ГЕОХИМИЯ ВОД ОЗЕРА БАЙКАЛ И ВОД ГИДРАТСОДЕРЖАЩИХ ОСАДКОВ В РАЙОНЕ ПОДВОДНОГО ГРЯЗЕВОГО ВУЛКАНА МАЛЕНЬКИЙ
←
→
Транскрипция содержимого страницы
Если ваш браузер не отображает страницу правильно, пожалуйста, читайте содержимое страницы ниже
ГЕОХИМИЯ ВОД ОЗЕРА БАЙКАЛ И ВОД ГИДРАТСОДЕРЖАЩИХ ОСАДКОВ
В РАЙОНЕ ПОДВОДНОГО ГРЯЗЕВОГО ВУЛКАНА МАЛЕНЬКИЙ
Н.Н. Зыкин, С.Б. Коротков, К.Г. Новикова (ООО «Газпром ВНИИГАЗ»)
Газовые гидраты, широко распространенные в акваториях морей и океанов, в силу особенностей
нахождения в природе и отсутствия рентабельных способов их разработки в настоящее время отно-
сятся к нетрадиционным и трудно извлекаемым источникам сырья. В то же время выявленные в раз-
личных районах Земли и имеющие значительные ресурсы скопления морских газогидратов рассма-
триваются как альтернативный и наиболее перспективный источник углеводородов в ближайшем
будущем. Очевидно, что выделять перспективные для поисков газогидратов площади, как и систем-
но проводить собственно поиски, можно только, установив геологические (тектонические, струк-
турные, фациальные и др.) закономерности в их локализации, а также выявив механизм формирова-
ния залежей и условия их сохранности в недрах.
Необходимыми условиями для формирования газогидратов являются высокие давления, относи-
тельно низкие температуры и достаточное количество реагентов. Исходя из возможных термобари-
ческих условий образования и допуская различные источники поступления воды, газа и их количе-
ственные соотношения, предполагаемые сегодня модели гидратообразования довольно разнообраз-
ны [1, 6, 8, 12–16, 19]. Возможность реализации в природных условиях ряда моделей и их отдельных
этапов подтверждается экспериментально [12–15]. При всем различии механизмов все существую-
щие модели относятся к одному из двух видов гидратообразующих систем: к открытым и закрытым
(по Г.Д. Гинсбургу и В.А. Соловьеву [1] – к динамичным и покоящимся). В открытых системах фор-
мирование газогидратов происходит в результате привноса воды и газа в зону реакции (в зону ста-
бильности гидратов). В закрытых образование гидратов осуществляется при наличии достаточного
количества реагентов в момент возникновения необходимых для гидратообразования термобариче-
ских условий среды. Относительное повышение (либо снижение) концентраций воды и газа здесь
производится за счет внутренних резервов системы (дегидратация вмещающих толщ, собственная
газогенерация отложений, сепарация массы воды при ее промерзании, изменение гидро- и литоста-
тических давлений и т.д.).
В то же время, если существующие сегодня теоретические представления и данные экспери-
ментальных исследований удовлетворительно объясняют условия и причины формирования газоги-
дратов в криолитозоне (через механизм циклического промерзания насыщаемых газом многолетне-
мерзлых толщ, продвижения фронта промерзания и др.), то для объяснения того же процесса в мор-
ских условиях имеющихся представлений чаще недостаточно. Так, многочисленными наблюдени-
ями установлено, что при наличии необходимых и даже благоприятных для формирования газоги-
дратов условий ни площадного, ни линейного развития их залежей в морских условиях не происхо-
дит. Более того, наблюдаемые в акваториях площади развития газогидратных скоплений составляют
лишь мизерную часть области распространения зоны стабильности гидратов. Таким образом, оче-
видно, что образование газогидратов в морских условиях, а тем более формирование здесь крупных
залежей в значительной степени зависит от частных условий.
В силу различий морских газогидратов по масштабам их проявления, локализации и морфо-
логии скоплений, специфике и различиям в условиях их нахождения (большой диапазон глубин
и установленных температур) для достоверного выявления механизмов формирования скопле-
ний газогидратов в пределах акваторий, помимо термобарических условий, необходимо привле-
кать данные об источнике вещества. Очевидно, что кроме газов интерес здесь представляют дан-
ные об источнике и свойствах воды, участвующей в образовании гидратов, и степени участия вод
различных источников.
