Особенности проявления метана в природных водах на территории Приморского края России

Вестник ДВО РАН. 2009. № б

УДК 551.465

Г.И.МИШУКОВА, В.Ф.МИШУКОВ, А.И.ОБЖИРОВ

Особенности проявления метана в природных водах на территории Приморского края России

По многолетним данным (1991—2004 гг.) изучено пространственное распределение содержания метана в различных природных объектах на территории Приморского края. Сильное увеличение концентраций метана в поверхностных и морских водах обнаружено в районах с залежами низкотемпературных минеральных вод и угольных месторождений.

Разработанная модель трансформации химического состава и расчета траекторий движения пятен газоконденсата, образовавшихся после схлопывания пузырьков метана на поверхности моря, хорошо описывает поведение нефтяных углеводородов в морских условиях. Расположение подводных источников метана совпадает с местоположением сликов по результатам радиолокационного спутникового зондирования поверхности зал. Петра Великого.

Ключевые слова: метан, распределение, потоки, источники.

Features of methane inputs from natural waters at the territory of Primorsky Krai, Russia. G.I.MISHUKOVA, V.F.MISHUKOV, A.I.OBZHIROV (V.I.Il’ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).

Spatial and temporal distribution of methane contents in fresh and sea waters at the territory of Primorsky Krai, Russia was investigated on the basis of long-term data (1991—2004). Strong saturation of surface fresh and sea waters by methane was found in regions with deposits of low temperature mineral waters and coal. Spatial arrangement of underwater methane sources well coincides with a site of spots on images (radar-location stations with synthetic aperture on ERS-2 satellite) of sea surface ofPeter the Great Bay The rate of methane input from underground sources varies.

Key words: methane, distribution, fluxes, sources.

Актуальность изучения концентраций метана в различных природных объектах связана с его влиянием на радиационные свойства атмосферы и изменение климата на планете, на содержание озона и образование озоновых дыр в атмосфере. Интенсивный рост содержания метана в атмосфере обычно связывают с усилением хозяйственной деятельности человека. Для Дальневосточного региона кроме антропогенных причин (рисовые поля в Китае и Корее, скотоводство в степных районах Китая и Монголии) отмечают влияние тундровых районов Восточной Сибири [3]. В северо-западной части Тихого океана содержание метана в атмосфере увеличилось с 1,6 ppb (миллиардных долей) в 1978 г. до 1,78 в 1993 г., что составило 15 ppb/год [6]. Не до конца установлена роль естественных источников метана. Например, стационарные озоновые дыры наблюдаются над рифтовы-ми зонами (Антарктическая, Гавайская, Исландская), а также над зонами крупных разломов и районами с интенсивной вулканической деятельностью [1, 5, 6], удаленными от промышленных и сельскохозяйственных центров.

Цель работы - изучение пространственного распределения содержания метана в различных природных объектах и оценка его поступления в атмосферу на территории Приморского края.

МИШУКОВА Галина Ивановна - кандидат географических наук, старший научный сотрудник, МИШУКОВ Василий Федорович - кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник, ОБЖИРОВ Анатолий Иванович -доктор геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И.Ильичева ДВО РАН, Владивосток). E-mail: gmishukova@poi.dvo.ru

Объекты и методы исследования

Взяты пробы воды из различных природных источников. Отбор проб в море проводился батометрами, на суше - специальными пробоотборниками. Извлечение газа из воды осуществлялось методом вакуумной дегазации [3], анализ проведен на газовом хроматографе с пламенно-ионизационным детектором, использовались колонки, заполненные алюмогелем. Газ-носитель - гелий или азот. Чувствительность по метану составляла 1 • 10-6%.

Особое внимание было уделено объектам в районах Лучегорского, Партизанского, Ха-санского, Тавричанского, Подгороденского и Артемовского угольных бассейнов, а также с проявлениями месторождений минеральных вод (Шмаковское, Ариадненское, Ласточка, Хорольское, Раздольненское, Глуховское, Горноводное, Чистоводное). Кроме этого прибрежные экспедиции изучали содержание метана в морских водах глубоководных районов (заливы Петра Великого, Амурский, Уссурийский, Посьета) и в мелководных бухтах (залив Угловое, бухты Новгородская, Рейд Паллада, Экспедиции, Алексеева).

Результаты и обсуждение

Для ряда районов экспериментальные результаты определения метана были усреднены по совокупности близлежащих точек отбора проб по группам: поверхностные воды суши (реальные источники поступления газа в атмосферу с суши), подземные воды (потенциальная возможность поступления метана из земли), морские поверхностные воды.

