 2 С; геотермический градиент 30 С/км; гидробарический градиент в поровых водах и в толще морской воды 10 МПа/км.

Здесь необходимо сослаться на работу А.В.Егорова (1988), в которой выдвинут и описан процесс направленной диффузионной переконденсации - процесс диффузионного переноса вещества в пространственно неоднородном поле параметра, влияющего на растворимость этого вещества (например, в поле температур); переконденсация заключается в растворении вещества в одной части системы (где растворимость больше) и конденсации в другой. Этот процесс, по А.В. Егорову, может приводить к первичной аккумуляции углеводородов.

Очевидно, внутри скопления гидратов направленная диффузионная переконденсация выражается в накоплении гидратов в верхней его части. Переконденсации способствует сравнительно высокий вертикальный градиент равновесного давления метана (в сравнении с гидробарическим градиентом - см. рис. 16).

Вернёмся теперь к линзовидно-слоистой текстуре гидратоносных седиментитов, которая наблюдалась в ассоциации с восходящим потоком газа (см. главу 3). . Субгоризонтальная ориентировка шлиров гидратов в условиях вертикальной фильтрации газа является уликой переноса газа диффузионным путем и выпадения гидратов из водного раствора. Ориентировка шлиров совпадает как с направлением «центробежной» диффузии газа, так и с ориентировкой поверхностей равного химического потенциала газа в растворе, определяемой изотермическими поверхностями, которые в данном случае должны быте субпараллельны дну моря.

«Центробежный» диффузионный перенос метана, сопровождающийся сегрегационным гидратонакоплением, может, очевидно, происходить в окрестностях фильтрационного потока не только свободного газа, но и газонасыщенной во,гы. Это возможно, в частности, по периферии мощных высокотемпературных потоков, когда осаждение гидратов

непосредственно в каналах фильтрации не происходит из-за слишком высокой температуры воды (см. рис. 15А).

В условиях региональной газонасыщенности вод процесс направленной диффузионной переконденсации, очевидно, может приводить к накоплению гидратов под относительно непроницаемыми покрышками. Если же таких покрышек нет, то длительное сохранение гидратов в разрезе (в случае, если не поступают новые порции газа) кажется маловероятным - как уже упоминалось, в зоне стабильности гидратов (в особенности, в нижней её части) высок вертикальный градиент фугитивности нетана (см. Р на рис.16): до 100 МПа/км. В

верхней части разреза, непосредственно ниже дна, он и того больше. Это служит предпосылкой для ускоренного диффузионного переноса метана в субмаринной зоне стабильности гидратов.

4.4. О миграции воды к проблеме пространства, занятого включениями сегрегационных гидратов Откуда берется вода при накоплении сегрегационных гидратов? Есть основания считать, что она не просто перераспределяется внутри «элементарного объёма» седиментита, но что имеет место направленная миграция воды к фронту гидратонакопленя. Об этом, в частности, , говорит распределение влажности седиментитов в окрестности очага разгрузки газа в прибрежье Сахалина в Охотском норе, где нами наблюдалась линзовидно-слоистая текстура гидратоносных

седиментитов. Во всех трёх поднятых кернах над гидратоносными интервалами, содержавшими 65-66% воды (по весу, включая воду гидратов), залегали седиментиты без гидратов, мощностью до 1,2м, влажность которых б.'.ша меньше (58-61%). Это свидетельствует о возможности поступления воды в гидраты сверху, за счёт обезвоживания (усадки) перекрывающих седиментитов. Каков механизм миграции этой воды? Принимая во внимание диффузионный механизм транспорта газа, «организующего» сегрегационное гидратовыделение, можно думать, что и встречный перенос воды - диффузионный. Поскольку образование гидрата сопровождается ростом солёности поровой воды в контакте с ним, резонно полагать, что в переносе воды принимает участие осмос. Однако, если вернуться к аналогии шлнроаых текстур гидратоносных седиментитов и мёрзлых пород, то нельзя не отметить, что формирование последних тоже связывают с миграцией воды к фронту фазового перехода (в этом случае - к фронту промерзания), однако диффузионно-осмотическому механизму переноса её обычно не находят места (Общее мерзлотоведение, 1978: Фельдман, 1988).

А.Г.Гройсман ( 1985), В.Л.Истомин и В.С.Якушев (1992) и Л.Н.Нестеров (устное сообщение, 1994), экспериментально изучая образование гидратов в песках, обнаружили большее их накопление вблизи торцов образцов и уменьшение содержания воды в центральных частях. Эта факты объясняются авторами как результат миграции воды к фронту гидратообразования, а механизм миграции рассматривается как капиллярный или плёночный. Эти опыты проводились со свободный газом.

Наряду со сходством, имеется существенное отличие образования гидратов от замерзания води. Если вода при замерзании увеличивается в объёне, то объём системы при гидратообразовании уменьшается. (Расчёт показывает, что при температуре 5°С уменьшение составляет

1,3 см /моль воды.) Это означает, что образование гидратов равносильно созданию в системе локального стока (дрены) и должно вызвать приток флюида в зону реакции. Но это будет приток раствора, а не растворителя.