С целью определения механизма формирования морских газогидратов и установления источни-
ка их воды авторами были изучены гидрохимические свойства поверхностных, придонных и поро-
вых вод осадков оз. Байкал и воды газогидрата из отложений грязевого вулкана, расположенного в
акватории озера. Также проведены масс-спектрометрические исследования, в результате которых
был изучен изотопный состав кислорода и водорода вод. Пробы воды и образцы донных осадков
были отобраны сотрудниками ООО «Газпром ВНИИГАЗ» в ходе рейса научно-исследовательского
СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ 2010 Г. 185
судна «Г.Ю. Верещагин», выполненного ЛИН СО РАН в 2008 г. в рамках первой Технологической
экспедиции ООО «Газпром ВНИИГАЗ» «Байкальские гидраты – 2008». Исследования проведены в
Южной котловине оз. Байкал на двух станциях, приуроченных к областям повышенной флюидной
активности недр. Первая станция находилась в срединной, наиболее глубокой части Южной кот-
ловины озера, в зоне Посольского разлома, в районе действующего подводного грязевого вулкана
Маленький.
Подводные грязевые вулканы исследованной зоны представляют собой «…морфологически вы-
раженные структуры в виде небольших возвышенностей высотой до 40 м и диаметром, достига-
ющим 800 м, с подводящими к ним газовыми каналами и повышенным тепловым потоком» [8].
Многочисленными наблюдениями в приповерхностной части осадков зоны развития вулканов уста-
новлены проявления газогидратов [8, 9, 11, 16]. Пробы воды озера были отобраны в районе вулкана
Маленький с глубин 0, 400, 1300 м и из придонной зоны.
Донные осадки, содержащие поровую воду и газогидрат, отбирались непосредственно из по-
стройки вулкана (глубина по эхолоту – 1364 м, расчетная – 1296 м) гравитационной трубкой. Распил
керна и отбор образцов донных осадков и проб воды производился сразу после подъема трубы
(рис. 1). Вторая станция находилась в зоне Обручевского сейсмогенного разлома, в 3 км от устья
р. Голоустной, где с глубины 518 м (по эхолоту) была отобрана только придонная вода. В этой части
озера при глубоководном бурении установлено наличие свободно выделяющегося газа по всему раз-
резу донных отложений и зафиксированы места разгрузки метана со дна озера [8].
Рис. 1. Керн донных отложений с прослоями газового гидрата, отобранный в районе грязевого вулкана Маленький оз. Байкал
(фото С.Б. Короткова)
Результаты гидрохимических исследований
Гидрохимические исследования вод проведены в Лаборатории гидрогеологии, геохимии и ге-
оэкологии ООО «Газпром ВНИИГАЗ». Были изучены физические свойства, общая минерализация
и химический (макрокомпонентный) состав вод. Для анализа вод использовался метод прямого ти-
трования («мокрой химии»), при котором определяется концентрация компонентов в ионной фор-
ме. Анализы проводились в соответствии с сертифицированными методиками определения хими-
ческого состава воды (ГОСТ Р ИСО МЭК17025). Аномалий, осложняющих определение элементов,
в процессе проведения анализа обнаружено не было. К сожалению, малое количество отобранных186 ПРОБЛЕМЫ РЕСУРСНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГАЗОДОБЫВАЮЩИХ РАЙОНОВ РОССИИ ДО 2030 Г.
донных отложений и выделенных из них поровых вод не позволило провести химический анализ
этих вод даже методом разбавления. Результаты исследований химического состава вод озера и при-
донных вод приведены в табл. 1. Следует отметить, что полученные значения по концентрации ио-
нов в изученных пробах воды озера и придонной воды попали в область нижних границ определяе-
мых содержаний, что повышает уровень погрешности определений до 10 %.
