hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Scienceshydrophysics-843Research ArticleФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ГИДРОФИЗИКИFUNDAMENTAL ISSUES OF HYDROPHYSICSМногоканальное сейсмическое профилирование, газовые гидраты и моделирование условий образования грязевых вулканов на озере БайкалMultichannel seismic profiling, gas hydrates and the numerical simulation of the mud volcanoes formation conditions in Lake BaikalГольмштокА. Я.GolmshtokA. Ya.golmshtok@gmail.comСанкт-Петербургский филиал Института океанологии им. П. П. Ширшова РАНРоссияSaint-Petersburg Department of the P. P. Shirshov Institute of Oceanology of RASRussian Federation201618112022931831Copyright © Гольмшток А.Я., 20222022Гольмшток А.Я.Golmshtok A.Y.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/843

Показано, что возникновение ундулирующей кажущейся сейсмической границы, выявленной в 1992 г. на озере Байкал, могло бы быть объяснено наличием здесь тепловой конвективной ячейки. Однако гипотеза о тектонической природе этого явления представляется более вероятной. Выполняется численное моделирование эволюции термогидродинамического режима грязевого вулкана «Маленький» на озере Байкал. Моделирование основано на решении задачи о фазовом переходе гидрат метана — метан-газ в пористой осадочной среде. Выбор адекватной модели и ее параметров осуществляется путем анализа данных многоканального сейсмического профилирования. Значительный приток воды в подводящий канал объясняется действием сдвиговых разломов. Выполненная оценка сверхгидростатического давления метана-газа, вызванного разложением гидратов метана, показала, что это давление невелико. Оно не может быть причиной образования трещин в придонных отложениях и последующего нисходящего движения по ним озерной воды. Предложен способ численной оценки как максимальной скорости втекающей в канал воды, так и возраста грязевых вулканов, формировавшихся в условиях разложения газовых гидратов. Применение этого способа позволило установить, в частности, что грязевой вулкан «Маленький» сформировался не ранее 6.4 и не позднее 5 тыс. лет тому назад при максимальной скорости воды, втекающей в канал снизу, равной 7.7±1.4 см/год.

It is shown, that such a phenomenon as the undulating bottom simulating reflector, which was revealed in 1992 in Lake Baikal, could be explained by the presence here of the thermal convection cell. However, the hypothesis of the tectonic origin of this phenomenon is more probable. The numerical modelling of the thermohydrodynamic regime evolution of the «Malenkij» mud volcano in Lake Baikal is carried out. It is based on solving of the problem of methane hydrate phase transition in porous sediments. The choice of an adequate model and its parameters is carried out by analyzing the data of the multichannel seismic profiling. The large inflow of water in the volcan channel might be explained by the action of shear faults. Estimations of the over-hydrostatic pressure of the methane-gas, generated by dissociation of methane hydrates, show that this pressure is low. It can not be the cause of the breaking of near-bottom sediments and subsequent downward flow of lake water along formed fractures. The method of simultaneous numerical evaluation both the maximum velocity of the water inflow into the channel and the age of the mud volcanoes, formed in the decomposition conditions of gas hydrates, is proposed. Using this method it was found, in particular, that the mud volcano «Malenkij» was formed not earlier than 6.4 and not later than 5 thousand years ago at the maximum velocity of the water inflow through the channel's base equal 7.7±1.4 cm/yr.