В Приморье обнаружено до 75 проявлений минеральных вод [4]. Отмечено высокое содержание метана на карбонатных месторождениях Шмаковское (в долине р. Уссури и междуречье Уссури-Сунгач), Ласточка, Покровская (р. Покровка), Ариадненское (р. Малиновка), Горноводное, Раковское (рис. 1), значительные концентрации - на месторождениях соленых, азотных и термальных вод.

Концентрация

метана, нл/л

107

106 г

105

подземные воды ^ поверхностные воды ЕЗ морские воды  равновесные концентрации Рис. 1. Уровень содержания метана в природных водах в Приморском крае

Наблюдается повышенное содержание метана в поверхностных и подземных водах на территории Лучегорского, Партизанского, Хасанского, Артемовского угольных бассейнов (рис. 1). По тектоническим разломам и техногенным трещинам происходит выделение газов из литосферы в гидросферу и затем в атмосферу. Так, на Артемовской площади наблюдается высокое содержание метана как в подземных, поверхностных и морских водах зал. Угловое, так и в воздухе шахт и приземном слое атмосферы. В Подгородненском угольном бассейне в местах самопроизвольного выброса газа содержание метана составляет 60-90%.

В районе разрабатываемых месторождений изменяется состав приземного слоя атмосферы. Данная проблема особенно актуальна для Приморского края, так как в настоящее время часть шахт закрывается, шахты затопляются, а газ, претерпевая изменения химического состава, вытесняется водой и поступает в жилые и производственные помещения. В результате создается неблагоприятная и даже опасная ситуация. При достижении концентрации метана в воздухе 6-9% образуется взрывоопасная смесь. Анализ газов в атмосферном воздухе погребов и подвалов в Партизанском районе показал, что после затопления шахт концентрация углекислого газа увеличилась, достигнув 1-2%, что нередко сопровождалось отравлением людей. Высокая степень пересыщения поверхностных вод метаном относительно его равновесных содержаний в атмосфере свидетельствует о его выделении в атмосферу.

Наличие в подземных и поверхностных водах больших концентраций метана может повлиять на содержание метана в морских водах за счет как речного стока, так и подводных выходов на акваторию заливов, поэтому с декабря 1995 г. по апрель 1996 г. выполнено 2 рейса по зал. Петра Великого. Пробы отбирались с придонного горизонта (рис. 2).

Для Хасанского района высокое содержание метана в подземных водах обусловливает его повышенные концентрации в поверхностных и морских прибрежных водах. Подобная картина наблюдается и для вод Амурского залива в его северной части, когда высокие значения метана в подземных водах на территории Артемовского бассейна определяют его возрастание в морских водах заливов Угловое (средняя концентрация 2040 нл/л) и Амурский (420 нл/л). На акватории Уссурийского залива содержание метана достигает 204 нл/л.

На акватории зал. Петра Великого наблюдается неравномерное распределение концентрации метана, явно выделяются два источника: западный (42,42° с.ш., 130,78° в.д.) и восточный (42,45° с.ш., 132,12° в.д.), к ним добавляется слабо выраженный центральный (42,7° с.ш., 131,75° в.д.) (рис. 2).

Для прибрежной части до изобаты 50 м, зал. Посьета и вод, омывающих острова Фу-рульгема, Стенина, Рикорда, Рейнеке, содержание метана составляет 120-180 нл/л. Повышенные концентрации метана в мелководных бухтах Новгородская, Экспедиции и Рейд Паллада продолжаются в более глубоких районах зал. Посьета, формируя в придонных водах область с максимальным содержанием метана до 440 нл/л. На кромке шельфа зал. Петра Великого возрастания концентрации не происходит из-за взмучивания донных осадков при приливах и отливах, а концентрация метана монотонно уменьшается от мелководной части шельфа к континентальному склону. Общая закономерность нарушается в точке 42,45° с.ш., 132,12° в.д., где на глубине 110 м отмечен выход метана, максимальные значения в придонном слое составляют 660 нл/л.

Известно, что в местах выделения газов вместе с метаном выходят и другие, более тяжелые, углеводороды, которые в нефтедобыче называют газоконденсат. После схлопы-вания пузырька газа эти углеводороды остаются на поверхности моря, образуя так называемые слики. Появление сликов на поверхности моря сопровождается изменением спектра ветрового волнения с подавлением волн ряби, которое хорошо фиксируется спутниковыми радиолокационными станциями с синтезированной аппаратурой в виде изображения темного участка на фоне более светлой области. Поэтому целесообразно привлекать эти

с.ш

130,6 130,8 131,0 131,2 131,4 131,6 131,8 132,0 132,2 132,4 132,6 В.Д.

