Международная научная экспедиция в Охотское море (рейс 56, август 2011 г. )

Экспедиции

Вестник ДВО РАН. 2011. № 6

УДК 550.34+550.344.42+551.432.7(571.645) А.И.ОБЖИРОВ

Международная научная экспедиция в Охотское море

Приводятся предварительные результаты комплексных (литологических, геофизических, гидроакустических, газогеохимических, океанологических и батиметрических) исследований на сахалинском восточном склоне Охотского моря. Они выполнены в рамках проекта «Сахалин» международной экспедицией (август 2011 г., НИС «Академик М.А.Лаврентьев», рейс 56). Обнаружены газогидраты в верхнем слое донных осадков, зафиксировано 96 пересечений потоков пузырей метана из донных отложений в воду, определен промежуточный ее слой с низкой температурой (от -0,5 до -1,6оС) с аномальным содержанием метана до 10 000 нл/л, что превышает фон в 1000 и боле раз.

Ключевые слова: газогидраты, метановые потоки, аномалии метана в воде.

International scientific expedition in the Sea of Okhotsk (voyage 56, August 2011). A.I.OBZHIROV (V.I.Il'ichev Pacific oceanological institute, FEB RAS, Vladivostok).

The preliminary results of complex surveys (lithologic, geophysical, hydroacoustic, soilvapor, oceanological and bathymetric) on the Sakhalin East slope of the Sea of Okhotsk. They have been carried out by the international expedition as a part of the "Sakhalin" project (August, 2011, research ship "Academic M.A.Lavrentyev", voyage LV56). Gas hydrates were found in the upper layer of bottom sediments, 96 intersections of the fluxes of methane bubbles have been recorded from the bottom sediments to water, its intermediate water layer has been determined with low temperature (from -0.5о С to -1.6оС) with anomaly methane content up to 10,000 nl/l that is 1000 times larger and more than the background.

Key words: gas hydrates, methane flux, methane anomalies in water.

Международная научная экспедиция, организованная отделом геологии и геофизики Тихоокеанского океанологического института (ТОИ) им. В.И.Ильичева ДВО РАН при участии Центра по изучению газогидратов Технологического института (г. Китами, Япония), Института полярных исследований (КОПРИ, Республика Корея) и Института океанологии (ИО) им. П.П.Ширшова РАН (Москва) проходила с 9 по 28 августа 2011 г. В экспедиции продолжались комплексные (геологические, геофизические, газогеохимические, гидроакустические, гидрологические и батиметрические) исследования в рамках международного проекта «Сахалин» (Sakhalin Slope Gas Hydrate Project, 2007-2012)1. Работы выполнялись на НИС «Академик М.А.Лаврентьев», в рейсе 56. Основная цель экспедиции - поиск новых площадей газовых гидратов на участках сахалинского восточного склона Охотского моря и новых выходов пузырей метана из донных отложений в воду и из воды в атмосферу, детальное изучение процессов их формирования и разрушения. Особое внимание уделялось южной части района 1 (рис. 1). Эти исследования в дальневосточных морях приоритетны для решения задач поиска углеводородного сырья и познания процессов глобального изменения (потепления) климата.

1 Экспедиция выполнялась согласно план-программе ТОИ ДВО РАН, утвержденной академиком В.И.Сергиенко 18.07.2011 г., а также соответствующим решениям Министерства образования и науки РФ и Президиума ДВО РАН.

ОБЖИРОВ Анатолий Иванович - доктор геолого-минералогических наук, профессор, заведующий лабораторией (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И.Ильичева ДВО РАН, Владивосток). E-mail: obzhirov@poi.dvo.ru

Рис. 1. Районы исследований экспедиции. Точками показаны основные места выходов пузырей метана. Здесь и далее снимки и рисунки сделаны участниками международной экспедиции 2011 г.

В экспедиции 2009 г. (рейс 47) по тому же проекту «Сахалин» нами было обнаружено около 100 новых потоков пузырей метана из донных отложений в воду, в керне донных осадков зафиксированы карбонатные конкреции, бентосные ракушки, газогидратные микрокристаллы, т.е. признаки наличия газогидратов, но не их слои. Такие же признаки обнаружены экспедицией 2010 г. (рейс 50). В 2011 г. мы нашли здесь сначала наногидраты, потом микрогидраты, наконец слои газогидратов (на трех впервые нами исследованных участках). Как показали результаты экспедиций 1998-2010 гг., потоки пузырей метана связаны с изменениями сейсмотектонической активности региона, они оказывают влияние на окружающую среду. Поэтому в экспедиции 2011 г. также оценивалось количество метана, поступающего из донных отложений в воду и из воды в атмосферу в виде потоков пузырей, которые хорошо фиксируются на эхограммах. Эти данные являются важным критерием для понимания процессов глобального изменения климата.