задача о фазовом переходегазогидратыразломообразованиетепловая конвекциясейсмическое профилированиеБайкалphase transition problemgas hydratesfaultingthermal convectionsiesmic profilingBaikalReferencesHutchinson D. R., Golmshtok A. Ya., Zonenshain L. P., Moore T. C., Scholz C. A., Klitgord K. D. Depositional and tectonic framework of the rift basins of Lake Baikal from multichannel seismic data // Geology. 1992. V. 20, N. 7. P. 589—592.Hutchinson D. R., Golmshtok A. Ya., Zonenshain L. P., Moore T. C., Scholz C. A., Klitgord K. D. Depositional and tectonic framework of the rift basins of Lake Baikal from multichannel seismic data // Geology. 1992. V. 20, N. 7. P. 589—592.Зоненшайн Л. П., Гольмшток А. Я., Хатчинсон Д. Р. Структура Байкальского рифта // Геотектоника. 1992. № 5. С. 63—77.Зоненшайн Л. П., Гольмшток А. Я., Хатчинсон Д. Р. Структура Байкальского рифта // Геотектоника. 1992. № 5. С. 63—77.Гольмшток А. Я., Дучков А. Д., Хатчинсон Д. Р., Ханукаев С. Б., Ельников А. И. Оценки теплового потока на озере Байкал по сейсмическим данным о нижней границе слоя газогидратов // Геология и геофизика. 1997. № 38. С. 1677—1691.Гольмшток А. Я., Дучков А. Д., Хатчинсон Д. Р., Ханукаев С. Б., Ельников А. И. Оценки теплового потока на озере Байкал по сейсмическим данным о нижней границе слоя газогидратов // Геология и геофизика. 1997. № 38. С. 1677—1691.Golmshtok A. Y., Duchkov A. D., Hutchinson D. R., Khanukaev S. B. Heat flow and gas hydrates of the Baikal Rift Zone // Int. J. Earth Sci. 2000. V. 89. P. 193—211.Golmshtok A. Y., Duchkov A. D., Hutchinson D. R., Khanukaev S. B. Heat flow and gas hydrates of the Baikal Rift Zone // Int. J. Earth Sci. 2000. V. 89. P. 193—211.Sloan E. D. Jr., Koh C. Clathrate Hydrates of Natural Gases. Third edition. N.Y.: CRC Press, 2007. 758 p.Sloan E. D. Jr., Koh C. Clathrate Hydrates of Natural Gases. Third edition. N.Y.: CRC Press, 2007. 758 p.Yamano M., Uyeda S., Aoki Y. et al. Estimates of heat flow derived from hydrates // Geology. 1982. V. 10 (7). P. 339—343.Yamano M., Uyeda S., Aoki Y. et al. Estimates of heat flow derived from hydrates // Geology. 1982. V. 10 (7). P. 339—343.Kvenvolden K. A. Gas hydrates — geological perspectives and global change // Reviews of Geophysics. 1993. V. 31. P. 173—187.Kvenvolden K. A. Gas hydrates — geological perspectives and global change // Reviews of Geophysics. 1993. V. 31. P. 173—187.Гинсбург Г. Д., Соловьев В. А. Субмаринные газовые гидраты. СПб.: ВНИИОкеангеология, 1994. 199 с.Гинсбург Г. Д., Соловьев В. А. Субмаринные газовые гидраты. СПб.: ВНИИОкеангеология, 1994. 199 с.Кузьмин М. И., Калмычков Г. В., Гелетий В. Ф. и др. Первое обнаружение газогидратов в осадках озера Байкал // Докл. РАН. 1998. Т. 362, № 4. С. 541—543.Кузьмин М. И., Калмычков Г. В., Гелетий В. Ф. и др. Первое обнаружение газогидратов в осадках озера Байкал // Докл. РАН. 1998. Т. 362, № 4. С. 541—543.Matveeva T. V., Mazurenko L. L., Soloviev V. A., Klerkx J., Kaulio V. V., Prasolov E. M. Gas hydrate accumulation in the subsurface sediments of Lake Baikal (Eastern Siberia) // Geo-Marine Letters. 2003. N. 23/3–4. P. 289—299.Matveeva T. V., Mazurenko L. L., Soloviev V. A., Klerkx J., Kaulio V. V., Prasolov E. M. Gas hydrate accumulation in the subsurface sediments of Lake Baikal (Eastern Siberia) // Geo-Marine Letters. 