Таблица 1
Результаты химических анализов проб воды из оз. Байкал
№ Объект Дата Глубина Содержание ионов, Общая pH
станции исследования отбора отбора мг/дм3 минера-
№ пробы (по эхо- мг-экв/дм3 лизация,
пробы лоту), %-экв мг/дм3
м Na+ K+ Ca2+ Mg2+ Cl- SO42- HCO3-
Средний состав 4,1 2,1 15,7 3,0 0,7 5,0 68,3
воды оз. Байкал 0,18 0,02 0,78 0,25 0,02 0,10 1,12 98,9 7,6
(по данным [7]) 14 4 62 20 2 8 90
5,09 1,31 15,18 5,99 9,05 1,65 67,10
1 Вода оз. Байкал,
16.07.08 0 0,22 0,03 0,76 0,49 0,26 0,03 1,10 105,4 6,6
1 р-н в. Маленький
14,7 2,2 50,5 32,6 18,7 2,2 79,1
5,33 1,30 13,95 6,49 10,73 0,82 64,66
1 Вода оз. Байкал,
16.07.08 400 0,23 0,03 0,7 0,53 0,30 0,02 1,06 103,3 6,8
2 р-н в. Маленький
15,5 2,2 46,8 35,4 21,7 1,4 76,8
5,78 1,74 13,13 5,49 10,06 5,76 64,66
1 Вода придонная,
16.07.08 1300 0,25 0,04 0,66 0,45 0,28 0,12 1,06 106,6 6,9
3 р-н в. Маленький
17,9 3,2 46,9 32,0 19,4 8,2 72,4
6,24 1,79 13,13 5,99 9,55 0,82 62,22
1 Вода придонная,
16.07.08 1364 0,27 0,05 0,66 0,49 0,27 0,02 1,02 99,7 6,8
4 р-н в. Маленький
18,5 3,1 45,0 33,4 20,6 1,5 77,9
6,18 1,87 12,72 6,99 8,72 1,65 61,00
1 Вода придонная,
16.07.08 1364 0,27 0,05 0,63 0,57 0,25 0,03 1,00 99,1 7,2
5 р-н в. Маленький
17,7 3,2 41,5 37,6 19,5 2,3 78,1
Вода придонная, из
18,95 2,02 10,67 5,74 18,60 2,88 75,64
1 пробоотборника с
16.07.08 1364 0,82 0,05 0,53 0,47 0,52 0,06 1,24 134,5 7,3
6 гидратсодержащим
43,9 2,8 28,3 25,1 28,7 3,3 68,0
осадком
6,19 1,46 14,77 4,99 9,72 0,01 63,44
2 Вода придонная,
17.07.08 518 0,27 0,04 0,74 0,41 0,27 0,00 1,04 100,6 6,7
7 р-н с. Голоустное
18,5 2,6 50,8 28,1 20,6 0,0 79,4
Согласно полученным данным пробы воды на обеих станциях (табл. 1, №№ 1–5 и 7) близ-
ки по химическому составу. По преобладающим ионам изученные воды характеризуются как
хлоридно-гидрокарбонатные натриево-магниево-кальциевые. Общая минерализация составляет
99–107 мг/дм3, реакция вод – нейтральная. Состав вод выражается формулой:
HCO3 77Cl20SO 4 3
M 0,10 .
Ca47Mg33Na17K3
По имеющимся данным [7] воды самого Байкала относятся к гидрокарбонатно-натриевому типу
и имеют состав, выражаемый формулой
HCO3 90SO 4 8Cl2
M 0,10 .
Ca62Mg20Na14K4
В целом по составу и минерализации исследованные воды близки среднему составу и минерали-
зации вод озера (первая строка табл. 1). Однако согласно данным табл. 1 воды, полученные на обе-
их станциях, по концентрациям основных ионов отличаются от вод Байкала. Так, концентрация хло-
ра в них составляет 9–11 мг/дм3, в то время как в среднем для Байкала характерно содержание хло-СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ 2010 Г. 187
ра 0,7 мг/дм3. Магний во всех исследованных пробах (в том числе и в пробе воды, поднятой вместе с
донным осадком) присутствует в количестве 5–7 мг/дм3 при фоновых концентрациях магния в воде
озера – 3 мг/дм3. Ион натрия обнаружен в количестве 5–6 мг/дм3 при фоновых значениях 3–4 мг/дм3.
Таким образом, отобранные на станциях воды обогащены по ионам хлора в 13–16 раз, по натрию – в
1,5 раза и по магнию – в 2 раза. В то же время концентрации основного катиона байкальских вод –
кальция – в изученных водах понижены.
Вода, отобранная из пробоотборника при подъеме донных отложений, содержащих газовые гид-
раты, очевидно, представлена смесью придонной воды Байкала, поровой воды самой верхней ча-
сти донных отложений и воды газогидрата (табл. 1, проба № 6). Данная проба воды по составу и ми-
нерализации заметно отличается от проб водной толщи озера. По сравнению с последними ее ми-
нерализация повышена на 30 %. Состав воды – хлоридно-гидрокарбонатный магниево-кальциево-
натриевый, выражается формулой
HCO3 68Cl29SO 4 3
M 0,13 .