Основные задачи экспедиции

Главные задачи, что предстояло решить в экспедиции 2011 г., можно обозначить несколькими пунктами. 1. Оценка мощности и временной изменчивости подводных газовых источников. 2. Поиски газовых гидратов и выявление границ газогидратоносной толщи. 3. Изучение морфоструктуры и рельефа поверхности дна, а также строения верхней части осадочного разреза. 4. Изучение распределения природных газов в водной толще и донных осадках. 5. Расчет вклада метана (как участника процесса глобального потепления климата) в бюджет атмосферы; мониторинг потоков этого газа и его аномальных полей.

Экспедицией руководил автор этой статьи; заместителями были сотрудники ТОИ Н.А.Николаева (по науке) и Г.А.Крайников (по техническому обеспечению). Научный состав (27 чел.), представленный в основном сотрудниками ТОИ (19 чел., остальные - из институтов, принимавших участие в организации экспедиции), делился на 6 отрядов: газогеохимии (начальник О.Ф.Верещагина), донного опробования (д.г-м.н. А.Н.Деркачев), гидроакустический (к.ф.-м.н. А.С.Саломатин), зондирования СТД2 (к.г.н. А.А.Карнаухов), сейсмического профилирования (к.г.-м.н. В.Г.Прокудин, ТОИ ДВО РАН), навигационно-гидрографический (к.г.-м.н. Б.В.Баранов, ИО РАН). Иностранные ученые также входили в эти отряды.

Во время рейса выполнялись соответствующие профилю отрядов исследования, а также высокочастотное сейсмическое профилирование (спаркер).

Батиметрические исследования

Основные батиметрические измерения проводили на площади районов 1-3. Здесь изучались возвышенные участки, сопряженные с потоками пузырей метана. Именно в этих структурах во время нынешней и предыдущей (2010 г.) экспедиций в верхних слоях донных осадков были обнаружены газогидраты. В 2011 г. большой объем батиметрических работ выполнен на площади района 3. Структуры, схожие со обнаруженными в районе 1, зафиксированы только на глубинах шельфа 180-250 м, на которых газогидраты не образуются. На склоне района 3 (юго-восточнее зал. Терпения) обнаружены 3 потока пузырей метана на возвышенных структурах, которые, возможно, сопряжены с газогидратами. Отбор проб донных осадков на этой территории планируется в следующей экспедиции 2012 г. по проекту «Сахалин».

Гидроакустические исследования

Рис. 2. Субвертикальное тело, записанное гидроакустической эхолокацией. Это самый высокий (600 м) поток пузырей метана из донных отложений, обнаруженный в Охотском море за время наших исследований начиная с 1988 г.

2 СТД - измерение солености и температуры (в колонках воды).

Гидроакустические наблюдения выполнялись на всем пути движения судна. Благодаря специально настроенной на частоту 12,5 кГц аппаратуре эхолокации выходы пузырей метана хорошо просматривались на эхограмме. Они имели вид конусообразных звукорассеивающих тел диаметром (у дна) около 100 м и высотой 200-300 м. Один из них достигал 600 м, пузыри метана почти доходили до водной поверхности (рис. 2). В районах 1 и 3 было зафиксировано, соответственно, 91 и 5 пересечений потоков пузырей метана. В районе 2 их обнаружено не было. Пробы керна донных осадков и колонок воды брались в центре потоков пузырей метана и на сопряженных с ними возвышенных участка дна.