2003. N. 23/3–4. P. 289—299.Dе Batist M., Klerkx J., van Rensbergen P., Vanneste M., Poort J., Golmshtok A., Kremlev A., Khlystov O., Krinitsky P. Active Hydrate Destabilization in Lake Baikal, Siberia // Terra Nova. 2002. V. 14(6). P. 436—442.Dе Batist M., Klerkx J., van Rensbergen P., Vanneste M., Poort J., Golmshtok A., Kremlev A., Khlystov O., Krinitsky P. Active Hydrate Destabilization in Lake Baikal, Siberia // Terra Nova. 2002. V. 14(6). P. 436—442.Van Rensbergen P., De Batist M., Klerkx J., Hus R., Poort J., Vanneste M., Granin N., Khlystov O., Krinitsky P. Sublacustrine mud volcanoes and methane seeps caused by dissociation of gas hydrates in Lake Baikal // Geology. 2002. V. 30. P. 631—634Van Rensbergen P., De Batist M., Klerkx J., Hus R., Poort J., Vanneste M., Granin N., Khlystov O., Krinitsky P. Sublacustrine mud volcanoes and methane seeps caused by dissociation of gas hydrates in Lake Baikal // Geology. 2002. V. 30. P. 631—634Vanneste M., Poort J., De Batist M., Klerkx J. Atypical heat-flow near gas hydrate irregularities and cold seeps in the Baikal Rift Zone // Marine and Petroleum Geology. 2003. V. 19. P. 1257—1274.Vanneste M., Poort J., De Batist M., Klerkx J. Atypical heat-flow near gas hydrate irregularities and cold seeps in the Baikal Rift Zone // Marine and Petroleum Geology. 2003. V. 19. P. 1257—1274.Klerkx J., De Batist M., Poort J., Hus R., Van Rensbergen P., Khlystov O., Granin N. Tectonically controlled methane escape in Lake Baikal // Advances in the geological storage of carbon dioxid: international approaches to reduce anthropogenic greenhouse gas emissions. 2006. V. 65. P. 203—219.Klerkx J., De Batist M., Poort J., Hus R., Van Rensbergen P., Khlystov O., Granin N. Tectonically controlled methane escape in Lake Baikal // Advances in the geological storage of carbon dioxid: international approaches to reduce anthropogenic greenhouse gas emissions. 2006. V. 65. P. 203—219.Теркот Д., Шуберт Дж. Геодинамика. Геологические приложения физики сплошных сред. Ч. 2. М.: Мир, 1985. 360 с.Теркот Д., Шуберт Дж. Геодинамика. Геологические приложения физики сплошных сред. Ч. 2. М.: Мир, 1985. 360 с.Athy L. F. Density, porosity and compaction of sedimentary rocks // Am. Assoc. Pet. Geol. Bull. 1930. V. 14. P. 1—24.Athy L. F. Density, porosity and compaction of sedimentary rocks // Am. Assoc. Pet. Geol. Bull. 1930. V. 14. P. 1—24.Allen P. A., Allen J. R. Basin Analysis. Principles and Applications. Oxford: Blackwell Scientific Publications, 2005. 549 p.Allen P. A., Allen J. R. Basin Analysis. Principles and Applications. Oxford: Blackwell Scientific Publications, 2005. 549 p.Sultan N., Foucher J. P., Cochonat P., Tonnerre T., Bourillet J. F., Ondreas H., Cauquil E., Grauls D. Dynamics of gas hydrate: case of the Congo continental slope // Marine Geology. 2004. V. 206. P. 1—18.Sultan N., Foucher J. P., Cochonat P., Tonnerre T., Bourillet J. F., Ondreas H., Cauquil E., Grauls D. Dynamics of gas hydrate: case of the Congo continental slope // Marine Geology. 2004. V. 206. P. 1—18.Гольмшток А. Я. Разломообразование и условия стабильности газовых гидратов в осадках озера Байкал // Физика Земли. 2014. № 4. С. 70—85.Гольмшток А. Я. Разломообразование и условия стабильности газовых гидратов в осадках озера Байкал // Физика Земли. 2014. № 4. С. 70—85.Scholz C. A., Hutchinson D. R. Stratigraphic and Structural Evolution of the Selenga Delta Accommodation Zone, Lake Baikal Rift, Siberia // Int. J. Earth Sci. 2000. V. 89. P. 212—228.Scholz C. A., Hutchinson D. R. Stratigraphic and Structural Evolution of the Selenga Delta Accommodation Zone, Lake Baikal Rift, Siberia // Int. J. Earth Sci. 2000. V. 89. P. 212—228.Дядин Ю. А. Супрамолекулярная химия: клатратные соединения // Соровский Образовательный Журнал. 1998. № 2. С. 79—88.