4. S. О влиянии пористой среды на равновесные параметры газогидратообразования Пористая среда может влиять на равновесие реакции образования гидратов (термодинамический эффект) и на её протекание во времени (кинетический эффект). Суть первого заключается в ток, что стенки пор, будучи гидрофильными, снижают химический потенциал поровой воды, в результате чего, в соответствии с законом действия масс, для образования гидрата при той же температуре требуется более значительная термодинамическая концентрация

газа-гидратообразователя, либо - при той же концентрации - более низкая температура. Этот эффект рассматривался теоретически и исследовался экспериментально в ряде работ (Макогон, 1974, 1985; Царёв, 1976; Cha et al., 1988; Yousif and Sloan, 1991; Истомин и Якушев, 1992; Handa S Stupin, 1992; Мельников, Нестеров, 1933). Эффект был подтверждён, однако величина его в реальных, характерных для седиментитов условиях признаётся практически несущественной. Действительно, эффект этот должен быть тем заметнее, чем меньше отношение массы воды в системе к площади поверхности твёрдой фазы. Грубый расчёт показывает, что при радиусе пор около одного микрона (близком к минимальному для терригенных седиментитов) давление паров поровой воды меньше давления паров воды в свободном объёме всего на О,IX. Влияние пористой среды на кинетику процесса гидратообразования анализировалось Н.В.Черским и Н.Е.Михайловым (1990), которые оценили размер равновесного критического зародыша газовых гидратов при разных степенях переохлаждения и сравнили его с размерами пор. По мнению авторов, если размер пор меньше, начало кристаллизации невозможно; чтобы оно началось, необходимо более значительное переохлаждение. Авторы пришли к выводу, что при переохлаждении менее одного градуса размеры равновесного критического зародыша гидратов газа соизмеримы с размерами пор

природных коллекторов нефти и газа. Если это так, то качало гидратообразования в тонкопористых седикентмтах требует более значительного переохлаждения. Иевестно, однако, что понятие критического зародыша, строго говоря, справедливо для систем, где нет посторонних частиц или поверхностей, на которых могут зарождаться кристаллы. Способствуют ли стенки пор нуклеации - пока не вполне ясно. Если да - влиянием радиуса пор на кинетику процесса в геологическом аспекте, видимо, можно пренебречь, если нет -следует заключать (в соответствии с. концепцией Н.В.Черского и Н. Е. Михайлова), что степень пересыщения раствора газа в воде, недостаточная для образования зародышей гидрата в тонких порах, ножет оказаться достаточной в крупных. Следствием такого различия может явиться выпадение гидратов в коллекторах, принимающих воду, отжимаемую из смежных с ними тонкозернистых седиментитов в ходе консолидации.

Вернёмся теперь к влиянию пористой среды на равновесие гидратообразования. Думается, что даже малое различие равновесных параметров процесса в порах разного размера является существенным в реальных условиях консолидации, в самок деле, химический потенциал воды в крупной поре всегда несколько выше, чем в тонкой.

Поэтому поровый раствор, недонасыщенный газом в тонкопоровом седиментнте, будучи отжатым в крупнопоровый, может оказаться при ток же газосодержании насыщенным и способным осадить гидраты. Результатом продолжающейся консолидации будет накопление гидратов в седиментитах с крупными порами.

Та же разность химических потенциалов вода в седиментитах с разными размерами пор, обусловливая более низкую равновесную (с гидратом) фугитивность газа в крупных порах, вероятно, может и без консолидации вызвать диффузионную «перегонку» газа из газоматеринской толщи в смежный коллектор ■ накопление в нем (вблизи контакта) гидратов по механизму сегрегации. Этот перенос, очевидно, действует идентично механизму изотермической перегонки (Егоров, 1988) - направленное диффузионное переконденсацих, когда она осуществляется за счёт градиента поверхностной энергия.

4. 6. О связи газогидратонакопления с солёностью вод

Усматриваются четыре аспекта такой связи:

-Растворенные в воде соли действуют как ингибитор газогидратообразования: снижая химический потенциал воды, они

сдвигают равновесие реакции в сторону более низкой температуры и/или более высокого давления ( фугитивности)

газа-гидратообразователя. Этот эффект рассматривался во многих работах. Солёность морской воды (3S г/кг) в интервале температур 0-30°С уменьшает равновесную температуру на 1,2-2°С (Handa,1990; Davis, Hynctaan, Villinger, 1990).

- Поскольку в структуру гидрата вовлекаются молекулы чистой воды, в ходе гидратообразования должна возрастать солёность остаточной воды, сосуществующей с гидратами. При образовании гидратов из водного раствора это возрастание, однако, не столь значительно, чтобы в реальной субмаринной обстановке вовсе остановить осаждение гидратов фильтрующейся водой. Простой расчёт показывает, что если газосодержание воды, инеющей солёность 35 г/кг и фильтрующейся в сторону дна моря, в результате осаждения гидратов

уменьшится на. 4 нем /г (примерно на две трети от первоначальной -см. рис.14), то концентрация солей в ней возрастёт на 0,6 г/кг -всего на 1,8У. от первоначальной. При глубоководном бурении в Перуанском жёлобе в самой верхней части поддонного разреза наблюдалась увеличенная солёность и хлорность поровой воды (около 1% по сравнении с морской), которая была объяснена именно гядратообусловленным концентрированием (Kvenvolden & Kastner,

1990).