Высокочастотное сейсмическое профилирование

Высокочастотное сейсмическое профилирование, или спаркер, позволило определить слоистость верхней части донных осадков (от поверхности дна на глубину около 100-200 м), а в некоторых случаях - установить границу подошвы газогидратсодержащей толщи. Кроме того, мы определили структуры с вертикальными зонами потери отражений сейсмических волн (генерируемых спаркером), что, как правило, характеризует наличие потоков метана. Эти данные сопоставлялись с батиметрическими и гидроакустическими результатами, выбирались площади для отбора проб керна донных осадков и колонок воды на поиск газогидратов, а также измерения газовой составляющей и др. Благодаря комплексу исследований (батиметрия, гидроакустика, спаркер) удалось обнаружить структуры, на которых в верхних слоях донных осадков района 1 сахалинского восточного склона Охотского моря открыты газогидраты.

Литологические и гидрологические исследования

Выполнено 22 литологические станции3 с забором проб (19 - трубками, 3 - черпаками) керна донных осадков и 27 гидрологических станций (пробы воды на разных горизонтах и непрерывное измерение температуры и солености толщи воды). 17 литоло-гических и 24 гидрологических станций выполнено в районе 1; 5 литологических и 3 гидрологических - в районе 3. Геологические трубки для отбора керна имели гидростатическую конструкцию с длиной приемной части в 5,75 м. Длина керна, который отбирался этой трубкой, - от 1,73 до 5,73 м. На одной станции использовалась 12-метровая гравитационная трубка, которая захватила лишь немного гальки и в дальнейшем не использовалась. Описывалась литологическая характеристика донного осадка, через 10-20 см брались пробы на отжим поровых вод, на содержание и состав газа. После подъема трубки на борт судна в этом же районе начиналось зондирование СТД с отбором проб воды батометрами у дна и до поверхности воды в интервалах 0, 25, 50, 100, 150, 200, 300, 400, 550, 650, 700 м, придонный слой. Иногда для сравнения поверхность воды отбиралась ведром. Кроме того, в районе геофизических исследований сделаны пробы для измерения газа на поверхности и расчета его поступления в атмосферу.

Газогеохимические исследования

В результате извлечения газа из керна осадков и воды и последующего его анализа на хроматографе получены следующие результаты.

Обнаружена аномальная концентрация метана в керне донных осадков - 166 мл/л, что превышает фон в 10 000 раз. В газе в небольших количествах присутствовали также этан, пропан и углекислый газ.

На станции LV56-03 (район 1) в донных осадках на их глубине около 2 м были обнаружены слои газогидратов. Мощность газогидратсодержащей толщи составляла почти 1 м, а слоев газогидратов - от 0,5 до 2 см. Общее количество газогидратов в толще не превышало 20%. Состав газа в них (по данным экспедиции 2010 г.): СН4 - 94,9%, С2Н6 - 0,0046, С3Н8 - 0,00015 и СО2 - 0,145%.

На юге района обнаружена площадь с загазованным участком донных осадков. Здесь мы наблюдали феномен: когда из осадка поднималась трубка, то из ее отверстия вырвался поток пузырей метана, который хорошо прослеживался в гидроакустическом поле. В этом же районе на станции LV56-31 в донных осадках были обнаружены наногидраты -

3 Выполнена станция - профессиональное выражение, т.е. судно останавливается для того, чтобы взять пробы.

ИЛГИ 14 1(1№ НШ К-ЛЫ 144931 1М1(Ь 1*1 Ш 1«Я)0 ИЦСй щш ШЛО 1ШЮ

Рис. 3. Распределение метана в водных колонках по профилю станций 33-39 в районе сахалинского северо-восточного шельфа и склона Охотского моря

микрокристаллы гидратов, которые в лабораторных условиях с треском разрушаются, превращаясь в микропузыри метана и воду.

В придонном слое в районе потоков пузырей метана его концентрация достигала 1600-5000 нл/л, что превышает фон в 100 и более раз. При приближении к поверхности концентрация газа в воде снижалась почти до фоновой (60 нл/л), а на поверхности увеличивалась до 120-150 нл/л. В районе 1 был обнаружен гидрологический феномен -на глубине 150-300 м присутствовал промежуточный слой воды с низкой температурой (от 0,5 до -1,8°С) и аномально высокой концентрацией метана - до 10 000 нл/л, что превышает фон в 1000 раз (рис. 3).

В заключение нам хотелось бы поблагодарить за отличную слаженную работу экипаж НИС «Академик М.А.Лаврентьев» и научный состав экспедиции.

Научный состав и экипаж экспедиции. В центре второго ряда - начальник экспедиции А.И.Обжиров, справа от него Н.А.Николаева, слева капитан В.Б.Птушкин