Термобарические условия формирования газогидратов в Охотском море

УДК 552.578+650.834+550.361

О.В. Веселов1, В.В. Гордиенко2, В.В. Куделькин3

ТЕРМОБАРИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ГАЗОГИДРАТОВ В ОХОТСКОМ МОРЕ

Представлено описание газовых гидратов в донных отложениях Охотского моря, выявленных геологическими и геофизическими методами. Проведена оценка мощностей гидратсодержащих толщ, выделены зоны стабильности гидратов в зависимости от термобарических условии и состава газа. Сделан вывод о поли-генетическом характере охоте коморских газогидратов.

Введение. В связи с истощением в обозримом будущем запасов традиционных месторождений углеводородных источников энергии возрастает актуальность более точного научного прогноза и совершенствования методов поиска нетрадиционных видов минерального топлива. В последнее десятилетие особое внимание обращено на природные газы, находящиеся в верхней части земной коры в гидратном состоянии. В статье приведены в кратком виде результаты изучения газовых гидратов (ГГ) в осадочной толще Охотского моря.

Сейсмические данные. Первые признаки присутствия газовых гидратов в донных отложениях Охотского моря были выявлены ещё в 80-е годы при интерпретации сейсмических материалов МОВ ОГТ, полученных ФГУП “Дальморнефтегеофизика”. Их анализ позволил выявить аномально высокоамплитудные параллельные дну отражения (ВБП) в верхней части осадочного чехла на склонах Южно-Охотской, Дерюгина и ТИНРО впадин и в системе прогибов центральной части моря при его глубинах более 400-500 м. Положение сейсмических профилей МОВ ОГТ, на фрагментах которых идентифицирована подошва зоны газовых гидратов, представлено на рис. 1. Сейсмическими исследованиями других организаций также выявлены ВЭН на участках моря, расположенных к западу и северо-западу от о-ва Параму-шир [12] и севернее о-ва Хоккайдо [17, 18] (рис. 1).

На временных разрезах положение аномалии ВвН ниже поверхности дна изменяется в масштабе двойного времени пробега сейсмической волны от 0,4 до 0,8 с, в основном.— от 0,5 до 0,7 с. На сейсмотрассах видны обращённые фазы отражений, ВБИ занимают секущее положение по отношению к слоистости там, где она не горизонтальна. Скоростное моделирование позволяет интерпретировать аномалии ВБК как фазовую границу между гидратами и свободным газом, так как на границе прослеживается характерное для ВвИ изменение параметров сейсмической записи, описанное

©О.В. Веселов1, В.В. Гордиепко2, В.В. Куделькин3:

1 Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН, Южно-Сахалинск.

2 Институт геофизики НАН Украины, Киев.

3ОАО “Дальморнефтегеофизика", Южно-Сахалинск.

Рис. 1. Расположение профилей МОВ ОГТ, на фрагментах которых выявлены газогндратные ВвИ

1 — данные ФГУП “Дальморнефтегеофизика”, 2,3 — границы участков исследований (2 — по [ 17,18], 3 — по [12]), 4 — пункты, в которых построены скоростные разрезы (рис. 2), 5 - пункты обнаружения ГГ в грунтовых пробах

в ряде работ [19, 20 и др.] и наблюдаемое как инверсия скорости ниже аномального ВБИ (рис. 2). При скоростном анализе сейсмотрасс в пределах газогидратных слоев выявляется ещё один эффект, выражающийся в инверсии полярности В8И относительно полярности отражения от дна. Для подчеркивания отличия газогидратных ВБК (пункты О а и Об на рис. 1) от параллельных дну отражений иного происхождения на рис. 2 приведён результат скоростного анализа по сейсмической трассе в Магаданском прогибе (пункт Ов на рис. 1) на участке распространения диагенетичес-кой границы, обусловленной переходом опала-А в опал-КТ. Природа этой границы подтверждена данными параметрического бурения. Видно, что граница преобразования опала залегает на глубинах, в два раза превышающих глубины подошвы газогидратных слоев во впадине Дерюгина. При этом на наблюдаемой диагенети-ческой границе не происходит инверсии полярности отражения и отмечается существенное увели-

чение скорости [2] (рис. 2).