Na44Ca28Mg25K3
В катионном составе этой пробы воды доминирует ион натрия. Относительно среднего (фоно-
вого) состава вод Байкала (первая строка табл. 1) вода, отобранная при подъеме гидратсодержащих
отложений, в 27 раз обогащена ионами хлора. Содержание магния – аналогично среднему содержа-
нию этого элемента в водной толще озера в изученном районе. В то же время содержание кальция
понижено как относительно фоновых вод Байкала, так и относительно его содержания в поверх-
ностных и придонных водах озера на данной станции.
Таким образом, все пробы воды, отобранные на станциях, являются аномальными по отноше-
нию к фоновому составу вод озера. Судя по однотипности состава вод на всех исследованных глу-
бинах, аномалия охватывает всю толщу воды. Насколько велика площадь распространения аномаль-
ных вод, неизвестно. Согласно данным других исследователей, водная масса оз. Байкал отличается
исключительным постоянством содержания главных ионов как в разных котловинах, так и по глу-
бине. В то же время в составе придонных вод озера даже для близко расположенных точек наблю-
дений установлены значительные отличия [5, 16]. При этом в зонах разломов, в районах развития
гидротермальных источников на дне озера отмечаются не только латеральные изменения, но и се-
зонные колебания в составе придонных вод. Таким образом, можно сделать вывод, что выявленная
аномалия отражает некоторые геологические процессы, вероятно, эпизодически происходящие в зо-
нах разломов. По данным авторов статьи, маркером этих процессов являются хлориды натрия и маг-
ния. Стабильность аномального состава изученных вод по всей толще водной массы озера указыва-
ет либо на масштабность выходов, либо на длительную разгрузку флюида по разломам. Поскольку
исследованные пробы имели повышенную минерализацию даже при смешении с водой озера, то
очевидно, что поступающий по разломам и зонам повышенной проницаемости раствор изначально
должен был иметь значительно большую минерализацию, чем воды Байкала.
Известно, что поровые воды осадков оз. Байкал на некоторых станциях также характеризуются
аномальным составом. Так, поровые воды донных отложений на станциях, расположенных вдоль тек-
тонических разломов и в районах действия подводных гидротермальных источников, в отдельных
случаях на 1–2 порядка обогащены рядом макрокомпонентов [4, 5, 11]. Предполагается, что в южной
котловине Байкала на состав поровых вод оказывают влияние воды реликтовых соленых озер дельты
Селенги [4]. Косвенным свидетельством меры солености глубинных вод в районе вулкана Маленький
может служить химический состав воды, отобранной совместно с донным осадком (табл. 1, проба
№ 6). По сравнению с водами вертикальной водной аномалии вода, отобранная при подъеме гидратсо-
держащих отложений, наиболее обогащена хлоридами и гидрокарбонатами натрия.
Наличие гидрохимических аномалий в водной толще озера как по изменению концентраций от-
дельных ионов, так и по минерализации вод различными исследователями неоднократно отмеча-
лось и ранее. При этом состав аномальных вод, как отмечено выше, меняется и во времени. Так, в
Северной котловине Байкала при отборе проб с подводного аппарата «Пайсис» непосредственно над
гидротермальным выходом в составе придонной воды обнаружены повышенные концентрации на-
трия и сульфатов (до 5 и 10 мг/дм3) [2]. По данным Л.З. Граниной и др. [5], в районе гидротермаль-188 ПРОБЛЕМЫ РЕСУРСНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГАЗОДОБЫВАЮЩИХ РАЙОНОВ РОССИИ ДО 2030 Г.
ного выхода в бухте Фролиха мощность очагов разгрузки и фиксируемых аномалий меняется от года
к году. Вполне возможно, что зафиксированные в июле 2008 г. гидрохимические аномалии в районе
вулкана Маленький являются отражением активности разломов и грязевых вулканов в Южной кот-
ловине озера.
