Криогенные газовые гидраты в субмаринной мерзлоте: проблемы обнаружения и изучения Всероссийский научно исследовательский институт геологии и минеральных ресурсов Мирового океана им. академика И.С. Грамберга Т.В. Матвеева, А.А. Крылов, Е.А. Логвина Лаборатория нетрадиционных источников углеводородов T. Matveeva, A.A. Krylov, E.A. Logvina (VNIIOkeangeologia, St. Petersburg) Gas hydrates in off-shore permafrost: the problem of detection and study

Природные газовые гидраты Зона стабильности газовых гидратов (ЗСГГ)

Образование криогенных скоплений газовых гидратов при экзогенном охлаждении недр в ходе многолетнего промерзания при экзогенном охлаждении недр в ходе многолетнего промерзания за счет трансформации уже существовавших залежей газа, часть которого может переходить в форму гидратов (при достаточном количестве реакционноспособной воды) за счет трансформации уже существовавших залежей газа, часть которого может переходить в форму гидратов (при достаточном количестве реакционноспособной воды) реликтовые, находящиеся вне современной зоны стабильности, в пределах субмаринной мерзлой зоны реликтовые, находящиеся вне современной зоны стабильности, в пределах субмаринной мерзлой зоны реликтовые, находящиеся в пределах и современной зоны стабильности, и субмаринной мерзлой зоны реликтовые, находящиеся в пределах и современной зоны стабильности, и субмаринной мерзлой зоны в мерзлых породах из водорастворенного газа за счет эффекта самоконсервации в мерзлых породах из водорастворенного газа за счет эффекта самоконсервации в/под мерзлыми отложениями за счет создания необходимых давлений гидратообразования при промерзании газонасыщенных отложений в/под мерзлыми отложениями за счет создания необходимых давлений гидратообразования при промерзании газонасыщенных отложений

Криогенные гидраты в мерзлых отложениях Фильтрогенные гидраты вне реликтовой мерзлоты гидраты в мерзлых отложениях

Выявление по термобарическому признаку областей распространения гидратов газа и оценка мощности зоны их стабильности требуют рассмотрения закономерностей формирования и распространения ряда следующих характеристик: а)давление у дна, зависящее от высоты столба воды; для его определения необходимы более или менее подробные батиметрические данные; б)общая палеогеографическая характеристика регионов; в)температура дна, определяемая динамикой водных масс и их температурным режимом, глубиной моря, рельефом дна и прочим, является очень важной характеристикой; г)анализ геотермической изученности рассматриваемых акваторий; д)изучение распространения субмаринной криолитозоны и характеристика ее параметров (мощность, глубина залегания, морфология, температурный режим). Общие закономерности и методика оценки газогидратоносности недр арктических акваторий I. Термобарические условия: -Оценки региональной изменчивости геотермического градиента (плотности теплового потока) на основе немногочисленных измерений, экстраполяции с суши и общих закономерностей; -Сведения о глубине и температуре дна (ее временные вариации, среднегодовые значения) по данным гидрологических наблюдений; -Сведения о субмаринной криолитозоне (распространенность, температура, мощность). II. Геологические условия формирования газовых гидратов: - Данные о составе и строении верхнего (до 1 км) слоя осадков; -Содержание органического вещества в осадках; образование биогенных и термогенных углеводородных газов; -Сведения о возможных потоках углеводородных газов в направлении дна и составе этого газа.

I - седиментация = эрозияII - седиментация > эрозияIII - седиментация< эрозия 1 – морская вода; 2 – рыхлые отложения; 3 – вектор осадконакопления; 4 – вектор размыва; 5 – немерзлые отложения с отрицательной температурой; 6 – границы мерзлой зоны; T 1 0 – температура фазовых переходов при солености, равной солености морской воды (S 1 ); T 2 0 – температура фазовых переходов при солености S 2 < S 1 ; λ – теплопроводность отложений (λ 1 < λ2). Варианты развития реликтовой субмаринной мерзлой зоны в зависимости от гидродинамических условий Шарбатян, 1974 Соловье и др., 1987 Субмаринные поднятия (размыв)Шельф, криопэги (осадконакопление) Квазистационарные, диффузия солей

Возраст t мерзлых толщ различной мощности (а), определенный по абсолютным датировкам террас по результатам электроразведочных работ методом ВЭЗ, и теоретическая кривая промерзания 1 (б). 1 – минимальный абсолютный возраст; 2 – максимальный абсолютный возраст; 3 – расчетные точки теоретической кривой возраст террас отражает время их субаэрального развития, он также характеризует и длительность времени промерзания Мощность мерзлых пород, м Акимов и др., 1975 Соловье и др., 1987 Максимальная глубина промерзания Западноарктические острова

Условия гидратообразования и потенциально газогидратоносные акватории Атлас «Геология и полезные ископаемые шельфов России» ГИН РАН, Соловьев, Гинсбург, 2004 Западно-арктический шельф России характеризуется преимущественным развитием немерзлой криолитозоны и относительно ограниченным распространением субмаринной мерзлой зоны. На шельфе Баренцева моря выделены границы распространения различных временных типов – сезонный, эпизодический и многолетний. Практически на всем шельфе Карского моря криолитозона многолетняя. Температура немерзлой криолитозоны меняется в интервале от 0 до –1,8оС, предполагаемая мощность от 25 м до 50 м и более.