Сейсморазведочные данные послужили структурной основой для построения термобарических моделей гидратных В8И в Охотском море.

Данные опробования. Со второй половины 80-х годов появились первые сообщения о находках газовых гидратов при отборе грунтовых колонок со дна Охотского моря. В рейсе 11-А НИС “Академик Мстислав Келдыш” (1986 г.) северо-западнее о. Парамушир были подняты грунтовыми трубками колонки осадков, содержащих гидраты. Эти станции находились в районе активного просачивания через дно гидротерм, проявляющихся на эхолот-ных записях в виде “факелов” [1]. В водной толще “факелов” выявлено повышенное содержание растворённых водорода, метана, кремниевых кислот и т.п., что оценивалось авторами [1] как проявление гидротермальной разгрузки через дно. С помощью подводных обитаемых аппаратов в местах газовых выходов наблюдались воронки диаметром 1-1,5 м, на стенках которых, а также на пологом грунте местами отмечались карбонатные корки в виде пла-

стин и кавернозных желваков диаметром до 20 см [7].

Придонная вода в пределах газового источника имеет температуру около 2,4С.

Гидраты подняты на двух станциях. На первой извлечена колонка ила в нижней части с пластиной монолитного, снежно-белого гидрата толщиной 2 см. Содержание метана в ней составило 97,8%, этана —

0,04%, двуокиси углерода — 0,09% [11].

На второй станции слой с тонкими пластинками гидратов заполнял призабойный интервал в 20 см. Отложения, содержащие

гидраты, состоят из чёрных кремнистых Рис- 2- Результаты скоростного аналя-г гг за сейсмотрасс в пунктах а, б и в

диатомово-вулканокластических алеври- ! _ В8К>2_диагенетическаяграница

товых илов с тонкими прослойками алев- опал-А — опал — КТ

ритов и насыщены сероводородом.

По сообщению В.В Соинова (ИМГиГ ДВО АН СССР) в 1988 г. в 14-м рейсе НИС “Академик Несмеянов” в полосе профиля ГСЗ 1-М на северо-западном склоне Южно-Охотской впадины была поднята колонка мелкоалевритового ила с газовыми гидратами в нижней части. Сцементированный гидратами ил быстро распался на открытом воздухе с выделением газа, имеющего запах ацетилена. Температура придонной воды не превышала 1,8 “С.

В 1991 г. сотрудниками ВНИИОкеангеологии на НИС “Геолог Павел Антропов” проведен поиск гидратопроявлений [4 и др.] западнее о. Пара-мушир, где ранее был выявлен “факел”. ГТ обнаружены на западной периферии поля субмаринной разгрузки газа. Они представлены уплощенными обломками в алевролитах с карбонатными корками на придонных глубинах. В газе преобладает метан. На ряде других станций наблюдались признаки гидратов, в частности, повышенное содержание хлора в поровой воде и её опреснение. Тепловой поток (ТП) в этом районе понижен.

В этом же рейсе при эхолотировании на западном склоне впадины Дерюгина были обнаружены по газовым “факелам” в водной толще десять полей субмаринной разгрузки газа. Эти ноля распределены в пределах довольно узкой полосы субмеридионального простирания шириной не более 20 км и длиной до 180 км. Глубина дна в пределах полосы изменяется от 620 до 1040 м, температура придонной воды от 1,7 до 2,2 V. Этот участок дна на западном склоне впадины Дерюгина в плане совпадает с зоной глубинных разломов.

На шельфе северо-восточнее Сахалина установлены три поля субмаринной разгрузки газов. На одном из них в диатомовых илах выявлены гидратсодержащие слои мощностью 10-100 см с глубиной кровли 30-120 см. В грунтовых колонках полей, расположенных примерно в 120 км южнее, существование гидратов предполагается по характерному выделению газа, понижению температуры в керне ниже пластовой или по опреснению поровой воды. Газ, выделявшийся при разложении гидратов, имел преимущественно метановый состав.