Не менее заметные отличия установлены и для изотопного состава кислорода и водорода ис-
следованных вод. Изучение изотопного состава вод Байкала проводилось многими исследователя-
ми с целью климатических реконструкций, для определения генезиса вод термальных источников,
наблюдаемых как в прибрежной зоне, так и на дне озера, а также с целью определения источника
воды, участвующей при формировании газогидратов [3–5, 9, 10, 16–19]. По данным различных ав-
торов, диапазон установленных значений δD и δ18О для самого озера и различных водопроявлений
района составляет (–50) ÷ (–213) и (–7) ÷ (–25) ‰ (SMOW) соответственно. Изотопный состав кис-
лорода и водорода вод атмосферных осадков и вод речной сети района в координатах «δD–δ18О» со-
ставляет линию локальных метеорных вод, расположенную правее прямой Крейга и характеризуе-
мую зависимостью δD = 8·δ18О + 5 ‰ (SMOW) [19]. Для изотопного состава вод Байкала в указан-
ных работах приводятся различные характеристики (δD оценивается от –120 до –165 ‰, δ18О – от
–17 до –15 ‰), что, очевидно, связано с различными методами анализа (фотонейтронным, масс-
спектрометрическим), способами подготовки проб (уравновешивание с H2, редукция воды на уране,
хроме и цинке) и объемом проведенных исследований. Тем не менее, всеми авторами отмечаются
выдержанность изотопного состава водной толщи Байкала и значительные отличия состава вод тер-
мальных источников, поровых вод и газогидратов от воды озера. Наиболее представительные дан-
ные по изотопному составу воды Байкала приведены в работе Сила и Шенкса [18]. Согласно этим
авторам изотопный состав воды озера как по площади акватории, так и по глубине довольно выдер-
жан и характеризуется значениями δD = –123 и δ18О = –15,8 ‰ (SMOW). По этим же данным диапа-
зон величин δD и δ18О рек района составляет (–96) ÷ 158 и (–11) ÷ (–22) ‰ соответственно. С уче-
том баланса массы поставляемых вод средневзвешенный изотопный состав вод гидросети региона
имеет значения δD = –117 и δ18О = –15,5 ‰ (SMOW), при этом изотопный состав воды р. Селенга,
дающей более половины общего речного стока в озеро, характеризуется значениями δD = –103,6 и
δ18О = –13,5 ‰ (SMOW).
Результаты изотопных исследований
С целью определения источника воды газогидратов и механизма их формирования авторами был
изучен изотопный состав поверхностных и придонных вод оз. Байкал, поровых вод осадков и воды
газогидрата (рис. 2), отобранных в районе грязевого вулкана Маленький. Для изучения поровых вод
осадков отбиралась средняя часть керна. Осадки, содержащие газовые гидраты, были представлены
илом и темно-серой глиной с примазками светлого (взможно, карбонатного) вещества.
Поровые воды осадков получены центрифугированием образцов при 8 тыс. об./мин в течение
20 минут с последующей фильтрацией воды через стерильные мембранные фильтры Millex-VV
Millipore 0,1 μm. Изотопный анализ проводился на масс-спектрометре МИ-1201-М. Состав кисло-
рода анализировался по стандартному CO2, уравновешенного с изучаемой пробой в кварцевом ре-
акторе. Уравновешивание проводилось в термостате в течение двух суток при температуре 25 °C.
Изотопный состав водорода анализировался в форме H2, выделенного из проб редукцией воды в за-
паянных ампулах из молибденового стекла на горячем цинке (400 °C) с добавкой бромида свинца
для активации реакции. Измерения проводились компенсационным методом относительно кисло-
рода и водорода воды стандарта. Результаты исследований приведены в относительных единицах
δ (‰), определяемые как отклонение изотопного состава кислорода и водорода образца от изотопно-
го состава этого же элемента в воде стандарта. При изучении изотопного состава кислорода и водо-
рода воды использовался международный стандарт V-SMOW (венский стандарт средней океаниче-
ской воды). Ошибка измерений составила ± 0,2 ‰ для кислорода и ± 2 ‰ – для водорода. Результаты
исследований приведены в табл. 2 и на рис. 3.СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ 2010 Г. 189
Рис. 2. Образец газогидрата вулкана Маленький (фото С.Б. Короткова)
Таблица 2
Результаты изотопных масс-спектрометрических исследований кислорода и водорода газогидрата вулкана Маленький,
поровых вод осадков и воды оз. Байкал
