СПОСОБ ОЦЕНКИ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕТАНА В ВОДНОЙ ТОЛЩЕ В ОБЛАСТЯХ ЕГО ПУЗЫРЬКОВОЙ РАЗГРУЗКИ
EVALUATION OF METHANE CONCENTRATION IN WATER COLUMN, IN METHANE BUBBLE DISCHARGE AREA

Изобретение относится к геофизическим и океанологическим методам определения концентрации веществ в водной среде и может быть использовано для определения концентрации растворенного метана в областях его пузырьковой разгрузки.
Необходимость постоянного измерения концентрации метана в водной толще помимо чисто научных интересов обусловлена наблюдаемым ростом содержания метана в атмосфере, увеличением его вклада в глобальное потепление и связана с поиском и исследованием источников метана, ответственных за его рост. Кроме этого, актуальность таких измерений вызвана поиском газогидратных месторождений в океане, которые рассматриваются в качестве замены традиционного углеводородного сырья.
В областях пузырьковой разгрузки в водную толщу океана метан поступает в больших количествах из его осадочного слоя. Для глубин ниже приповерхностного перемешанного слоя океана наиболее эффективным инструментом доставки метана из осадочного слоя океана в верхние слои водной толщи и атмосферу является пузырьковый транспорт. На сегодняшний день области пузырьковой разгрузки метана зарегистрированы во многих районах мирового океана. Всплывающие со дна пузырьки часто образуют в водной толще устойчивые области их повышенной концентрации - газовые "факелы" (ГФ), вертикальные размеры которых могут достигать километра и более. В водной толще на всем протяжении ГФ за счет растворения всплывающих пузырьков формируется область повышенной концентрации растворенного метана. Прямые измерения, проведенные в различных областях мирового океана, показали, что в местах газовыделения область со значительным превышением фоновых концентраций метана в водной толще нередко простирается до нескольких сотен метров от дна.
Традиционный способ измерения концентрации растворенного метана в океане заключается в отборе проб воды на различных горизонтах с помощью батометров с последующим анализом в лаборатории на борту судна (A.I. Obzhirov, О.F. Vereshchagina, V.A. Sosnin, R.В. Shakirov, А.N. Salyuk, S. Lammers, Е. Suess, N. Biebow, Н. Winkler, and V.V. Druzhinin Methane monitoring in waters of eastern shelf and slop of Sakhalin // Russian Geology. 2002. V.43, №7. P.605-612). Известный способ позволяет производить измерение концентрации метана до больших глубин с хорошей точностью. Основные недостатки традиционного метода заключаются в низком пространственном разрешении, в возможной потере газа при отборе и анализе проб и большом времени, необходимом для отбора и доставки проб на борт судна, а также в невозможности проводить измерения при плохих погодных условиях.
Известен способ измерения концентрации растворенного метана в океане in situ, основанный на спектроскопическом методе измерения, выбранный в качестве прототипа (Wernecke G., Floser G., Korn S., Weitkamp С. & Michaelis W. First measurements of the methane concentration in the North Sea with a new in situ device // Bull, of the Geol. Soc. of Denmark. Copenhagen. 1994. V.41. P.5-11). Метод основан на резонансном поглощении лазерного излучения с длиной волны 3.39 мкм молекулами метана. Известный способ заключается в выполнении океанологической съемки в области пузырьковой разгрузки метана на полигоне с серией станций, покрывающих область пузырьковой разгрузки, при этом на каждой станции измерения проводятся на нескольких выделенных горизонтах. На каждой станции с борта судна с помощью лебедки погружается аппарат, который зависает на определенных глубинах и на каждой из них через специальную ячейку с фильтрами осуществляется постоянный проток окружающей воды с целью повышения концентрации метана в оптической ячейке и измерение концентрации метана в оптической ячейке по поглощению лазерного излучения гелий-неонового лазера на длине волны 3.39 мкм с последующим расчетом по этим значениям концентрации метана.
3
Известный метод позволяет измерять концентрации растворенного метана в широком динамическом диапазоне (шесть порядков), начиная от характерных для океана фоновых значений. Основной недостаток способа заключается в небольшой максимальной глубине измерения (300 м), большом весе (около 2.5 т) и габаритах (около 2 м) используемого оборудования. Кроме того, ему присущи и основные недостатки контактных методов измерения - низкое пространственное разрешение, большое время, необходимое для проведения серии измерений, необходимость выполнения работ в дрейфе судна, а также невозможность проводить измерения при плохих погодных условиях. Все это снижает эффективность, надежность и повышает стоимость известного способа.
Задача изобретения состоит в разработке дистанционного метода определения концентрации метана в водной толще, позволяющего повысить эффективность, надежность и уменьшить стоимость оценки концентрации метана.