Тепловой поток на полях понижен. Возможно, это связапо с поглощением тепла при разложении ГГ - 420-500 кДж/кг [10]. Не исключено, что этим эффектом вызвано появление участков с низким тепловым потоком на фоне высокого ТП в Охотском море. Такие участки зарегистрированы вдоль западного борта впадины Дерюгина и у юго-западного берега Камчатки [6]. Этот геотермический феномен может служить дополнительным (по отношению к сейсмическим данным) критерием поисков газогидратов.

Геотермические данные. Определения температуры (Т) для термобарической характеристики слоя выше ВвК, на подошве слоя газогидратов выполнены следующим образом.

ТЕ*К = То +1 (ТП. - °’5ТГ. • К ) К/К

где: То — температура дна ( С), ТП, — ТП на кровле ьго слоя (мВт/м2), 'ГГ. — радиогенная теплогенерация в 1-том слое (мкВт/м3), X. — теплопроводность пород ьго слоя (Вт/мЧК); 11( — мощность ьго слоя (м).

Сведения о распределении ТП в Охотском море взяты из работ [6, 9 и др.]. Теплопроводность каждого слоя осадочной толщи определялась по графику зависимости X от глубины. Так как экспериментальные данные показывают, что в большинстве определений теплопроводность растет от 0,75-1,05 у поверхности дна до 1,4-1,65 Вт/(м • К) на предельных глубинах подошвы слоя газовых гидратов, то для ее прогнозирования можно использовать эмпирическую зависимость от мощности газогидратов (Ьк, м), предложенную в работе [5]:

Х= 1,05 + 0,001 Ьк.

При обычных величинах ТП в Охотском море 80 =ь 30 мВт/м2 и мощностях слоя ГГ в несколько сотен метров теплогенерация не играет заметной роли в результатах расчета ТВ8К.

Давление на нижней границе слоя газовых гидратов вычисляется как сумма давления воды и осадков, средняя плотность которых оценена как 1,8-1,9 г/см3. Более детально ее можно представить по графику связи плотности осадочных пород и скорости упругих волн в них или по усреднённому графику зависимости плотности от глубины.

Расчёт термобарических условий на глубину аномалий ВЭН, выполненный для ряда сейсмотрасс (более 20 определений) показал, что подошва ГГ слоев в осадках Охотского моря характеризуется параметрами, несколько отличными от метановой фазовой диаграммы. При сопоставимых давлениях Т выше. В интервале давлений 120-450 атм. она находится в диапазоне 25-35 С, что свидетельствует о существенной примеси к метановому гидрату компонент, формируемых за счёт гомологов метана, диоксида углерода или сероводорода (рис. 3). Сопоставление полученных результатов с данными лабораторных экспериментов по формированию гидратов из смесей метана с этаном в различных пропорциях [15] и сравнение с оценкой полей стабильности ГГ в южной части Каспийского моря подтверждают предположение о составе ГГ в Охотском море, об их явно катагенетическом происхождении в нижней части слоя и полигенетическом характере этих скоплений [3] (рис. 3).

Большая мощность гидратсодержащих толщ объясняется также очень низкими температурами (около 2 С) придонного слоя воды в Охотском море. Не исключено, что структура газогидратного слоя Охотского моря аналогична предполагаемой в полярных районах Атлантики [16], где были выделены многослойные толщи газовых гидратов, свидетельствующие о диссоциации в многоэтажной гидратсодержащей толще. При этом вниз по разрезу в гидратсодержащих толщах происходит возрастание доли катагенетических газов-гидратооб-разователей, и положение фазовой границы диссоциации контролируется их высокой концентрацией в гидратоформирующей смеси. В Охотском море об этом свидетельствуют данные придонных газовых съёмок, многочисленные проявления газовых факелов [4, 8 и др.].