Дядин Ю. А. Супрамолекулярная химия: клатратные соединения // Соровский Образовательный Журнал. 1998. № 2. С. 79—88.Нигматулин Р. И., Шагапов В. Ш., Насырова Л. А. «Тепловой удар» в пористой среде, насыщенной газогидратом // Доклады РАН. 1999. Т. 366, № 3. С. 337—340.Нигматулин Р. И., Шагапов В. Ш., Насырова Л. А. «Тепловой удар» в пористой среде, насыщенной газогидратом // Доклады РАН. 1999. Т. 366, № 3. С. 337—340.Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. М.–Л.: ГИТТЛ, 1940. 223 с.Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. М.–Л.: ГИТТЛ, 1940. 223 с.Bonacia C., Comini G., Fasano A., Primicerio M. Numerical solution of phase-change problems // Int. J. Heat Mass Transfer. 1973. V. 16. P. 1825—1832.Bonacia C., Comini G., Fasano A., Primicerio M. Numerical solution of phase-change problems // Int. J. Heat Mass Transfer. 1973. V. 16. P. 1825—1832.Kozeny J. Ueber kapillare Leitung des Wassers in Boden // Sitzungsber Akad. Wiss. Wien. 1927. V. 136(2a). P. 271—306.Kozeny J. Ueber kapillare Leitung des Wassers in Boden // Sitzungsber Akad. Wiss. Wien. 1927. V. 136(2a). P. 271—306.Carman P. Fluid flow through a granular bed // Trans. Inst. Chem. Eng. 1937. V. 15. P. 150—167.Carman P. Fluid flow through a granular bed // Trans. Inst. Chem. Eng. 1937. V. 15. P. 150—167.Лейбензон Л. С. Движение природных жидкостей и газов в пористой среде. М.-Л.: ОГИЗ, 1947. 244 с.Лейбензон Л. С. Движение природных жидкостей и газов в пористой среде. М.-Л.: ОГИЗ, 1947. 244 с.Чекалюк Э. Б. Термодинамика нефтяного пласта. М.: Недра, 1965. 236 с.Чекалюк Э. Б. Термодинамика нефтяного пласта. М.: Недра, 1965. 236 с.Баренблатт Г. И., Ентов В. М., Рыжик В. М. Движение жидкостей и газов в природных пластах. М: Недра, 1984. 208 с.Баренблатт Г. И., Ентов В. М., Рыжик В. М. Движение жидкостей и газов в природных пластах. М: Недра, 1984. 208 с.Максимов А. М., Якушев В. С., Чувикин Е. Н. Оценка возможностей выбросов газа при разложении газовых гидратов // Докл. РАН. 1997. Т. 352, № 4. С. 532—534.Максимов А. М., Якушев В. С., Чувикин Е. Н. Оценка возможностей выбросов газа при разложении газовых гидратов // Докл. РАН. 1997. Т. 352, № 4. С. 532—534.Нигматулин Р. И., Шагапов В. Ш., Сыртланов В. Р. Автомодельная задача о разложении газогидратов в пористой среде при депрессии и нагреве // Прикладная механика и техническая физика. 1998. Т. 39, № 3. С. 111—118.Нигматулин Р. И., Шагапов В. Ш., Сыртланов В. Р. Автомодельная задача о разложении газогидратов в пористой среде при депрессии и нагреве // Прикладная механика и техническая физика. 1998. Т. 39, № 3. С. 111—118.Rice J. R., Cleary M. P. Some basic stress-diffusion solutions for fluid-saturated elastic porous media with compressible constituents // Reviews of Geophysics and Space Physics. 1976. V. 14. P. 227— 241.Rice J. R., Cleary M. P. Some basic stress-diffusion solutions for fluid-saturated elastic porous media with compressible constituents // Reviews of Geophysics and Space Physics. 1976. V. 14. P. 227— 241.COMSOL Multiphysics . 2008. License No:1034054.COMSOL Multiphysics . 2008. License No:1034054.Семинский К. Ж., Карабанов Е. Б., Кузьмин М. И. Тектонические нарушения осадков озера Байкал (по материалам исследования бурового керна BDP-98) // Геология и геофизика. 2001. Т. 42, № 1—2. С. 308—318.Семинский К. Ж., Карабанов Е. Б., Кузьмин М. И. Тектонические нарушения осадков озера Байкал (по материалам исследования бурового керна BDP-98) // Геология и геофизика. 2001. Т. 42, № 1—2. С. 308—318.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.