ГАЗОВЫЕ ГИДРАТЫ В ПРИРОДНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ

Координаторы: акад. Кузнецов Ф. А., акад. Конторович А. Э.

Исполнители: ИНХ, ИГНГ, ИГФ, ИГХ, ИЗК, ИК, ИХКГ, ТФ ИТПМ, ИМП, ИПНГ, ИВМиМГ, ЛИН, ИОЭБ СО РАН

В результате геолого-геофизических исследований в северных районах Западной Сибири выявлен перспективный горизонт надсеноманских отложений для поисков скоплений природных метангидратов. Построены структурные карты, позволившие выделить наиболее благоприятные для существования газогидратов районы. Выделен участок для постановки разведочного бурения на Восточно-Мессояхском месторождении.

Российско-бельгийскими экспедициями в глубоководной части Южно-Байкальской впадины открыты газовыделяющие структуры типа грязевых вулканов. При отборе донных осадков вблизи влк. Маленький (рис. 1) на глубине около 1400 м впервые в поверхностных слоях (30—35 см; 100—128 см) обнаружены скопления метангидратов биогенного происхождения (рис. 2).

Рис. 1. Расположение влк. Маленький и сейсмического профиля № 30.
Fig. 1. The location of "Malen'kii" seep and seismic profile # 30.		 Рис. 2. Кристаллы метангидратов из донных осадков оз. Байкал.
Fig. 2. Samples of gas hydrate crystals from the bed sedi-ments of Baikal lake.

В кернах вблизи вулкана обнаружено преобладание метана по сравнению с другими районами (85 и 10 % соответственно). О выходе биогенного метана также свидетельствуют данные по стабильным изотопам углерода бентосных животных (d 13С = –52,4 ¸  –62 ‰). Изотопный анализ углерода в метане, полученном при разложении образца метангидрата (значение d 13С(CH4) составляет –67,9 ‰; отношение метан/этан равно 1165), однозначно свидетельствует о биогенном характере происхождения метана, входящего в структуру газогидратов. Исследования микробного сообщества в районе приповерхностных скоплений газовых гидратов показали наличие здесь богатых микробиальных сообществ; найдены виды бактерий, аналогичные обнаруженным в районе известного залегания газовых гидратов в Мексиканском заливе и в ледовых кернах Антарктиды.

В результате физико-химических и структурных исследований газовых гидратов обнаружен неизвестный ранее структурный тип газового гидрата (рис. 3).

Рис. 3. Упаковка 14-гранных полостей в новой тетраго-нальной структуре (слева), 14-гранная полость (425864) (справа).

Fig. 3. Packing of 14-hedral cavities of novel tetragonal structure (left); 14-hedral (425864) cavity (right).

Впервые получены данные по фазовым диаграммам тройных систем Р, Т, Х1, Х2 (где Х1, Х2 — газы-гидратоообразователи) в широкой области температур и давлений и во всем концентрационном интервале. Предложена теоретическая модель растворения газа, позволяющая, в частности, оценить толщину переходного слоя между газом и жидкостью. В рамках метода решеточной динамики рассчитаны границы механической устойчивости аргонового, криптонового и пропанового гидратов КС-II и пустых гидратных решеток КС-I и КС-II в широком интервале температур и давлений, вплоть до границ абсолютной неустойчивости (рис. 4).

Рис. 4. Границы механической устойчивости гидратов КС-II в зависимости от типа молекул-гостей и степени заполнения больших полостей.
Пустая решетка (1); гидрат пропана (2); гидрат аргона (3 - одиночное, 4 - двойное заполнение больших полостей) и гидрат криптона (5 - одиночное, 6 - двойное заполнение больших полостей).

Fig. 4. Mechanical stability boundaries of CS-II hydrates depending on the type of the guest molecules and the degree of large cages occupancy.
The empty lattice (1); propane hydrate (2); argon hydrate (3- single, 4 - double occupancy of large cavities); krypton hydrate (5- single, 6- double occupancy of large cavities).

На основе кластерной модели Пламмера—Хейла разработана теория двухстадийной нуклеации газовых гидратов в парогазовой среде. Установлено, что относительно слабое пересыщение пара приводит к значительному сокращению периода образования газовых гидратов.

При оценке влияния типа и влагосодержания вмещающей породы на фазовое равновесие в системе гидрат — газ — вода установлено, что при влагосодержании породы, большем максимального гигроскопического, температуры диссоциации чистого гидрата и гидрата в породе равны в пределах погрешности измерений. При меньшем влагосодержании происходит понижение температуры диссоциации гидрата в породе по сравнению с температурой диссоциации чистого гидрата.

Построена математическая модель возможных климатических последствий разложения поддонных метангидратов Мирового океана под действием глобального потепления, позволяющая оценить объемы и временные масштабы притока метана в атмосферу, а также моделировать пространственное распределение атмосферного метана.

Список основных публикаций

  1. Кузьмин М. И.. Карабанов Е. П., Капай Т., Вильямс Д., Бычинский В. А., Кербер Е. В., Кравчинский Н. А., Безрукова Е. Б., Прокопенко А. А., Гелетий В. Ф., Калмычков Г. В., Горегляд А. В., Антипин Н. С., Хомутова М. Ю., Сошина Н. М., Иванов Е. В., Хурсевич Г. К., Ткаченко Л. Л.. Солотчина Э. П., Йошида Н., Гвоздков А. Н. Глубоководное бурение на Байкале — основные результаты// Геология и геофизика, 2001, т. 42, № 1—2, с. 8—34.

  2. Агалаков С. Е., Курчиков А. Р., Бабурин А. Н. Геолого-геофизические предпосылки существования газогидратов в туронских отложениях Восточно-Мессояхского месторождения// Там же. № 11—12, с. 1785—1791.

  3. Дучков А. Д. Гидраты метана в осадках озера Байкал// Газовая промышленность, 2001, № 12, c. 24—26.

  4. Мельников В. П., Нестеров А. Н., Феклистов В. В. Показатель преломления газовых гидратов// Журнал физической химии, 2002, т. 76, № 7, с. 1318—1323.

  5. Dyadin Yu. A., Larionov E. G., Manakov A. Yu., Kurnosov A. V., Zhurko F. V., Aladko E. Ya., Ancharov A. I., Tolochko B. P., Sheromov M. A., Clathrate hydrate of Sulfur Hexafluoride at high pressure// J. Incl. Phenom. Macrocyclic. Chem., 2002, v. 42, р. 213—218.

  6. Курносов А. В., Манаков А. Ю., Комаров В. Ю., Воронин В. И., Теплых А. Е., Дядин Ю. А. Новая газогидратная cтруктура// Докл. РАН, 2001, т. 381, № 5, с. 649—651.

  7. Дядин Ю. А., Ларионов Э. Г., Аладко Е. Я., Журко Ф. В. Клатратообразование в системах пропан — вода и метан — пропан — вода при давлениях до 15 кбар// Там же, 2001, т. 376, № 4, с. 497—500.

  8. Tse J. S., Shpakov V. P., Belosludov V. R., Trouw F., Handa Y. P. Evidence for the Coupling of Localized Guest Vibrations with the Lattice Modes in Gas Hydrates// Europhys. Lett., 2001, v. 54, p. 354—360.

  9. Косяков В. А. Шестаков. Моделирование фазовых равновесий в системах вода — гелий и вода — неон// Журн. физ. химии, 2002, т. 76, № 5, с. 815—819.

  Оглавление Далее