Ресурсы газогидратов Охотского моря. Проведена оценка зависимости зоны образования газогидратов в осадках моря от градиента температуры (типичные величины.— около 70 С/км в верхней части разреза и около 50 С/км.— в нижней), температуры дна, глубины моря и полей стабильности ГТ(рис. 4).

Для сравнения использована типичная для океанических условий

Рис. 4. Термобарические условия формирования слоев газогидратов

1,2 — температуры придонной воды

ситуация на подошве метановых

гидратов [13]. Видно, что подошвы слоя газогидратов в осадках Охотского моря при сопоставимых глубинах дна находятся ниже него на глубине примерно вдвое большей, чем ВвК океанических метановых гидратов. Это свидетельствует о значительном потенциале газогидратов Охотского моря [3].

При оценке ресурсов метана в осадках Охотского моря площадь газосодержащей зоны определена в 100 тыс. км2, а ее мощность — минимум в 200 м. При реальном содержании газа около 0,1 объема [14] ресурсы метана составляют более 2 • 1012 м3

Выводы. Довольно значительные ресурсы ГГ Охотского моря диктуют необходимость их дальнейшего изучения. Весьма важными являются воп-

Глубина моря, м

Рис. 3. Мощность слоя ГГ в зависимости от глубины моря

1 — для метановых гидратов океана, 2 — для гидратов Охотского моря

росы формирования газогидратных прослоев в зависимости от темпа осадко-накопления, соотношения скорости поступления воды и газа в зоны гидрато-образования, состава фильтрующихся катагенетических газов и т.д. Их решение возможно при детальном отборе проб осадков, как гидратсодержащих, так и перекрывающих, количественном определении в осадках соотношений воды, газа, гидратов углеводородов и их химических составов, гранулометрическом анализе осадков и определении физических свойств газогидратсодержащих пород в соответствующем диапазоне температур и давлений.

Непременным методом в комплексе геофизических исследований должны быть, помимо сейсмического, геотермические измерения, которые позволяют уточнять физико-химические модели формирования газовых гидратов, их стабилизации и диссоциации, а также динамику флюидной миграции. Температурные измерения необходимо проводить не только в осадках, но и в водной толще, рассматривая её как составную часть системы, включающей в себя гидратсодержащие осадки.

Не менее важны проблемы изучения гидратов как вероятного источника поступления метана в атмосферу, что может воздействовать на климат. Обращает на себя внимание проблема диссоциации гидратов на континентальных склонах, связанная с оползневыми процессами на бортах котловин и поднятий.

1. Авдейко Г.П., Гавриленко Г.М., Черткова Л.В. и др. Подводная газотермальнпя активность на северо-западном склоне о. Нарамушир (Курильские острова) // Вулканология и сейсмология.— 1984.— №6.— С. 66-81.

2. Веселов О.В., Куделькин В.В. Гидраты Охотского моря и геофизические аспекты их выделения и картирования // Проблемы поисков энергетических носителей на рубеже 2-3 тысячелетий.— Южно-Сахалинск. — 2000.— С. 35-68.

3. Веселов О.В., Куделькин В.В.. Чухонцев В.И. Особенности распространения и образования газовых гидратов в Охотском море // Строение земной коры и перспективы нефтегазоносности в регионах Северо-Западной окраины Тихого океана. 1.— Южно-Сахалинск.— 2000.— С. 7-37.

4. Гинсбург Г.Д., Соловьев ВЛ. Субмаринные газовые гидраты. Сб. ВНИИ-Океангеология.— 1994.— 199 с.

5. Гольмшток АЛ., Дучков АД., Хатчинсон Д.Р. и др. Оценки теплового потока на озере Байкал по сейсмическим данным о нижней границе слоя газогидратов // Геология и геофизика.— 1997,—38, №10.— С. 1677-1691.

