Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Технические средства и методы газобиогеохимических исследований океана

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Текст научной работыДиссертация по географии, доктора технических наук, Авилов, Владимир Игоревич, Москва

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ОКЕАНОЛОГИИ ИМ. П.П. ШИРШОВА

На правах рукописи

Авилов Владимир Игоревич

удк 551.46.550.4

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ГАЗОБИОГЕОХИМИЧЕСКИХ

ИССЛЕДОВАЩЙ ОКЕАНА

■ .■■■:'■■ ■ - V м- Р а К Росс;-.;

Диссертация в форме научнот доклада насоли екание ученей степени

доктора технических наук

Москва 1997

Работа выполнена в Институте океанологии им. П,П. Ширшова Российской Академии Наук

W

fv

Ведущее учреждение:

Официальные оппоненты: Бурлин Ю.К., доктор геолого-

минералогических наук, профессор (МГУ)

* Л

Вержбицкий Е.В., доктор технических наук, академик МАИН (ИО РАН)

Ясашин A.M., доктор технических наук, профессор (ВНИИОЭНГ)

Всероссийский научно-исследовательский Институт геологических, геофизических и геохимических систем (ВНИИгеосистем)

Защита состоится « i 2.» veo s, в часов

на заседании специализированного Совета Д.002.86.01 при Институте океанологии им. П ГГ Щиршова Российской Академии Наук, Москва, 11 * >вский проспект, 36. Конференц-зал.

С диссертацией можно е

ИО РАН

Диссертация в форме научн «У) __199фг.

Ученый секретарь Специализированного Совета кандидат географических наук

С.Г.Панфилова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Разработка методологии и принципов построения систем приборов для газобиогеохимических исследований является одним из перспективных направлений совершенствования океанологической техники при решении задач по освоению ресурсов Мирового океана, по оценке экологического состояния водных объектов. В своем развитии океанология все чаще задает вопрос "Почему?", постигая причинно-следственные связи разнообразных явлений. В поле зрения оказываются процессы, относящиеся к геохимии природных газов. Потоки флюидов, легкоподвижных газообразных компонентов пронизывают массы вод океана, влияя на формирование физико-химических и биогеохимических полей, биологической структуры водной среды. О масштабах этих явлений судят по количественным газобиогеохимическим показателям. Особое значение имеет изучение углеводородных газов (УВГ), в определенных условиях связанных с нефтегазоносностью акваторий. Актуальность подобных исследований возрастает и с практической точки зрения. На морские месторождения нефти и газа приходится четверть мировой добычи и ее доля, как оценивают эксперты, будет возрастать. При более консервативной обстановке в водной среде по сравнению с атмосферой повышается значение геохимических методов для выявления залежей нефти и газа.

По многим названным направлениям соответствующие исследования были крайне ограничены из-за отсутствия достоверной информации при недостаточном уровне развития необходимых технических средств. Особенно не хватало данных о количественном содержании газовых компонентов и биологически активных веществ в труднодоступной для наблюдения придонной среде. Фактически требовалось создание новой комплексной информационной технологии, адекватной характеристике изучаемых природных объектов и явлений, поскольку традиционные приборы вносили заметные погрешности в исходный состав компонентов, зачастую ограничены по глубине погружения, функционально не предназначены для работы в пригонном слое. Актуальность работы определялась необходимостью:

| - оснастить морские газобиогеохимические наблюдения спе-

5 циально предназначенными техническими средствами и ме-

' тодами для получения достоверного фактического материа-

I ла по воде и осадкам;

I - разработать принципы построения функционально новых

- - I систем приборов для этих исследований;

- реализовать идеи в технических решениях, соответствующих более высокому уровню развития океанологической техники.

Цель работы. Цель настоящей работы заключалась в разработке комплекса специальных технических средств и методов газо-биогеохимических исследований океана, обеспечивающих эффективное повышение достоверности получаемого фактического материала на основе расширения функциональных возможностей систем отбора и обработки проб воды и донных осадков.