Рис. 2. Источники (указаны стрелками) и распределение метана (нл/л) в придонном слое морской воды заливов Петра Великого и Посьета, Японское море

данные для определения местоположения природных источников поступления углеводородов в морскую среду.

Под влиянием ветра и течения слик переносится по поверхности, поэтому для определения места подводных выходов метана обработаны гидрометеорологические экспериментальные данные и создана математическая модель поведения пятна газоконденсата на акватории зал. Петра Великого на данный момент времени. Расчет распределения пятен газоконденсата выполнялся при следующих условиях. Каждый источник через 1 мин одновременно выбрасывает в морскую среду порцию газоконденсата, которая в виде пузырьков за 2-6 мин всплывает к поверхности и образует нефтяной слик. Слики на поверхности не взаимодействуют, а их движение под влиянием природных процессов одновременно рассчитывается на регулярной сетке залива (рис. 3).

Для восточного, наиболее мощного, источника метана первоначально перенос сли-ков происходит в северном и северо-западном направлениях, затем - в противоположном. Совокупное движение сликов находит отражение в формировании обширного поля природных пленок к югу от о-ва Аскольд. Западный источник из-за близкого расположения к береговой черте характеризуется скоплением сликов вблизи береговой линии. Небольшая часть сликов успевает выйти на север в зал. Посьета, где, распространяясь вдоль западной периферии залива, достигает южной оконечности мыса Гамова. Другая часть сликов дрейфует в южном и юго-восточном направлении (рис. 3). Наиболее

с.ш

130,6 130*8 131,0 131,2 131,4 131,6 131,8 132*0 132г2 132,4 132,6 В.Д.

Рис. 3. Моделирование распределения пятен газоконденсата на акватории зал. Петра Великого 19-22 сентября 1997 г. (светло-серые линии и области - траектории движения пятен, черные квадраты - положение пятен на конец расчета). Стрелками указаны направления движения сликов

сложная картина - в центральном источнике. Первоначально слики движутся в северном направлении и достигают о-ва Рикорда, затем вдоль цепочки островов на юге Амурского залива - в направлении островов Римского-Корсакова, через которые часть пятен уходит к северному побережью мыса Гамова, образуя область прибрежных сликов. Большая часть сликов, выпущенных 20-22 сентября 1997 г., движется в южном направлении, где затем одна поворачивает на восток, образуя горизонтальную ветвь, а другая - на запад и достигает северного побережья мыса Гамова. Аэрокосмический снимок распределения сликов на акватории зал. Петра Великого 22 сентября 1997 г. (рис. 4) подтверждает эти расчеты [2].

Таким образом, наличие источников углеводородов в придонном слое приводит к образованию полей сликов на акватории зал. Петра Великого, на пространственное расположение которых влияют приливо-отливные и ветровые течения. Вследствие малых скоростей ветра 21 и 22 сентября 1997 г. слики хорошо сохранялись на поверхности моря, поэтому наибольшая концентрация проявилась в местах подводных источников газоконденсата

(рис. 2, 4). Экспериментальные исследования, результаты расчетов и аэрокосмические данные свидетельствует о наличии источников метана и сопутствующих углеводородов на изучаемой акватории и их влиянии на динамические характеристики поверхности моря.

Скорость поступления метана из подземных источников на данной территории изменяется во времени, поэтому содержание метана в различных водах непостоянно. По результатам мониторинга в Хасанском районе можно отметить, что с 1992 г. по октябрь 1995 г. в поверхностных и подземных водах наблюдалось понижение концентрации метана (рис. 5). В 1995 г. произошло ее резкое повышение в подземных водах, сопровождавшееся увеличением содержания метана в поверхностных и морских водах более чем в 10 раз. С 1997 г. этот показатель уменьшился во всех исследуемых водах (рис. 5).

Возможно, изменение содержания метана связано с активизацией сейсмотектонических процессов,

сопровождающихся увеличением содержания этого газа в водах и атмосфере. В изучаемом регионе на момент проведения исследований сейсмическая активизация проявилась в ряде землетрясений в Северо-Восточном Китае, на территории Приморского края и акватории зал. Петра Великого в 1994 и 1999 гг. Высокая сейсмическая активность в Приморском крае наблюдается и в настоящее время. Данные наиболее мощных землетрясений приводятся на сайте [7].