№ Объект Место отбора Глубина Дата Изотопный состав
п/п исследования (по эхо- отбора воды (SMOW)
лоту), м δD, ‰ δ18О, ‰
1 Вода озера Оз. Байкал 0 16.07.2008 –138 –17,2
2 Вода озера Оз. Байкал 400 16.07.2008 –135 –16,8
3 Вода придонная Район вулкана Маленький, 40 см верхней части 1300 16.07.2008 –136 –16,8
рыхлого илового осадка
4 Вода придонная Район вулкана Маленький, из пробоотборника 1300 16.07.2008 –136 –16,9
5 Вода придонная Вулкан Маленький, из пробоотборника 1364 16.07.2008 –134 –16,8
6 Вода придонная Вулкан Маленький, из пробоотборника с гидрат- 1364 16.07.2008 –135 –16,9
содержащим осадком
7 Вода придонная Оз. Байкал, р-н с. Голоустное 518 17.07.2008 –138 –17,2
8 Вода придонная Вулкан Маленький, из пробоотборника 1364 16.07.2008 –137 –17,1
9 Поровая вода Вулкан Маленький, гидратсодержащий осадок с 1364 16.07.2008 –131 –15,9
карбонатной коркой
10 Поровая вода Район вулкана Маленький, глина плотная, 40 см 1364 16.07.2008 –161 –20,7
верхней части осадка
11 Вода газогидрата Вулкан Маленький, газогидрат 1364 16.07.2008 –127 –15,5
Согласно табл. 2 все изученные воды обладают изотопно-легким составом, располагаются вдоль
линии метеорных вод (рис. 3) и при этом по характеристикам отвечают изотопному составу атмос-
ферных осадков данной климатической зоны.
Полученные значения δD и δ18О с определенностью указывают на метеогенное происхождение
всех изученных водопроявлений.
Поверхностные воды Байкала на изученных станциях, воды из средней части водной толщи озе-
ра, а также придонные воды, отобранные на разных станциях, принадлежат зоне свободного водо-
обмена и могут рассматриваться как фоновые для данного района. По изотопному составу кислоро-
да и водорода эти воды практически идентичны (табл. 2, № 1–8), что говорит об интенсивной кон-
векции вод озера в изученном районе. В то же время для изотопного состава вод Байкала, поровых
вод осадков и воды газогидрата грязевого вулкана Маленький установлены значительные отличия.
Состав поровой воды плотного глинистого осадка, отобранного из отложений грязевого вулка-
на Маленький на площади развития газогидратов, характеризуется повышенным содержанием лег-
ких изотопов (рис. 3, № 10). Изотопный состав поровой воды указывает на ее метеогенное проис-
хождение, а также на то, что ее источником является инфильтрационная вода горных вершин рай-190 ПРОБЛЕМЫ РЕСУРСНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГАЗОДОБЫВАЮЩИХ РАЙОНОВ РОССИИ ДО 2030 Г.
она. Очевидно, это вода донной разгрузки, поступившая в придонную часть озера по зонам повы-
шенной проницаемости и зонам разломов и проникшая в осадок под гидростатическим давлением.
В противоположность описанной поровая вода, центрифугированная из отложений, содержа-
щих газовые гидраты, характеризуется повышенным содержанием тяжелых изотопов (рис. 3, № 9).
Изотопный состав этой воды наиболее близок к изотопному составу воды газогидрата и, скорее
всего, данные воды принадлежат к одному генетическому типу. Отметим, что в составе этих осад-
ков установлены включения карбонатов, и, по мнению некоторых исследователей, данные отло-
жения являются вулканической брекчией. При этом показательно, что описанная выше придонная
вода, отобранная одновременно с подъемом гидратсодержащего осадка (табл. 1, № 6; табл. 2, № 6 и
рис. 3), характеризуется повышенной минерализацией и отличным химическим составом как отно-
сительно фоновых вод озера, так и придонных вод, отобранных в данном районе.
Из всех изученных водопроявлений вода собственно газового гидрата вулкана Маленький (рис. 2)
наиболее обогащена тяжелыми изотопами (рис. 3, табл. 2, № 11). Теоретически вода с таким изо-
топным составом могла сформироваться из захороненных вод самого Байкала, при фазовом перехо-
де «вода–пар» из инфильтрационных метеогенных вод района, а также при изотопном обмене кис-
лорода и водорода воды с водородом метана и кислородом вмещающих отложений (захороненных
сульфатов и карбонатов). Механизм формирования наблюдаемого изотопного состава воды в системах
«H2O–СH4» и «H2O–вмещающие породы» маловероятен, поскольку для эффективного фракциониро-
вания здесь необходимы превышение (по массе) газа над массой воды, а также высокие (выше 200 °C)
температуры.