Основные задачи исследования

Г. Анализ и обобщение применяемых технических средств и методов газобиогеохимических исследований.

2. Разработка методологии по созданию функционально новых систем приборов.

3. Исследование принципов построения приборов комплекса по доминантным признакам.

4. Создание новых способов захвата, сохранности и обработки проб.

5. Техническое решение комплекса приборов для натурных исследований.

6. Экспериментальное исследование эффективности примене-

... ния созданных технических средств и методов.

7; Изучение пространственно-временной неоднородности поля содержаний УВГ и сопричастных им показателей.

Научная новизна

1. Впервые создана технология высокоточных газобиогеохимических исследований океана, разработана методология создания функционально новых систем приборов по доминантным признакам.

2. Исследованы и обоснованы доминантные информационные, методологические и построечко-технологические признаки, качества и свойства создаваемых систем приборов с целью эффективного повышения достоверности получаемого фактического материала.

3. Осуществлена классификация технических средств, используемых при морских газобиогеохимических определениях, по десяти основным признакам (назначение, область применения, способ захвата, герметизация пробы и другое).

4. Разработаны новые способы захвата проб (замещение, вытеснение, накапливание) и принципы обеспечения сохранности компонентов в пробах (принципы поршневой, оболочковой и диффузионно-капиллярной компенсации).

5. Предложены и исследованы принципы функционального доминирования и принцип оптимизации параметров систем захвата, обработки и подготовки к анализу проб в целях расширения функциональных возможностей приборов комплекса.

6. Экспериментальными исследованиями установлена высокая степень реализации доминантных признаков в созданных технических средствах, разработана методика их применения при комплексных геолого-геохимических исследованиях в океане, что обеспечило высокую достоверность полученных данных, адекватных газобиогео-химическим показателям in situ в океанической среде.

7. Натурное изучение акваторий с помощью разработанной технологии высокоточных газобиогеохимических определений обеспечило получение новых геолого-геохимических данных:

- впервые выполнены десятки тысяч измерений газовых компонентов, биохимических показателей в многочисленных регионах Мирового океана, включая наблюдения в труднодоступном придонном слое воды в 1,5-3 м от дна при любых глубинах вплоть до 7,4 км в Императорском разломе Тихого океана;

- впервые измерены скорость и плотность рассеянного потока метана и других газов из осадков в придонную воду;

- на достоверной количественной основе осуществлена интерпретация полученного нового научного материала, выделены фоновые и аномальные зоны содержания газобиогеохимических показателей, установлена связь последних как с естественными нефтегазопроявлениями, потоками флюидов, так и с техногенным загрязнением; обоснованы критерии по разделению обоих процессов;

- выявлена определяющая роль явления хемолитоавтотрофии в формировании высокой газонасыщенности термальных рассолов Красного моря, осадков газовых кратеров Балтийского моря, "рокфоровых илов" Черного моря;

- вопреки существовавшим представлениям о распространении сероводорода повсеместно в глубинах Черного моря, в его центральной части и каньонах рек в придонном слое обнаружены масштабные линзы вод, содержащих кислород.

Практическая значимость работы. Выполненные исследования явились научной основой для формирования технических требований к газобиогеохимической аппаратуре. На их базе найдены технические решения (получено 21 авторское свидетельство, включая патент) и разработаны принципиальные схемы систем приборов комплекса для надводных кораблей, погружных автономных систем, системы приборов для обитаемых подводных аппаратов (ОПА). Практическая ценность работы характеризуется также тем, что большая часть авторских свидетельств внедрена с высоким экономическим эффектом.

На практике подтверждена возможность реализации доминантных свойств и качеств в реальных конструкциях и высокая эффективность их использования в морских газобиогеохимических исследованиях. Экспериментально показано, что применение разработанных технических средств и методов повышает достоверность получаемых данных, информативность исследований и производительность работ при натурных измерениях. Внедрение разработанной технологии высокоточных газобиогеохимических исследований обеспечило получение новых количественных критериев нефтегазо-носности акваторий, оценки геоэкологического состояния морской среды, выявления загрязнения океана.