Заключение

Наблюдаются повышенные концентрации метана в подземных, поверхностных и морских водах, свидетельствующие о том, что в крае находятся источники метана, совпадающие с залежами низкотемпературных минеральных вод (Шмаковское, Ариаднен-ское, Ласточка, Хорольское, Раздольненское, Глуховское, Горноводное, Чистоводненское), залежами и разработками угольных месторождений (Лучегорский, Артемовский, Партизанский, Хасанский районы).

Рис. 4. Аэрокосмический снимок распределения сликов на акватории зал. Петра Великого 22 сентября 1997 г.

нл/л

107

106 105 104 103 102 10

07.05. 31.01. 28.10. 24.07. 19.04.

1990 1993 1995 1998 2001

Дата отбора проб

Рис. 5. Изменение содержания метана в подземных (1), поверхностных (2) и морских (3) водах в Хасанском районе Приморского края

При многолетнем мониторинге содержания метана в Хасанском районе показано, что в течение 2 лет после сильного землетрясения сначала происходит увеличение концентрации метана в подземных, затем в поверхностных и морских водах.

Разработанная модель трансформации химического состава и расчета траекторий движения пятен газоконденсата, образовавшихся после схлопывания пузырьков метана на поверхности моря, хорошо описывает поведение нефтяных углеводородов в морских условиях. Расположение подводных выходов метана совпадает с местоположением пятен по результатам радиолокационного спутникового зондирования поверхности зал. Петра Великого после учета дрейфа пятен под воздействием суммарных течений.

В целом по Приморскому краю наблюдается сильное пересыщение метаном поверхностных вод относительно его равновесного содержания в атмосфере, что на основании теории газообмена свидетельствует об активном поступлении газа в атмосферу.

1. Воробьева В.В. Проблемы сохранения озонового слоя // Вестн. ДВО РАН. 1998. № 1. С. 76-89.

2. Голик А.В., Фищенко В.К., Дубина В. А., Митник Л.М. Интеграция спутниковых и подспутниковых данных по северо-западной части Тихого океана в корпоративной океанографической ГИС ДВО РАН // Исследование Земли из космоса. 2004. № 6. С. 73-80.

3. Мишукова Г.И., Обжиров А.И., Мишуков В.Ф. Метан в пресных и морских водах и его потоки на границе вода-атмосфера в Дальневосточном регионе. Владивосток: Дальнаука, 2007. 112 с.

4. Чудаева В. А., Чудаев О.В., Челноков А.Н. и др. Минеральные воды Приморья. Владивосток: Дальнаука,

5. Climate Change 1994 / ed. J.T. Houghton, L.G.Meira Filho, J.Bruce et al. Published for the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge: Univ. Press, 1996. 86 p.

6. Matsueda H., Inoue H.Y., Ishii M., Nogi Y. Atmospheric methane over the North Pacific from 1987 to 1993 // Geochem. J. 1996. Vol. 30. P. 1-15.

7. U.S. Geological Survey, National Earthquake Information Center. World Data Center for Seismology. -http://neic.usgs.gov/neis/bulletin/neic_edau_l.html

Новые книги

СтепановВ.А., Мельников А.В., ВахА.С., ВьюновД.Л., Дементиенко А.И., Пересто-ронин А.Е. Приамурская золоторудная провинция.

Благовещенск: АмГУ; НИГТЦ ДВО РАН, 2008. - ISBN 978-5-93493-111-8.

Научно-исследовательский геотехнологический центр ДВО РАН

б83002, Петропавловск-Камчатский, Северо-Восточное шоссе, 30, а/я 5б.

Fax: (41522) 9-2б-З9. E-mail: nigtc@kscnet.ru

Проанализирована геолого-структурная позиция Приамурской золоторудной провинции, образовавшейся в результате позднемезозойской коллизии юго-восточного обрамления Сибирской платформы и Амурского композитного массива. Рассмотрены основные особенности геологического строения, закономерности размещения золоторудных месторождений и геохимическое поле провинции. Произведено ее металлогеническое районирование. Охарактеризованы типовые для провинции золоторудные месторождения, рассмотрены проблемы их возраста и генезиса. Определена структура геохимического поля провинции и дана ее прогнозно-геохимическая оценка на золотое оруденение.

Книга рассчитана на широкий круг исследователей золоторудных месторождений, геохимиков и металлогенистов, а также преподавателей, аспирантов и студентов вузов. Надеемся также, что она поможет предпринимателям и потенциальным инвесторам в выборе золоторудных объектов для поисков и разведки с последующей эксплуатацией.

ЛИТЕРАТУРА

1999. 1бЗ c.