Механизм изотопного фракционирования в системе «вода–пар» предполагает возможность кон-
вективной модели циркуляции вод, когда проникающие на глубину поверхностные воды и воды озе-
ра перегреваются, при этом разгрузка парообразной (изотопно-легкой) и жидкой (изотопно-тяжелой)
фаз происходит либо на различных участках дна, либо в одной зоне, но дискретно по времени.
Возможно, более легкий изотопный состав поровой воды плотного глинистого осадка (рис. 3, № 10)
и тяжелый состав воды газогидрата и поровой воды гидратсодержащего осадка (рис. 3, № 10, 11),
развитых на одной площади, отражают именно такой механизм их формирования. Согласно коэф-
фициентам изотопного фракционирования конечная температура в момент разделения парообраз-
ной и жидкой фаз воды составляла 70–80 °C. Отметим, что более тяжелый изотопный состав воды
газогидратов и более легкий состав поровых вод из сопутствующих им осадков, по сравнению с изо-
топным составом фоновых (придонных) вод, установлен и в других частях Байкала, в частности в
центральной впадине озера [17].
Из допущения указанного механизма формирования изотопного состава воды газогидратов ме-
тан должен проникать в зону стабильности гидратов по зонам разгрузки совместно с жидкой фазой
фракционированной воды. В этом случае формирование газогидратов происходит при адиабатиче-
ском процессе. Находящаяся под большим давлением минерализованная газоводяная смесь проры-
вается по проницаемым зонам (зонам разломов) и внедряется в неконсолидированный осадок, об-
разуя грязевулканическую брекчию. При резком спаде давления углеводородных газов и воды, про-
никающих в приповерхностные зоны, происходит переохлаждение и кристаллизация газоводяной
смеси с образованием газогидратов. Изотопно-легкая и деминерализованная фракция паров воды
совместно с углеводородными газами проникает в придонную часть озера по зонам относитель-
но низкой проницаемости. Поскольку проникновение данной фракции газоводяной смеси в осадки
происходит медленно, адиабатического эффекта здесь не наблюдается, газ рассеивается, а вода, кон-
денсируясь, формирует поровую воду осадков.
Выводы
Поверхностные и придонные воды оз. Байкал в изученном районе характеризуются повышенной
минерализацией и отличаются от среднего состава вод озера химическим составом. Аномальный
состав вод может отражать геологические процессы, происходящие в зонах разломов, и флюидную
активность на данной площади. Изотопный состав поверхностных вод, поровых вод осадков и воды
газогидрата в пределах участка грязевого вулкана Маленький также значительно отличается, чтоСБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ 2010 Г. 191
Рис. 3. Изотопный состав кислорода и водорода воды оз. Байкал, поровых вод осадков и воды газогидрата грязевого
вулкана Маленький
указывает на различные источники вод и разные механизмы их формирования. Полученные данные
свидетельствуют об эффективном фракционировании изотопов воды при ее фазовых превращени-
ях. Отличия в изотопном составе позволяют использовать геохимические характеристики вод при
моделировании процесса формирования залежей газогидратов. Исходя из полученных данных вода
газовых гидратов на площади грязевого вулкана Маленький может быть представлена как метеоген-
ными инфильтрационными водами прилегающей горной страны, так и водой самого озера, перегре-
ваемых в процессе циркуляции вод по зонам разломов. При этом изотопно-тяжелая фракция воды в
донных отложениях является признаком развития газогидратов.
Список литературы
1. Гинсбург Г.Д. Геологические модели газогидратообразования / Г.Д. Гинсбург, В.А. Соловьев //
Литология и полезные ископаемые. – № 2. –1990. – С. 76–87.
2. Гранина Л.З. Особенности биогеохимии донных осадков в районе гидротермального прояв-
ления на Байкале / Л.З. Гранина, Е. Каллендер, Ж. Клеркс и др. // Геохимия ландшафтов, палеоэ-
кология человека и этногенез: матер. межд. симпозиума (Улан-Удэ, 6–11 сент. 1999 г.). – Улан-Удэ,
1999. – С. 297–299.192 ПРОБЛЕМЫ РЕСУРСНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГАЗОДОБЫВАЮЩИХ РАЙОНОВ РОССИИ ДО 2030 Г.
