Разложение газовых гидратов в осадочном чехле озера Байкал, вызванное изменением температуры его воды в голоцене

Исследуется изменение термобарического режима слоя гидратсодержащих отложений, вызванное повышением температуры придонной воды в озере Байкал в эпоху голоцена. Исследование выполняется путем решения задачи о фазовом переходе гидрат метана — метан-газ + вода. Показано, что газ, выделяющийся при диссоциации гидратов метана в пористой среде, чья исходная проницаемость типична для верхних слоев осадочного чехла на озере Байкале, не создает аномально высокого давления и успевает эффективно отфильтровываться из зоны разложения. В этом случае задача о фазовом переходе становится чисто тепловой. Ее численное решение позволяет легко оценивать смещения фазовой границы при повышении температуры воды в озере, а следовательно, и массу свободного газа, выделившегося при этом из гидрата. Результаты такого решения с использованием данных о глубине озера и мощности гидратсодержащего слоя во многих пунктах Южной и Центральной впадин озера показали, что величина удельной массы выделившегося газа, приходящейся на единичную площадь озера, изменяется от примерно 50 до 110 кг/м². Минимальные значения соответствуют максимальным как глубинам озера, так и мощностям гидратсодержащего слоя. Максимальные значения, напротив, соответствуют участкам с минимально возможными глубинами озера при минимальных там мощностях слоя с гидратами. Построены карты распределения таких масс. Общее количество метана, выделившегося в голоцене в осадках озера из газогидратов, оценивается приблизительно в 500 млн т (примерно 800 млрд м³ при нормальных условиях на поверхности). Это значение получено путем интегрирования вычисленных масс по площади двух областей в Южной и Центральной впадинах и последующей экстраполяции результатов на всю акваторию этих впадин (в осадках Северной впадины газогидраты отсутствуют).

1. Кононов Е.Е. Древние оледенения прибайкалья // Вестник ИрГТУ. 2014. № 10 (93). С. 91–98.

2. Ламакин В.В. Ледниковые отложения в береговой полосе Байкала // Труды Комиссии по изучению четвертичного периода. Т. XXI. М.: АН СССР, 1963. С. 126–147.

3. Grosswald М., Kuhle М. Impact of glaciations on Lake Baikal // IPPCCE. 1994. N 8. P. 48–60.

4. Шимараев М.Н., Мизандронцев И.Б. Реконструкция абиотических условий в Байкале в позднем плейстоцене и голоцене // Геология и геофизика. 2004. Т. 45, № 5. С. 557–564.

5. Imboden D.M. Deep Water Formation: the Physical Mystery of Lake Baikal // Abstracts of International meeting “Baikal as a natural laboratory for global change”. V. 1. Irkutsk: LISNA Publishers, 1994. P. 21.

6. 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.

7. 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.

8. Kvenvolden K.A. Gas hydrates — geological perspectives and global change. // Reviews of Geophysics. 1993. V. 31. P. 173– 187.

9. Sloan E.D., Jr., Koh C. Clathrate Hydrates of Natural Gases. Third edition. N.Y.: CRC Press, 2007. 758 p.

10. Гольмшток А.Я. Разломообразование и условия стабильности газовых гидратов в осадках озера Байкал // Физика Земли. 2014. № 4. С. 70–85.

11. Кузьмин М.И., Калмычков Г.В., Гелетий В.А. и др. Первая находка газовых гидратов в осадочной толще озера Байкал // Докл. РАН. 1998. Т. 362, № 4. С. 541–543.

12. 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.

13. Egorov A.V., Nigmatulin R.I., Rimskii-Korsakov N.A., Rozhkov A.N., Sagalevich A.M., Chernyaev E.S., Granin N.G., Zemskaya T.I., Khlystov O.M., Kalmichkov G.V. Gas hydrate hills on the bottom of Lake Baikal // Abstracts of 10th International Conference on Gas in Marine Sediments. 2010. Listvyanka. Р. 102–103.

14. Теркот Д., Шуберт Дж. Геодинамика. Геологические приложения физики сплошных сред. Ч. 2. М.: Мир, 1985. 360 с.

15. Дядин Ю.А. Супрамолекулярная химия: клатратные соединения // Соровский oбразовательный журнал. 1998. № 2. С. 79–88.

16. 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.

17. Гольмшток А.Я. Многоканальное сейсмическое профилирование, газовые гидраты и моделирование условий образования грязевых вулканов на озере Байкал // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2016. Т. 9, № 3. С. 18–31.

18. Bonacina C., Comini G., Fasano A., Primicerio M. Numerical solution of phase-change problems // Int. J. Heat Mass Transfer. 1973. V. 16. P. 1825–1832.

19. Баренблатт Г.И., Ентов В.М., Рыжик В.М. Движение жидкостей и газов в природных пластах. М.: Недра, 1984. 208 с.

20. 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.

21. 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.

22. Kozeny J. Ueber kapillare Leitung des Wassers in Boden // Sitzungsber Akad. Wiss. Wien. 1927. V. 136(2a). P. 271–306.

23. Carman P. Fluid flow through a granular bed // Trans. Inst. Chem. Eng. 1937. V. 15. P. 150–167.

24. Лейбензон Л.С. Движение природных жидкостей и газов в пористой среде. М. — Л.: ОГИЗ, 1947. 244 с.

25. COMSOL Multiphysics®3.5. 2008. License No:1034054.