- Разложение гидратов, занимающих часть порового пространства седиментитов, естественно, вызывает уменьшение солёности поровой воды. Пространственная ассоциация проявлений гидратов с зонами опреснённых вод наблюдалась во всех субкаринных разрезах, где гидраты были вскрыты бурением, и в ряде других, где они не были обнаружены. Первоначально предполагалось, что опреснение является следствием разложения гидратов уже в керне (Hesse, Harrison, 1981), однако взятие проб воды in situ показало, что поровые воды опреснены и в условиях естественного залегания. Природа опреснения поровых вод сейчас дискутируется (Kastner, Elderfield, Martin,

1991). Считается, что оно может быть обусловлено как разложением гидратов (природным либо уже в керне), так и другими процессами, не имеющими прямого отношения к гидратоносности (дегидратация глинистых минералов, потеря воды опалом-А, фильтрационный эффект на глинистых мембранах). Отсутствие однозначной генетической связи опреснения с гхдратоносностью вытекает, в частности, из того факта, что в ряде районов опреснённые воды широко развиты, но гидраты не

обнаружены, и, более того, воды содержат очень мало метана (например, в аккреционном комплексе Барбадосского хребта в Карибском бассейне, Moore et al., '1988). Поскольку в ряде случаев опреснённые аоды явно приурочены к потенциально флюидопроводящин зонам (несогласия, днзьюнктивы, относительно грубозернистые горизонты), эти воды можно рассматривать как внедрившиеся во вмещающую их толщу извне. Ассоциация проявлений гидратов с этими водами - ещё одна улика фильтрационного генезиса гидратов.

- Последний аспект - это возможность диффузионной «перекачки» газа в зонах градиента солёности вод. Как указано выше, такие градиенты встречены е ряде субмаринных регионов, причём генетически они могут быть и не быть связанными с гидратоносностью. Возможность такой «перекачки» определяется тем, что фугитивность метана в растворе солёной воды в равновесии с гидратом больше, чек в чистой воде при той же температуре, хотя равновесные концентрации находятся в противоположном соотношении (Handa, 1990). Поэтому существование градиента солёности насыщенных газом поровых вод (например, у границы фильтрующего воду, коллектора) должно сопровождаться градиентом фугитивности метана того же знака. Последствием этого будет диффузия метана в более пресную воду. Кроме того, будет иметь место диффузионно-осмотический перенос чистой воды - во встречном направлении. Следовательно, вблизи границы такого коллектора возможно выпадение гидратов по механизму сегрегации (см. главу 3).

Аналогичным образом гидратообусловленное увеличение солёности поровых вод в зоне восходящего потока свободного газа (см. раздел 4. 3) или газонасыщенной воды способствует «центробежному» переносу метана и, таким образом, росту размеров скопления гидратов.

Рассмотрение материалов в данной главе показало, что помимо фильтрации, существенная роль в переносе веществ при газогидратонакоплении принадлежит диффузионным процессам. Они определяют ход сегрегационного накопления гидратов в окрестностях потоков свободного газа и могут проявляться в зонах изменения проницаемости седиментитов и солёности поровых вод. Этик выводам частично находятся подтверждения в материалах наблюдений. Так, в разрезах станций глубоководного бурения 490, 491 и 563 в Центральноамериканском жёлобе включения гидратов в седиментитах приурочены к верхним частям пачек относительно грубозернистых

отложений, вблизи их контакта с более тонкозернистыми. Интересно, что в двух случаях (станции 491 и 565) внутри таких пачек относительно грубозернистых отложений наблюдался гндрат-цекент в порах (см. рис. 10).

Выяснилось ,что зона субкаринного газогидратообразования, будучи геохиническим барьером на пути углеводородного газа, фильтрующегося в сторону дна (в свободном или растворенном состояния), вместе с тем может оказаться зоной сравнительно быстрого диффузионного стока метана. Принимая во внимание это обстоятельство, а также учитывая наличие «надбарьерного» и «подбарьерного» фильтрацонных переходов, нельзя безоговорочно согласиться с представлениями об этой зоне как о зоне сугубо накопления газа в гидратной фазе, к тому же надёжно экранирующей подгидратные залежи «нормальных» углеводородов.

Ещё один важный вывод: накопление гидратов в седиментитах -это процесс, реализующийся благодаря неоднородности геологического пространства - гидродинамической, геотермической, геохимической.

5. О ПРОСТРАНСТВЕННОМ РАСПРЕДЕЛЕНИИ СУБМАРИННЫХ ГИДРАТОВ ГАЗА

Фактический материал позволяет обсудить, прежде всего,

площадное распространение гидратов, ассоциирующихся с очагами

открытой разгрузки флюидов на дне моря. Характер их залегания (в

виде локальных скоплений), очевидно, не требует специального

обоснования. В Каспийском море известно два таких скопления - на

грязевых вулканах Буздаг и Элм. Площадь кратерного поля первого 2

оценена в О, 2 км , газогидратоносная часть второго, вероятно,

составляет около О, 5 км . Учитывая, что в глубоководной части моря

предполагается около 60 таких вулканов (Якубов и др., 1989), общую

их гидратоносную площадь можно оценить в 20 км . Это составляет около 0,07% от общей площади глубоководья Южного Каспия.

На гидратоносных площадях, изученных грунтовым пробоотбором в Мексиканском заливе и в прибрежье северной части Калифорнии, гидраты вскрывались в 1 и в 10% случаев соответственно (Brooks et al., 1986, 1990). Нельзя забывать, однако, что станции в обоих районах задавались над или рядом с разломами, площадь же зон разломов едва ли можно оценить более чем в IX площади бассейнов. Тогда оценка доли. гидратоносных площадей от общей площади этих

регионов составит 0,01-0,1!'..