Условия гидратообразования и потенциально газогидратоносные акватории Соловьев, Гинсбург, 2004 На восточно-арктическом шельфе России, в границах морей Лаптевых и Восточно-Сибирского, весьма широко распространение реликтовой субмаринной мерзлой зоны. Здесь можно выделить сплошную (прерывистую), переходящую в островную, и островную, реликтовые мерзлые зоны различной мощности, первая может быть как реликтовой, так и новообразованной, а островная – только реликтовой.

ESTIMATION OF GHSZ AND PT CONDITIONS ESTIMATION OF GHSZ AND PT CONDITIONS Calculation parameters: -Water salinity: 35 -Hydrate-forming gas: pure methane -Geothermal gradient:2.7/100 m -Water depth: 300 and 280 m -Bottom temperature: -1 and C Base of GHSZ Sea level Base of GHSZ Sea level Results: -GHSZ is non-detached from the seafloor -Thickness of GHSZ: 300 and 320 m

DISTRIBUTION OF HYDROCARBONS IN THE BOTTOM SEDIMENTS OF THE WESTERN ARCTIC SHELF HC in the sediments: average = 30 мкg/g min = 10 мкg/g max= 1000 мкg/g HC, MKg/g Courtesy V.I. Petrova

Основные морфоструктур ы Типы зоны стабильност и гидратов Площадь, тыс. км 2 (% от общей площади) Пределы изменения мощности (средняя мощность в м) Объем, м 3 Ложе океана Придонный (700)2,4 * Континентальный склон Придонный (560)5,3 * Арктический шельф России Придонный (200)1,95 * Непридонный, контролируемый реликтовой мерзлой зоной мощностью более 100 м 250 (125)0-400 (200)2,5 * То же, мощностью до 100 м 606 (121)0-400 (200)2,4 * Непридонный, вне акваторий с реликтовой мерзлой зоной (100)2,4 * Всего: 3,18 * Объем зоны стабильности газовых гидратов в недрах Северного Ледовитого океана Криогенныегидраты

Потенциальные ресурсы газа в гидратах Северного Ледовитого океана

Потенциально газогидратоносные акватории на арктическом шельфе ограничены распространением реликтовой криолитозоны (сплошной и островной) Подошва криолитозоны (или изотерма 0 о С) находится на глубине от уровня моря, превышающей 260 м вне зависимости от глубины воды ЗСГГ: - придонная (0-200 м) контролируется либо релктовой мерзлой зоной, либо низкими придонными температурами - - непридонная (в глубоководье) Объем ЗСГГ м 3 Потенциальные ресурсы газа 650 млн м 3 (~ тонн метана) Резюме:

Образование гидратов газа Замерзание воды газ не нужен при образовании льда, объем увеличивается необходимость наличия газа-гидратообразователя при гидратообразовании объем системы уменьшается одинаково изменяется агрегатное состояние (флюид переходит в твердое вещество) наличие тепловых эффектов (экзотермические процессы) происходят с увеличением объема воды (на 25 и 9%, соответственно) изменяют солевой режим вмещающих пород (в их состав вход преимущественно пресная вода, что приводит к засолению окружающих отложений сопровождаются изменением характера физико-химических процессов, при которых имеет место отделение воды от минерального скелета продукты обоих этих процессов (мерзлые и гидратосодержащие отложения) обладают меньшей плотностью и электропроводностью и большей скоростью распространения упругих волн продукты образования имеют сходные породообразующие текстуры Практически отсутствуют различия, позволяющие диагностировать их дистанционными методами Диагностика

Проблемы: Сведения о распространенности реликтовой субмаринной мерзлоты и ее мощности весьма скудны Экспериментальных данных о температурном поле (тепловой поток, геотермический градиент) верхнего слоя осадков шельфов арктических морей относительно мало и распределены они неравномерно. Выявление гидратоносных пород в криолитозоне дистанционными методами затруднительно Пути решения: определенный интерес представляют те участки шельфа, где, наряду определенный интерес представляют те участки шельфа, где, наряду с термобарическими условиями стабильности гидратов газа, и наличием криолитозоны отмечается повышенное содержание метана в поддонных отложениях применение геофизических методов (сейсмоакустика, ГБО) для применение геофизических методов (сейсмоакустика, ГБО) для обнаружения очагов разгрузки газа (сипов) в районах с установленной и предполагаемой субмаринной криолитозоны комплексные геолого-геофизические, геотермические и геохимические комплексные геолого-геофизические, геотермические и геохимические (особенно изотопные) исследования отложений в пределах выявленных (особенно изотопные) исследования отложений в пределах выявленных сипов, предположительно являющихся результатом деградации мерзлоты сипов, предположительно являющихся результатом деградации мерзлоты для выявления источников разгружающегося газа (включая газовые гидраты) для выявления источников разгружающегося газа (включая газовые гидраты) моделирование процессов образования/разложения газовых гидратов моделирование процессов образования/разложения газовых гидратов в мерзлых осадках на основе данных прямых наблюдений

Спасибо за внимание!!!