<mrow><mover accent="true"><mrow><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mi>h</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mi>C</mi><mrow><mo>(</mo><mi>h</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mi>h</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>⋅</mo><mi>μ</mi><mo>⋅</mo><mi>L</mi><mo>/</mo><mi>V</mi><mrow><mo>(</mo><mi>h</mi><mo>)</mo></mrow></mrow>
Поставленная задача решается за счет разработанного дистанционного акустического способа оценки концентрации метана в водной толще в областях его пузырьковой разгрузки, включающего океанологическую съемку в исследуемой области разгрузки метана с излучением в направлении морского дна акустического сигнала, прием сигнала обратного рассеяния звука от водной толщи, выделение по этому сигналу газовых факелов, оценку по наклону газовых факелов направления и профиля скорости течения V(h), оценку плотности источников газовых факелов на морском дне µ, определение профиля потока метана F(h) в воду для каждого факела, где h - высота над поверхностью дна, затем усредненного профиля потока метана
в воду от газовых факелов и последующее определение по этим данным профиля концентрации метана в водной толще в областях его пузырьковой разгрузки по формуле
, где L - расстояние от края области разгрузки по направлению течения до точки измерения.
Заявляемый способ основан на том, что данные обратного рассеяния звука, полученные при выполнении океанологической съемки в области пузырьковой разгрузки метана, позволяют определить профиль потока метана в воду, связанный с растворением всплывающих пузырьков, что и позволяет по полученной заявителем зависимости оценить концентрацию метана.
Способ осуществляют следующим образом.
В исследуемой области пузырьковой разгрузки метана с помощью судна осуществляют океанологическую съемку, выполняя, например, серию параллельных галсов. В течение этой съемки в воду в направлении морского дна излучают акустический сигнал, например, с помощью акустического преобразователя, эхолота или гидролокатора. Акустический сигнал рассеивается в обратном направлении от поверхности морского дна и от неоднородностей водной толщи, в том числе и от всплывающих газовых пузырьков, образующих газовые факелы. Принятый акустическим преобразователем сигнал обратного рассеяния звука после компенсации потерь на сферическое расхождение и поглощение с помощью калибровочного коэффициента преобразуется в сечение обратного рассеяния звука. По полученному сечению обратного рассеяния звука в водной толще стандартным способом по превышению над фоновыми значениями и характерной форме выделялись газовые факелы. По углу наклона газовых факелов в пространстве определяют скорость V и направление течения (Саломатин А.С., Юсупов В.И., Черных Д.В. Оценка глубоководных течений по данным гидроакустической съемки газовых "факелов" // Сборник трудов XXII сессии РАО, 15-17 июня 2010, М. Геос, Т.2. С.273-276). Для каждого газового факела находился профиль сечения обратного рассеяния звука σ(h), где h - высота над поверхностью дна. Далее, используя связь профиля потока метана в воду F(h) и σ(h):
d
d
где P - гидростатическое давление, T - температура в точке измерения, R - универсальная газовая постоянная, ν - скорость уменьшения радиуса пузырьков из-за диффузии, рассчитывают профиль потока метана в воду F(h) для каждого отдельного факела с учетом, что в глубоководных (в области зоны стабильности газогидрата метана) областях океана ν≈2 мкм/с (Render G., Brewer P.W., Peltzer Е.Т., Friederich G. Enhanced lifetime of methane bubble streams within the deep ocean // Geophysical Research Letters. 2002. V.29. №15. P.211-214).
<mrow><mover accent="true"><mrow><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mi>h</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
Далее, по полученным значениям F(h) для отдельных факелов определяют усредненный поток метана
на полигоне путем усреднения значений F(h) по одним и тем же h. Затем определяют плотность источников газовых факелов (µ) на морском дне путем деления количества обнаруженных факелов на суммарную обследованную площадь морского дна при выполнении океанологической съемки.
s
Принимая, что в горизонтальный слой воды единичной толщины, двигающийся с постоянной скоростью V и находящийся на высоте h над горизонтальной поверхностью области разгрузки метана на дне, метан поступает с постоянным по всей области потоком в воду с единицы площади F(h), то есть концентрация метана C(h) в этом слое воды над областью разгрузки в направлении течения будет линейно возрастать и будет равна:
<mrow><mover accent="true"><mrow><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mi>h</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
<mrow><msub><mi>F</mi><mi>s</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>h</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mover accent="true"><mrow><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mi>h</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover><mo>⋅</mo><mi>μ</mi></mrow>
где L - расстояние от края области разгрузки по направлению течения до точки измерения. Если метан поступает в водную толщу из газовых факелов, плотность источников которых на морском дне составляет µ, а усредненный по всем факелам профиль потока метана в воду равен
, то
.
