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
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 в пределах и современной зоны стабильности, и субмаринной мерзлой зоны
в мерзлых породах из водорастворенного газа за счет эффекта самоконсервации
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 = эрозия
II - седиментация > эрозия
III - седиментация< эрозия
1 – морская вода; 2 – рыхлые отложения;
3 – вектор осадконакопления; 4 – вектор размыва; 5 – немерзлые отложения с отрицательной температурой; 6 – границы мерзлой зоны; T10 – температура фазовых переходов при солености, равной солености морской воды (S1); T20 – температура
фазовых переходов при солености S2 < S1; λ – теплопроводность отложений (λ1 < 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
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 -1.750C
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
Courtesy V.I. Petrova

Объем зоны стабильности газовых гидратов в
недрах Северного Ледовитого океана
Криогенные
гидраты

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 0оС) 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 - 3.18 ∙ 1015м3
Потенциальные ресурсы газа 650 млн м3 (~450 000 тонн метана)
Резюме:

Образование гидратов газа
Замерзание воды
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
с термобарическими условиями стабильности гидратов газа, и наличием
криолитозоны отмечается повышенное содержание метана в поддонных
отложениях
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
(особенно изотопные) исследования отложений в пределах выявленных
сипов, предположительно являющихся результатом деградации мерзлоты
для выявления источников разгружающегося газа (включая газовые гидраты)
моделирование процессов образования/разложения газовых гидратов
в мерзлых осадках на основе данных прямых наблюдений