Полученные оценки согласуются с оценками площадей, занимаемой очагами разгрузки флюидов. Так, в южной части основания аккреционного комплекса Каскадка очаги разгрузки занимают менее О, 2% площади (Orange & Breen, 1992) . Понятно, что только часть этой площади может оказаться гидратоносной.

Фактических данных о глубине распространения гидратов в очагах субмаринной разгрузки флюидов нет. Ока заведомо превышает максимальную глубин-' отбора проб гидратов, которая обычно составляла первые метры, но в ряде случаев - первые десятки петров (станции 618 DSDP в »Мексиканском заливе, 892 ODP в прибрежье Орегона; Init. Repts, v.96, 1986; Leg 146 Preliminary Res., 1993). По геотермическим данным на вулкане Буздаг в Каспии подошва гидратоносной зоны тоже может находиться на глубине первые десятки метров. Содержание гидратов в опробованных интервалах на Каспии составляло от 2-3 до 35%, а Охотском коре - до 30-40%, в прибрежье Орегона - до 10% (Leg 146..., 1993). Тенденции изменчивости этого показателя с глубиной остаются не выявленными.

Вне очагов субмаринной разгрузки флюидов гидраты газа вскрывались скважинами глубоководного бурения на 14 станциях при обаам числа станций в районах, благоприятных для гкдратонакопления (континентальные склоны и подножия и глубоководье морей) - около 170. На основании этих данных можно полагать, что доля площади, занятой скоплениями гидратов, составляет около 10% площади потенциально газогидратоносных акваторий. Наблюдённая по кернам мощность гкдратоносных интервалов варьирует от первых сантикетров до первых нетров, а содержание гидратов - от пзрвых процентов до 93-93%. Распределение их по поддонным глубинам в целом равномерное, хот я имеются разрезы, в которых гидраты наблюдались в верхних частях зоны стабильности гидратов; для Центральноамериканского жёлоба в прибрежье Гватемалы и Коста-Рики характерна приуроченность гидратопроявлений к нижним частям вскрытых разрезов. Наибольшее число проявлений (13) приурочено к отложениям плиоцена, далее следуют миоцен (8) и плейстоцен (6); по одному приходится на нерасчленённый олигоцен- миоцен и эоцен.

Данные каротажа служат основанием для увеличения числа вскрытых проявлений в разрезах тех скважин, где гидраты выявлены по керну, но в целом однозначно подтверждают их локальный характер.

Прерывистость гидратоносности разрезов подтверждается

газогеохимическими данными. В двух скважинах из числа тех, в керне которых наблюдались гидраты (490 и 563) с помощью герметичных пробоотборников определялось газосодержание поровых вод - оно оказалось ниже предела насыщения (Init. Repts., v.66, 1981; v.84, 1985). Факт неповсеместно высокого газосодержакия вод качественно подтверждается наблюдениями газовых трещин и каверн в кернах скважин, вскрывших гидраты - они отмечались далеко не по всей их длине. Во всех случаях, когда имеющиеся данные позволяют сопоставить состав газа из образцов гидратоа с составом газов, спонтанно выделившихся из кернов смежных интервалов, отмечается их отличие по соотношению С^/С, - в газе из гидратов оно меньше. Это различие является следствием фракционирования при

гидратообразовании; очевидно, его бы не было, если бы газ из керна тоже выделялся из гидратов; значит, в керне смежных с гидратоносными интервалов гидратов нет или мало. Единственное исключение из этой закономерности представляют газы вблизи уже названного наиболее значительного проявления гидратов в разрчзе станции 570. Таким образом, формальный анализ всей совокупности данных свидетельствует: гидраты распространены по площади и разрезу гидратоносных площадей не сплошь, а изолированно, скоплениями; скопления же. как показал геологический анализ (см. главы 1. 4), контролируются неоднородностями, обусловливающими особенности миграции флюидов.

Вывод о локальном характере гидратосодержания отложений, однако, находится в противоречии с распространёнными представлениями, основанными на данных сейсморазведки, согласно которым известный во многих районах отражающий сейсмический горизонт BSR является подошвой гидратоносной толщи. Чтобы устранить это противоречие, надо считать BSR не подошвой скоплений гидратов, а только границей, ниже которой в отложениях присутствуют рассеянные пузырьки газа, а над ней таких пузырьков нет. Такой взгляд согласуется с недавней публикацией (Miller et al.,1991), в которой указано, во-первых, что впечатление о сплошности BSR может быть следствием применения входящего в стандартный граф обработки сейсморазведочных данных метода автоматической регулировки усиления (т.н. АРУ). Во-вторых, обращается внимание на то, что контрастность акустического инпеданса на BSR может быть обусловлена как увеличением скорости упругих волн выше него за счёт гидратосодержания, так и уменьшением ниже него за счёт

газосодержания; возможно и совместное влияние обоих факторов. В крайних вариантах необходимо, чтобы при отсутствии газа внизу гидраты занимали десятки процентов порового объёна, а газ - при отсутствии гидратов сверху - всего около IX. Учитывая эти оценки, в общем случае BSR следует считать не подошвой скоплений гидратов, а только границей зоны их стабильности в условиях предельной газонасыщенноста вод. Последние опубликованные работы подтверждают эту точку зронкя (MacKay et al.f 1993; Ecker £ Lumley, 1993; Andreassen, Hart £ Crantz, 1993).