<mrow><mover accent="true"><mrow><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mi>h</mi><mo>)</mo></mrow></mrow><mo stretchy="true">¯</mo></mover></mrow>
По полученным значениям профиля скорости течения V(h), усредненного потока метана в воду
, плотности источников факелов на морском дне µ, и учитывая зависимость (2) концентрации метана C(h) в водной толще в областях его пузырьковой разгрузки, рассчитывают по формуле:
где L - расстояние от края области разгрузки по направлению течения до точки измерения.
Требуемые характеристики излучаемого сигнала при осуществлении способа, а именно периодичность, длительность, частота заполнения, мощность и диаграмма направленности, определяемые необходимостью получения качественного выделения газовых факелов, выбирают стандартным образом в зависимости от расстояния между акустическим преобразователем и поверхностью дна, параметров газовых пузырьков и уровня шума. Например, в случае акустического измерения с поверхности моря при глубине моря около одного километра, излучаемая частота акустических волн должна быть не выше 50 кГц, поскольку при использовании более высокой частоты из-за сильного поглощения до дна дойдет незначительная часть энергии. Заявителем использовались частоты: 12; 20 кГц. Период между излучениями определяется в основном расстоянием от преобразователя до дна. Если период будет меньше удвоенного времени распространения акустического сигнала до дна, то последующие импульсы излучения могут наложиться на принятый сигнал и исказить его. В данном случае, при глубине моря около одного километра, рекомендуемый период должен быть больше 1,5 c.
При исследовании газовых факелов при глубине более 400 м наиболее эффективны частоты 10-40 кГц (Саломатин А.С., Юсупов В.И. Акустические исследования газовых "факелов" Охотского моря // Океанология. 2011. Т.51. №5. С.911-919; Greinert J., Artemov Y., Egorov V. et al. 1300-m-high rising bubbles from mud volcanoes at 2080 m in the Black Sea: Hydroacoustic characteristics and temporal variability // Earth and Planet. Sci. Let. 2006. V.244. P.1-15).
2
Натурные испытания способа проводились с помощью комплекса, основу которого составляют эхолоты ELAC и Сарган-ЭМ (рабочие частоты 12 и 20 кГц, ширина диаграммы направленности 12° и 10°, соответственно), установленного на борту научноисследовательского судна. Измерение концентрации метана в водной толще осуществлялось как традиционным способом путем отбора на станциях океанологической съемки проб воды на заданных горизонтах с последующим газохроматографическим анализом на борту судна, так и заявляемым способом оценки концентрации метана в водной толще в областях его пузырьковой разгрузки. Испытания проводились в Охотском море на полигоне пузырьковой разгрузки метана в виде вытянутого в направлении юго-юго-восток прямоугольника со сторонами 60 км и 230 км и площадью около 14000 км. Полигон расположен у северо-восточного склона о. Сахалин, в нем сосредоточено более 400 газовых факелов. По полученному сигналу обратного рассеяния звука в водной толще стандартным способом по превышению над фоновыми значениями и характерной форме выделялись газовые факелы. Результаты расчета скорости глубоководных течений на полигоне по углам наклона газовых факелов показали, что средняя величина скорости течения составляет V=15 см/с, а течение направлено на юго-юго-восток вдоль длинной стороны полигона. Плотность источников газовых факелов на морском дне для полигона составила µ=0.1.
Для получения реальных значений концентрации метана в средней части полигона было выполнено 14 станций, на которых проводился отбор проб воды на разных горизонтах с дальнейшим определением на борту судна концентрации метана в пробах газохроматографическим методом. Расстояния от северного края полигона по направлению течения до точек измерения на станциях составляли от 126 до 160 км, при этом среднее расстояние составило L=150 км. По всем 14 станциям строился усредненный профиль концентрации метана от дна.
На фигуре представлены профили концентраций метана для L=150 км, полученные заявляемым способом и традиционным способом определения концентрации путем отбора проб. Кривая 1 соответствует рассчитанному по формуле (2) профилю концентрации метана для частоты эхолота 12 кГц, кривая 2 соответствует рассчитанному по формуле (2) профилю концентрации метана для частоты эхолота 20 кГц, кривая 3 соответствует усредненному профилю концентрации метана в морской воде, построенному по результатам измерений традиционным способом. Сравнение кривых, представленных на фигуре, позволяет сделать вывод о хорошем соответствии между расчетными и измеренными профилями, как по величине, так и по форме. Это подтверждает хорошую точность предложенного способа оценки концентрации метана в водной толще в областях его пузырьковой разгрузки.
Таким образом, заявляемый дистанционный способ акустической оценки концентрации метана в области пузырьковой разгрузки позволяет получить заявляемый технический результат: повышение эффективности, надежности и уменьшение стоимости оценки концентрации метана в водной толще за счет увеличения пространственного разрешения, сокращения времени проведения серии измерений, отсутствия необходимости выполнения работ в дрейфе судна, а также возможность проводить измерения при плохих погодных условиях.