Реализация результатов. Представленные исследования выполнены в Отделе проблем нефтегазоносности Мирового океана ИО РАН в соответствии с тематическим планом, а также по программам "Акванефть", "Мировой океан", "Придонная океанология". Результаты работ отражены в ежегодных научных отчетах Отдела. Результаты исследований, техническая документация переданы в ОКБ ОТ, ТОЙ ДВНЦ, ИБФМ, ГЕОХИ, ИНМИ, Севморгеология, СахНИПИ-морнефть, ИО НРБ и ряд других организаций, где осуществлено изготовление единичных экземпляров и мелких серий с применением приборов и систем комплекса. Монография с описаниями принципиальных схем приборов предана ученым бывших НРБ, ПНР, ГДР, где использовалась в научных исследованиях. Компенсационные батометры прямоточного и всасывающего типа, дегазатор отмечены бронзовыми и серебряной медалями ВДНХ СССР.

Впервые в мировой практике был создан и успешно функционировал специализированный комплекс приборов в геолого-геохимических и геолого-геофизических экспедициях на кораблях ИО РАН и других организаций. Применение систем приборов, начиная с 1972 г. и по настоящее время, позволило получить качественно новые материалы, существенно дополняющие результаты экспедиций в це-

лом. Результаты испытания приборов и газобиогеохимических исследований вошли в научные отчеты по экспедициям (26 отчетов). Обработка и обобщение полученных материалов нашли отражение в публикациях. На основе новых газобиогеохимических данных в Отделе проблем нефтегазоносности Мирового океана выработаны рекомендации по перспективным районам для поисков нефти и газа в Охотском, Карском, Балтийском, Черном, Каспийском, Баренцевом морях, направленные в Миннефтепром России, Мингазпром России. Практические рекомендации по оценке геоэкологического состояния водных объектов в виде Методических указаний переданы по хоздоговорной работе в СахНИПИморнефть и в рамках программы "Экологическая безопасность России" - Минэкологии России.

Защищаемые положения

1. Для проведения количественных газобиогеохимических наблюдений в океане требуется создание специальных технических средств и методов на основе исследования принципов построения функционально новых систем приборов по доминантным признакам.

2. Среди информационных признаков к доминантным относятся содержания газовых компонентов, биохимических показателей в воде и осадках. В методологии - отбор проб с любых глубин океана с точностью, соизмеримой с размерами изучаемого объекта. Для комплекса в целом - обеспечение суммарной погрешности метода на уровне погрешности анализа, достижение герметичности и инактив-ности. У пробоотборников доминантными свойствами являются захват пробы без нарушения ее структуры, компенсация изменения объема пробы, достижение высокой надежности срабатывания, простоты конструкции и удобства обслуживания.

3. Главными принципами построения приборов комплекса для газобиогеохимических морских исследований являются обеспечение компенсации изменения объема пробы, исключение ее контакта с атмосферным воздухом, исполнение в каждом техническом решении выделенных доминантных свойств и качеств.

4. Реализация доминантных признаков привела к разработке новых способов захвата (накапливание, вытеснение, замещение) и сохранности проб (поршневой, оболочковой, капиллярно-диффузионной компенсации), послуживших теоретической основой для авторских свидетельств и патента.

5. Внедрение результатов исследований выразилось в создании комплекса приборов для наблюдений в водной толще, придонном слое и осадках как с надводных судов, так и с обитаемых подводных

аппаратов, при автономных постановках и в успешном их использовании в многочисленных морских экспедициях.

6. Экспериментально подтвердились высокие эксплуатационные свойства систем приборов, превосходящие отечественные и зарубежные аналоги по более высокой сохранности нативных свойств и исходного состава компонентов в пробах, уменьшению погрешности метода в целом. Созданные методы и аппаратура отвечают высоким современным требованиям, обеспечивают достоверность получаемого фактического материала.