С. О КОЛИЧЕСТВЕ МЕТАНА В СУБМАРИННЫХ ГАЗОВЫХ ГИДРАТАХ

Опубликованные оценки общего количества газа в субмаринных

15 17 3

гидратах варьируют в пределах 3,1x10 - 1x10 м (Макогон и др., 1973; Макогон, 1985; Трофимук и др., 1G75, 1979, 1983; Черский, Царёв, 1977; Черский и др., 1983; Mclver, 1981; Kvenvolden, 1988; Gornitz, Fung, 1993). Все эти оценки основаны на представлениях о непрерывности распространения гидратов на больших площадях и в значительных интервалах разреза и потому принципиально не согласуются с концепцией об их залегании б локальных скоплениях, контролируемых геологическими неоднородностями.

Думается, что объёмно-генетический метод оценки количества газа в субмаринных гидратах должен основываться на элизионно-фильтрационной модели газогидратонакопления. Уже теперь экстремальную оценку этого количества можно получить умножением среднегодового расхода воды, выносимой из субокеанической стратисферы в океан (<3В), на потерю ею метана за счёт уменьшения растворимости в зоне стабильности гидратов (AS) и на продолжительность существования этой зоны (г). Вынос воды из уплотняющихся отложений в океан был оценён на конференции по

проблемам научного бурения в океане в 1 км /год (COSOD-II, 1987) с предполагаемой точностью 300%. За истекшие годы эта оценка не

уточнялась. Если принять т = 3,5x10 лет (половина отрезка времени

между современностью и поздним мелом, когда, согласно

палеоокеанологическим данным, началось охлаждение глубинных вод

3 3

океана, Шопф, 1982), a AS = 2м СН» на 1м воды (что равносильно её охлаждению примерно на 15°С, см. рис.13), то количество метана, стабилизированное в гидратах, составит 7хю16н3. Конечно, эта

оценка сильно завышена. Её завышенность явствует, прежде гзсего, мз завышения ДС, а точнее, произведения ЛС х qg. В самом деле, не может быть и речи о полном газонасыщении всей воды, отжимаемой из сединентитов в океан. Как правило, вода субмаринных источников сильно недонасыщена газом. Так, на заведомо гидратоносиой континентальной окраине Каскадиа известны мощные источники с дебитом воды 100-1165 л/м х день, в которых содержание метана определено в 30-150 дМ (Carson et al., 1990; Linke et al., 1992) -более чем на два порядка ниже раствориности его в воде в условиях морского дна (около 50 тМ). В Карибском мора в 1?. кн мористее фронта деформации Барбадосского аккреционного комплекса известен грязевой вулкан, выносящий 10 м /год воды (le Pichón et al. , 1990) ; содержание нетана в этой воде было 800 дМ, т. е. почти на два порядка ниже растворимости. Более того, и глубокозалегающие поровые воды часто далеки от насыщения метаном. В разрезе того же Барбадосского комплекса бурением выявлены многочисленные фильтрационные аномалии хлорности вод; однако содержание метана в этих водах в большинстве случаев ниже 500 дМ (Moore et al., 1988). Недонасышение поровых вод зафиксировано даже в заведомо гидратоносных районах: в Центральноамериканском жёлобе (станции 490 и 568, см. главу 5) и в жёлобе Нанкай. В последнем случае речь идёт о фильтрационном потоке воды в основании аккреционного комплекса (зона деколлемента), где метан вообще не был обнаружен (Init. Repts., v.131, 1991). Для гидратонакопления из отжимаемых вод не безразлично, как эти воды фильтруются - в виде концентрированных или рассредоточенных потоков: мощный концентрированный поток может настолько прогреть путь фильтрации, что весь газ (кроме потерь на диффузию и окисление) будет выноситься в гидросферу (см. выше, раздел 4.2 и рис.15). Примеры сравнительно высокотемпературных концентрированных потоков воды на континентальных склонах и в глубоководье морей известны. Температура воды упомянутого грязевого вулкана в Карибском море составляла 21,1°С (при глубине воды 4938м, Le Pichón et al., 1990). Измеренная температура глиняной брекчии непосредственно ниже дна моря на кратерном поле одного из грязевых вулканов в Мексиканском заливе составляла 20°С (Lee et al., 1993).

Вопрос о соотношении концентрированного и рассеянного потоков является одним из важнейших в гидрогеологии аккреционных комплексов (Moore & Vrolijk, 1992). Оно определяется, главным образом, соотношением проницаемости отложений в массиве и во

флюидопроводящих зонах. Принято считать, что проницаемость зон

разломов (которые рассматриваются как главные флюидопроводники)

превышает проницаемость «боковых пород» на 2-5 порядков: первая

"*Ю с о — ig „ « g 2

оценивается в 10 +10 м , вторая в 10 +10 м (Screata et

al., 1990; Wang et al., 1990; Moore & Vrolijk, 1992). Согласно

расчётам (Orange & Breen, 1992), концентрированная разгрузка

флюидов возможна только тогда, когда проницаемость массива в целом - 17 2

меньше 2x10 м . Как уже отмечалось, по оценкам этих же авторов, в зоне основания аккреционного комплекса Каскадиа, в его южной части, очаги разгрузки занимают менее 0,2% общей площади, но они собирают до 60% общего расхода флюидов.

Итак, интегральная оценка количества метана в субмаринных гидратах на основе генетических представлений оказывается явно сильно завышенной. Необходима дифференциальная оценка, основанная на данных об изменении по разрезу и расхода фильтрующейся воды, и её газосодержания. При такок подходе необходимо, в частности, исключить поровую воду, которая отжимается в гидросферу до того, как насыщается метаном.