3. Гранина Л.З. Изотопы кислорода и водорода в поровых водах донных осадков Байкала /
Л.З. Гранина, Е. Каллендер, Я. Клеркс и др. // Матер. XVII симпозиума по геохимии изотопов
им. акад. А.П. Виноградова. – М., 2004. – С. 72–74.
4. Гранина Л.З. Аномалии состава поровых вод донныx осадков Байкала/ Л.З. Гранина,
Е. Каллендер, И.С. Ломоносов и др. // Геология и геофизика. – 2001. – Т. 42. – С. 362–372.
5. Гранина Л.З. Особенности донных осадков и поровых вод в районе гидротермального прояв-
ления на Байкале (бухта Фролиха) / Л.З. Гранина, Ж. Клеркс, Е. Каллендер и др. // Геология и геофи-
зика. – 2007. – Т. 48. – № 3. – С. 305–316.
6. Ершов Э.Д. Особенности существования газовых гидратов в криолитозоне / Э.Д. Ершов,
Ю.П. Лебеденко, Е.М. Чувилин и др. // Докл. Академии наук СССР. – 1991. – Т. 321. – № 4. –
С. 788–791.
7. Зверев В.П. Гидрогеохимия осадочного процесса / В.П. Зверев // Тр. ГИН РАН. – Вып. 477. –
М.: Наука, 1993. – 176 с.
8. Калмычков Г.В. Генетические типы метана озера Байкал / Г.В. Калмычков, А.В. Егоров,
М.И. Кузьмин и др. // Докл. Академии наук. – 2006. – Т. 411. – № 5. – С. 672–675.
9. Клеркс Я. Гидраты метана в поверхностном слое глубоководных осадков озера Байкал /
Я. Клеркс, Т.И. Земская, Т.В. Матвеева и др. // Докл. Академии наук. – 2003. – Т. 393. – № 6. –
С. 822–826.
10. Пиннекер Е.В. Значение изотопных определений при изучении месторождений подземных
вод (на примере Восточной Сибири) / Е.В. Пиннекер // Месторождения подземных вод Иркутской
области. – Л.: Недра, 1974. – С. 14–31.
11. Погодаева Т.В. Особенности химического состава поровых вод донных отложений различ-
ных районов озера Байкал / Т.В. Погодаева, Т.И. Земская, Л.П. Голобокова и др. // Геология и геофи-
зика. – 2007. – Т. 48. – № 11. – С. 1144–1160.
12. Чувилин Е.М. Фазовые переходы воды в газонасыщенных грунтах / Е.М. Чувилин,
Е.В. Перлова, Н.А. Махонина и др. // Геология и геофизика. – 2002. – Т. 43. – № 7. – С. 689–697.
13. Якушев В.С. Формирование скоплений природного газа и газовых гидратов в криолитозоне:
автореф. д-ра геол.-минерал. наук / В.С. Якушев. – М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2009.
14. Englezos P. Clathrate hydrates // Ind. Eng. Chem. Res., 1993, 32 (7), pp. 1251–1274.
15. Li Zheng et al. A model for simulating deepwater oil and gas blowouts – Part I: Theory and model
formulation // Journal of Hydraulic Research Vol. 41, №. 4 (2002), pp. 339–351.
16. Matveeva T.V., Kaulio V.V., Mazurenko L.L. et al. Geological and geochemical characteristic of
near-bottom gas hydrate occurrence in the southern basin of the Lake Baikal, Eastern Siberia // VI Intern.
Conf. Gas in Marine Sediments. St. Petersburg (Russia), 2000, p. 91–93.
17. Minami H., Hachikubo A., Krylov A., Sakagami H., Ohashi M., Bai J., Kataoka S., Yamashita S.,
Takahashi N., Kitami H., Khlystov O., Zemskaya T., Grachev M. Chemical and isotopic characteristics of
gas hydrate- and pore- water samples obtained from gas hydrate-bearing sediment cores retrieved from a
mud volcano in the Kukuy canyon, lake Baikal // Proceedings of the 6-th International Conference on Gas
Hydrates (ICGH 2008), Vancouver, CANADA, 2008.
18. Seal R.R. II, Shanks W.C. III. Oxygen and hydrogen isotope systematics of Lake Baikal, Siberia:
implication for paleoclimate studies // Limnol. Oceanogr., 1998, v. 43, p. 1251–1261.
19. Shanks W.C. III, Callender E. Thermal springs in Lake Baikal // Geology, 1992, v. 20, p. 495–497.Вы также можете почитать