7, Впервые полученный массив новых газово-геохимических и биохимических количественных данных, особенно аномально высоких, не известных ранее значений, адекватно характеризующих потоки газообразных флюидов из осадков в воду, явление хемосинтеза, локальные нефтегазопроявления, подтверждает высокую степень обоснованности научных выводов, повышение информативности и эффективности газобиогеохимических исследований океана. Разработанная технология высокоточных газобиогеохимических исследований наиболее эффективна при изучении геохимии природных газов, нефтегазоносности акваторий, геоэкологии и загрязнения океана.

Апробация работы. Материалы диссертации заслушивались и обсуждались на VII Международном конгрессе по органической геохимии (Москва, 1977); на 1-3 Всесоюзных съездах океанологов (Москва, 1977, Ялта, 1982, Ленинград, 1987); Всесоюзных совещаниях по техническим средствам изучения океанов и морей (Геленджик, 1985, 1987, 1988, 1991); V Всесоюзном биохимическом съезде (Киев, 1986); Всесоюзных школах, морской геологии (Геленджик, 1986, 1988); V Всесоюзном съезде гидробиологического общества (Тольяти, 1986); Всесоюзной конференции "Комплексные проблемы охраны и рационального использования водных ресурсов Европейского севера" (Архангельск, 1986); 1 Всесоюзном научно-техническом совещании (Одесса, 1988); Международном симпозиуме UNEP/ SCOPE Байкал-88 (Иркутск, Листвянка, 1988); 9 Международном симпозиуме по биогеохимии окружающей среды (Москва, 1989); 1 Верещагинской Байкальской Международной конференции (Листвянка, 1989); Всесоюзной конференции по методологии экологического нормирования (Харьков, 1990); 1Х-Х1 Международных геологических конгрессах (Геленджик, 1990, 1992, 1994); Всесоюзной конференции "Экологические проблемы охраны живой природы" (Москва, 1990); 10 Международном симпозиуме по биогеохимии окружающей среды (Сан-Франциско, 1991); Научно-практической конференции по развитию

Сахалина и Дальнего Востока (Южно-Сахалинск, 1991); Международной научной конференции "ЭКОБАЛТИКА-91" (Калининград, 1991); Научно-технической конференции "Проблемы создания морских технологических комплексов" (Санкт-Петербург, 1991); 2 Всесоюзном совещании по геохимии углерода (Москва, 1992); Всесоюзной конференции "Экологическое обследование почв г. Москвы" (Москва, 1993); Ученом Совете ИО РАН (1992), а также на научно-технических советах в рейсах, научных семинарах рабочей группы "Акванефть", Отдела проблем нефтегазоносности Мирового океана ИО РАН и других Институтов (ВНИЦ Экология, ВНИИПрирода, ВНИИЯГГ, СахалинНИПИморнефть).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 107 научных работ в основном в журналах центральных изданий "Океанология", "Доклады АН", "Геохимия", "Наука в России" и в материалах Всесоюзных съездов и Международных конгрессов. Публикации включают авторскую монографию, 9 монографических сборников, 20 авторских свидетельств, патент.

Фактический материал и личный вклад. В основу диссертации положен большой фактический материал, полученный практически полностью лично автором при экспериментальных исследованиях свойств и качеств приборов комплекса в стационарной лаборатории и в многочисленных экспедициях (более 20), а также при обобщении литературных данных и результатов исследования. Автор являлся инициатором разработок по теме диссертации, определял задачи теоретических и экспериментальных исследований, ставил опыты с рабочими макетами создаваемых устройств, в экспедициях осуществлял наладку и подготовку приборов, спуско-подъемные операции по отбору проб воды и донных осадков, проводил дегазацию и перевод проб на анализ, примерно в половине случаев выполнял хроматографический анализ состава газов.

Н