Другой подход к оценке количества метана в гидратах может быть основан на сравнении его с количеством метана, растворённого в

поровых водах потенциально гидратоносных акваторий, с учётом того,

' 15 3

что глобальные запасы горючих газов в залежах (около 10 м ,

Моделевский, 1989) примерно на два порядка неньше глобальных

17 3

запасов водорасгворённых горючих газов (около 10 м , Якуцени,

1990). Доля потенциально газогидратсносных акваторий Мирового

океана, как уже упоминалось (см. главу 1) составляет около 10% 8 2

его площади (3,6x10 км , Океанографическая энциклопедия, 1974,

7 2

БСЭ, т. 18, 1974), т.е. около 4x10 км . Приняв мощность осадочной

толщи в этих акваториях 2км, среднюю пористость седиментитов 30% и

допустив полную газонасыщенность вод метаном (о том, что такое

допущение сильно завышает газонасыщенность вод, говорилось выше),

17 3

мы получим количество растворённого в водах газа около 10 м .

Тогда количество метана в субмаринных газогидратных скоплениях 15 3

может составлять 10 м .

Наконец, третий подход может быть основан на энпирических данных. Известно, что значительная (а может быть, и наибольшая) часть запасов полезных ископаемых обычно находится в крупных месторождениях (Нестеров, Потеряева, Салманов, 1975; Шпильман, 1982; Конторович, Дёмин, Лившиц, 1989). Так, по оценкам

А.Э.Конторовича с соавторам* (1989), В7% запасов нефти США

находится в месторождениях, число которых составляет только 2, ТА от

всех месторождений нефти. Считается также, что сначала обычно

открываются наиболее крупные и мелкие месторождения, а затем, по

мере развития поисковых работ, открываются средние. Можно

предположить, что на станции глубоководного бурения S70 в

тихоокеанском прибрежье Гватемалы (см. главу 1) вскрыто крупное

скопление гидратов, и что общее количество газа во всех крупных

(подобных ему) скоплениях соизмеримо с общим количеством газа в

субмаринных гидратах. Станция 570 - одна из около 170 станций

глубоководного бурения в потенциально гидратоносных акваториях.

Зудем считать, что «плотность запасов», характеризующую эту станцию 9 3 2

(1,4x10 м на 1км ), можно распространить на долю площади

потенциально газогидратоносных акваторий, составляющую 1:170, т.е.

7 2

на 0,6%. А так как сама эта площадь оценивается в 4x10 км (см. выше), то количество метана в гидратах в крупных скоплениях

(напомним - в аналогичных вскрытому на станции 570) окажется равным

9 7 14 3

1,4x10 хО, 006x4x10 =3,4x10 м . Итак, если этот подход верен, то

общее количество газа в субмаринных гидратах соизмеримо с

15 3

полученным результатом и не превышает 10 м .

Запасы газа в скоплении гидратов, вскрытом бурением на станции

570, можно грубо оценить, воспользовавшись той же цифрой «плотности

9 3 2

запасов» на единицу площади (1, 4x10 м на 1км ) и предположением

об ассоциации этого скопления с разломом, проявляющимся в рельефе

дна в виде ложбины (см. главу 1); протяжённость этой ложбины -

около 15км, ширина - около Зкм (Volpe et al., 1985, fig.3). Если на

всю эту полосу (15x3 км ) распространить упомянутую «плотность

запасов», общее количество газа в скоплении составит около 60 3

млрд. м .

Можно дать грубую оценку количества газа в ещё одном скоплении

- на грязевом вулкане Буздаг в Каспии. Его площадь оценена в 0, 2 о

км , среднее содержание гидратов в глиняной брекчии примем равным 15%, а" модность гидратоносной зоны - 50м (см. главу 1). Оцениваемое

количество газа составит 0,3 млрд. м • Кстати, если во_пользоваться

3 2

«плотностью запасов» газа в этом скоплении (1,5 млрд. м на 1км площади), то на основе полученной ранее оценки распространённости скоплений, ассоциирующихся с очагами субмаринной разгрузки флюидов (до 0,1 У. площади потенциально гидратоносных акваторий, см. главу 5), можно рассчитать количество газа во всех скоплениях этого типа:

1, 5хЮ3хО, 001х4хЮ7=6хЮ13 KJ.

И ещё одна, последняя оценка. Выше уже дважды упоминался как крупный очаг разгрузки грязевой вулкан в Карибскон море, вблизи фронта деформации Барбадосского аккреционного комплекса (см. выше данную главу и главу ü), выносящий в океан 10В м /год воды. Продолжительность столь активной разгрузки составляет S тыс. лет (Le Pichón et al., 15Э0) . Если бы вся эта вода разгружалась в море,

будучи предельно газонасыщенной, и отлагала на пути фильтрации 2м метана из 1м3 воды, она могла бы сформировать скопление гидратов,

содержащее около 10 млрд. к газа.