6. Гордиенко В.В., Андреев АЛ.. Биккенина С.К. и др. Тектоносфера Тихоокеанской окраины Азии.— Владивосток: ДВО РАН.— 1992.— 238 с.

7. Зоненшайн Jl.II., Мурдмаа И.О.. Баранов Б.В. и др. Подводный газовый источник в Охотском море к западу от о-ва Парамушир // Океанология.— 1987.—27.— С. 795-800.

8. Обжиров А.И.. Астахова Н.В., Липкина М.И. и др. Газохимическое районирование и минеральные ассоциации дна Охотского моря..— Владивосток: Дальнаукя. 1999.— 184 с.

9. Соинов В.В., Веселов О.В.. Кочергин A.B. и др. Тепловой ноток Северо-Запада Тихого океана // Геодинамика тектоносферы зоны сочленения Тихого океана с Евразией. Т.З. Геофизические поля и моделирование тектоносферы.— Южно-Сахалинск.— 1997.— С. 14-20.

10. ТрофимукАА., Черский И.В., Царев В.П. Особенности накопления природных газов в зонах гидратообразования Мирового океана // Докл. АН СССР.— 1973.— 212 - №4.— С. 931-934.

11. Черткова J1.В.. Биличенко АЛ.. Стунжас І1Л. Обнаружение газогидратов метата и Охотском море // Тез. докладов III съезда советских океанологов.— JI. 1987.—С. 172-173.

12. Gaedicke С.. Baranov B.V., Obzhirov Л.І. et al. Seismic stratigraphy, BSR distribution and venting of methane-rich fluids west off Paramushir and Onekotan Islands, northern Kurils // Marine geology.— 1997. —136.— P. 259-276.

13. Field M.E. Kvenvolden КЛ. Gas hydrates on the northern California continental margin // Geology..— 1985.— 13.— P. 513-520.

14. Laberg J.S.. Andreassen K., Knutsen S.-M. Inferred gas hydrate on the Barents Sea shelf.— a model for its formation and a volume estimate // Geo-Marine Letters.—

1998.— 18.— P. 26-33.

15. Maekawa T. Equilibrium conditions of gas hydrate from mixtures of methane and ethane and outline of experimental apparatus for gas hydrate synthesis in porous sediment // Bull. Geol. Surv. Japan. — 1998.— 49 - №10.— P. 501-507.

16. Mienert J., Posewang J. Evidence of shallow and deep-water gas hydrate destabilizations in North Atlantic polar continental margin sediments // Geo-Marine Letters.—

1999.— 19 - №1/2.— P. 143-149.

17. Okudu Y. Natural gas hydrate //J. Japan Soc. Energy and Resources.— 1994.— 15 - №1.— P. 40-46.

18. Okuda Y. Introduction to exploration research on gas hydrates in Japan // Bull. Geol. Surv. Japan.— 1998.— 49.— №10.— P. 494-500.

19. Shipley Т.Н.. Houston M.H., Buffler R.T. et al. Seismic reflection evidence for the widespread occurence of possible gas hydrate horizons on continental slopes and rises // Amer. Assoc. Petr. Geol. Bull.— 1979.— 63.— P. 2204-2213.

20. Stoll R.D., Bryan G.M. Physical properties of sediments containing gas hydrates // J. Geophys. Res.— 1979.— 84.— №B4 .— P. 1629-1634.

Надано опис газових гідратів, виявлених у донних відкладах Охотського моря геологічними та геофізичними методами. Проведено оцінку потужностей гідра-товміщуючих товщ, виділені зони стабільності гідратів залежно від термобаричних умов і складу газу. Зроблено висновок про полігенетичний характер охотськоморських газогідратів.

A description of gas hydrates, revealed in bottom sediments of the Sea of Okhotsk by geological and geophysical methods was presented. Thickness of gas hydrate-bearing layers are estimated. Zones of hydrates stability were distinguished versus thermobaric conditions and gas composition. A conclusion was made on a polygenetic character of gas hydrates accumulations in the Sea of Okhotsk.