Вывод: вероятно, общее количество метана в субмаринных . „15 3

гидратах не превышает 10 м , а крупные скопления могут содержать десятки миллиардов кубометров газа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенного исследования удалось осветить ряд вопросов, касающихся образования и распространения субмаринных газовых гидратов. Выяснилось, что гидраты характерны для материковых и островных склонов к подножий и глубоководья внутренних и окраинных морей - именно в этих областях благоприятным образом сочетаются условия для генерации газа и переноса флюидов в направлении дна, в зону, где возможна стабилизация гидратов. Показано, что газогидратоносность акваторий определяется скоплениями гидратов, а не равномерным их распределением ь седиментитах, и что положение этих скоплений контролируется неоднородностями геологического пространства. Основная роль в формировании скоплений принадлежит фильтрации флюидов, в частности - движению вод, отжимаемых из отложений в ходе их уплотнения под влиянием геостатической нагрузки и тектонического стресса. Вместе с тем выявлена существенная роль диффузионных процессов. Установлены механизмы гидратонакопления и предложена генетическая классификация текстур гидратоносных отложений, увязанная с этими механизмами и механизмами переноса вещества. Выполнена оцзнка количества газа, сосредоточенного в субмаринных гидратах и в их скоплениях. Наконец, обосновано положение о ток, что в субмаринной зоне газогидратообразования происходит не только стабилизация газа в гидратах, но и значительный вынос его в гидросферу.

Полученные результаты свидетельствуют с очевидностью, что режим субмаринного газогидратообразования определяется не только теркобархческими условиями и не только условиями генерации углеводородного газа, но и флюидодинаническим режимом регионов: геология газовых гидратов - это не только геология природного газа, но и геология воды, гидрогеология. Это - важнейшее направление исследований при дальнейшем познании распространения субмаринных гидратов. Предметом специального внимания должны стать гидрогеологическое строение и режим континентальных окраин разного типа, определение расходов флюидов различного происхождения, газоносность вод. Последняя ветвь принадлежит и другому важнейшему направлению будущих исследований: генерации и миграции углеводородных газов в океанических осадочно-породных бассейнах. Предстоит выяснить, в частности, соотношение биохимического и катагенетического газообразования в океанических отложениях и связанную с этим проблему сингенетичносги поровых флюидов и сформированных ими гидратов вмещающим их толщам.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ АВТОРА, положенных в основу диссертации

1. Об образовании кристаллогидратов природных газов в недрах.

В кн. : Гидрогеология Енисейского Севера, сб. статей по

гидрогеологии и геотермии, вып. 1. Л. : НИИГА, 1ЭБ9, с. 109-128.

2. Гидраты природного газа в недрах Иирового океана. - В кн: Нефтегазоносность Мирового океана. Л: ПГО Севморгеология, 1984, с. 141-158 (соавторы В.Л.Иванов и В.А.Соловьёв).

3. Cryogeothermal problems in the study of the Arctic Océan.

In: Permafrost, Fourth International Conférence Final

Proceedings. National Academy Press, Washington, D.C., 1984, p.273-277 (co-authors Ya.V.Neizvestnov, V.A.Soloviev).

4. Особенности литогенеза при газогидратообразования в недрах Мирового океана. - Докл. АН СССР, т. 288, N6, 1986, с. 1446-1449 ( соавторы И. С. Грамберг, В.Л.Иванов, В. А. Соловьёв).

5. Оценка газогидратоносности недр Атлантического океана. - В кн: Земная кора Центральной Атлантики. М: Междуведомственный геофизический комитет при Президиуме АН СССР, 1987, с.110-118 (соавторы И. С. Грамберг, В.А.Соловьёв).

6. Криогеотермия и гидраты природного газа в недрах Северного Ледовитого океана. Л. :ПГ0 Севморгеология, 1987, 150с. (монография,

соавторы В. А. Соловьёв, Е. В. Телепнев, Ю. Н. Михалюк).

7. Геотермические исследования в Мировом океане в связи с изучением газогидратоносности. - Литология и полезные ископаемые, N5, 1987, с. 121-125 (соавтор В.А.Соловьёв).

8. Подводногрязевулканичвский тип скоплений газовых гидратов. Докл. АН СССР, т. 300, N2, 1988, с. 416-418 (соавторы

И. С. Грамберг, И. С. Гулиев, Р.А.Гусейнов, А. А. Дадашев, В.Л.Иванов,

A. Г. Кротов, Ч.С. Мурадов, В.Д.Соловьёв, Е. В. Телепнев).

9. Основные генетические типы субмаринных газовых гидратов. -В кн. : Геология морей и океанов. Доклада советских геологов к XXYIII сессии Международного геологического конгресса. Л. : ПГО Севморгеология, 1988, с. 81-88 (соавторы В.Л.Иванов, Ю.И.Матвеев,

B. А. Соловьёв).

10. Первые результаты поиска субмаринных газовых гидратов в Чёрном море (21-й рейс НИС «Евпатория»). - Геология и геофизика, 1989, N4, с. 110-111 (соавтор А. Н. Креклёв).

11. Газогидратообразование как особый тип криолитогенеза в океане. - Изв. АН СССР, серия геол., N10, 1989, с. 115-120 (соавтор В. А. Соловьёв).

12. О газогидратоносности недр Мирового океана. - В кн. : Проблемы нефтегазоносности Мирового океана. М. : Наука, 1989, с. 101-10В (соавторы В.Л.Иванов, В.А.Соловьёв).

13. Субмаринные газовые гидраты. - В кн. : Основы прогноза и поисков нетрадиционного углеводородного сырья. Л. : ВНИГРИ, 1989, с. 20-25 ( соавторы В. Л. Иванов, В. А. Соловьёв).

14. Открытие фильтрогенных газовых гидратов на прикрымском континентальном подножии. - Докл. АН СССР, т. 309, N2, 1989, с. 409-412 (соавторы А. Н. Кремлёв, М.Н.Григорьев, А. Д. Павленкин, Г.В.Ларкин, В. Е. Царьков).

15. Исследование влияния гидрофильной твёрдой фазы на равновесие в системе газ-гидрат-вода. - В кн. : Газо-геохимические методы поисков полезных ископаемых в Южно-Каспийской впадине и обрамляющих горных системах. ГГМ-Ш, 15-17 ноября 1989г., тезисы докладов. Баку, 1989, с. 31-32 (соавторы Ю. Г.Маширов, Д. Ю. Ступин, В. А.Соловьёв, Р.Э.Аскери-Насиров).

16. Нетрадиционные источники углеводородного сырья. М.: Недра. 1989, 223с. (соавторы Е. С. Баркан, В.М.Безруков, И. С. Гольдберг, В. В. Грибков, В. А. Соловьёв X др.).

17. Геологические модели газогидратообразования. - Литология и полезные ископаемые, N2, 1990, с. 76-87 (соавтор В.А.Соловьёв).

18. Фильтрогенные газовые гидраты в Чёрном море (21-й рейс НИС «Евпатория»). - Геология и геофизика, N3, 1990, с. 10-20 (соавторы А.Н. Кремлёв, И.Н.Григорьев, Г. В.Ларкин, А. Д. Павленкин, Н. А. Салтыкова).

19. Геология субмаринных газовых гидратов. - Советская геология, N11, 1990, С. 12-19 (соавторы И. С. Грамберг, В. А. Соловьёв).

20. Газовые гидраты континентальных склонов. - Геология нефти и газа, N11, 1990, с. 43-45 (соавторы И. С.Грамберг, В. А. Соловьёв).

21. Субмаринное газогидратообразование из фильтрующихся газонасыщенных подземных вод. - Докл. АН СССР, т. 313, N2, 1990, с. 410-412.

22. Основные направления изучения газовых гидратов Мирового океана. - В кн. : Ресурсы нетрадиционного газового сырья и проблемы его освоения. Л. : ВНИГРИ, 1990, с. 167-169 (соавторы И. С. Грамберг, В. Л. Иванов, Ю.И.Матвеев, В.А.Соловьёв).

23. Газогядраты. - В кн. : Геология и минеральные ресурсы Мирового океана. Варшава: Интерморгео, 1990, с.461-468 (соавторы М.Зубова, В.Соловьёв, Т.Шадрина).

24. Опыт моделирования образования гидратов водорастворённым газом. - Докл. АН СССР, т. 316, N1, 1991, с. 205-207 (соавторы Ю. Г. Маширов, Д. Ю. Ступин, В.А.Соловьёв).

25. Изучение геохимии иловых вод в районе формирования газогидратов в Каспийском море. - Водные ресурсы, N1, 1991, с. 175-183 (соавторы А. Д. Есиков, В.И.Пашкина).

26. Газовые гидраты в недрах океанов. - В кн. : Глубинная морская геофизика (развитие методов истолкования). Л. : Недра, 1991, с. 197-204.

27. Газогидратообразовательные геохимические барьеры на континентальных склонах и подножиях. - В кн. : Дегазация Земли и геотектоника. Тез. докладов III Всесоюзного совещания. М. : Наука, 1991, с. 129-130 (соавтор В.А.Соловьёв).

28. Субмаринный газогидратообразовательный геохимический барьер. - В кн. •• Третье Всесоюзное совещание по геохимии углерода. Тез. докл., том I, М. : ГЕОХИ, 1991, с. 120-121 (соавторы В.А.Соловьёв, Ю. Г. Маширов).

29. Газовые гидраты Южного Каспия. - Известия Академии Наук, серия геологическая, N7, 1992, с. 5-20 (соавторы Р.А.Гусейнов, А. А. Дадашев, Г.А.Иванова, С.А.Казанцев, В. А. Соловьёв,

Е. В. Гелепнев, Р. 3. Леке рк-Насиров, А. Д. Ескков, В.И.Мальцева. Ю. Г.Маширов, И. Ю.Шабаева).

30. Worldwide distribution of subaquatic gas hydrates. -Geo-Marine Letters, v.13, 1993, p.32-40 (co-authors K.A.Kvenvolden, V.A.Soloviev).

31. Gas hydrates from the continental slope offshore from Sakhalin Island, Okhotsk Sea. - Geo-Marine Letters, v. 13, 1993, p.41-48 (co-authors V.A. Soloviev, R.E.Cranston, T.D.Lorenson, K.A.Kvenvolden).

Подписано к печати 7 апреля 1994 г. Печл. 4,0 Уч.-издл. 4,0 формат 60 х 90 Ш Тирах 120 экз.

Ротапринт ВНИИОкеангеология. Зак-N 30 190121, Санкт-Петербург, Мойка, 120

Информация о работе

Гинсбург, Габриель Давыдович
доктора геолого-минералогических наук
Санкт-Петербург, 1994
ВАК 04.00.10

Автореферат

Похожие работы

Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему Субмаринные газовые гидраты (образование и распространение) ВАК РФ 04.00.10, Геология океанов и морей

Автореферат диссертации по теме "Субмаринные газовые гидраты (образование и распространение)"

Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему
Субмаринные газовые гидраты (образование и распространение)
ВАК РФ 04.00.10, Геология океанов и морей