В статье приведены результаты многолетних комплексных газокриологических исследований в угленосных бассейнах Восточной Арктики и Северо-Востока России. Комплексно изучены мощность и морфологические особенности мерзлоты, температурные показатели, состав газа и его генезис, газоносность угольных пластов и вмещающих пород, газопроницаемость углепородного массива, геологические условия миграции газов в мерзлых угленосных толщах. В угленосных бассейнах установлена сезонная инерционность газовыделений в подпочвенный слой и пульсационный характер газовыбросов в атмосферу.

Ключевые слова: уголь, бассейн, газ, метан, генезис, мерзлота, газоносность, зональность, газопроницаемость, миграция, Восточная Арктика, Северо-Восток

ВВЕДЕНИЕ

Специфической особенностью угленосных бассейнов Восточной Арктики и Северо-Востока России является развитие на их площади многолетней мерзлоты. Большинство из них (Ленский, Зырянский, Анюйский, Анадырский, Беринговский, Аркагалинский и др.) по значениям природной метаноносности угольных пластов (до 15–30 м³/т на глубинах 600-1200 м) и перспективных для извлечения ресурсов сорбированного, свободного и растворенного метана (4.4 трлн. м³) соответствует понятию углеметановых бассейнов – крупнейших генерационно-аккумулятивных «хранилищ» метана, углекислого газа, углеводородных газов, водорода и основных источников выбросов парниковых газов в атмосферу региона. Установлено, что успешное и газобезопасное развитие геологоразведочных и угледобычных работ в углеметановых бассейнах невозможно без теоретического осмысливания накопленного фактического материала и выявления всего комплекса геологических и геокриологических условий, определяющих компонентный состав природного газа и его генезис, газовую зональность, газоносность (метаноносность) угольных пластов и вмещающих пород. Обобщение и сравнительный научный анализ имеющихся материалов, выявление индивидуальных геокриологических условий, особенностей распределения и миграции газов в толще многолетнемерзлых пород (ТММП) позволяют приблизиться к реальному пониманию геоэкологической природы газовыбросов в атмосферу Восточной Арктики и Северо-Востока России. Освещению этих актуальных проблем посвящена настоящая работа.

МЕТОДЫ И ОБЪЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В основу работы положены данные термометрических скважин, оснащенных терморезисторами от устья до забоя, в целевых районах газокриологических исследований Ленского, Лаптевско-Янского, Зырянского, Аркагалинского, Омсукчанского, Анадырского и Беринговского и других угленосных бассейнов Восточной Арктики и Северо-Востока России. Исследования проводились в комплексе с методами прямого определения газоносности керногазонаборниками (КГН), пластоиспытателями, изучения свободных газопроявлений и газопроницаемости пород в соответствии с действующими нормативными методиками и руководствами [Инструкция…, 1977; Руководство…, 1987]. В сопоставительном газокриологическом анализе использованы данные более 1000 скважин. Изучение газокриологических показателей в ТММП проводилось в скважинах поверхностного бурения в комплексе с методом подпочвенных газовых съемок и газогеохимических исследований приземной атмосферы целевых угленосных районов. В горных выработках шахт Сангарской, Анадырской, Беринговской и Кадыкчанской в 32 подземных скважинах и 76 шпурах проведены термометрические и газовые исследования в мерзлых и талых углепородных массивах с применением газоиспытателей, образцовых микроманометров, расходомеров и термометров, результаты которых были исходными показателями расчета газопроницаемости по методике ВостНИИ [Чернов, Пузырев, 1979].

Хроматографические работы выполнялись в лабораториях Тихоокеанского океанологического института им. В.И.Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) и ООО «Дальвостуглеразведка» на хроматографах ЛХМ-80, Газохром 3101 и Кристалл Люкс 4000М. Изотопные исследования выполнены в Дальневосточном геологическом институте ДВО РАН (А.В. Игнатьевым), МГА (О.И. Кропотовой) и Университета Хоккайдо (Urumu Tsunogai).

ГАЗОКРИОЛОГИЧЕСКОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ УГЛЕНОСНЫХ БАССЕЙНОВ

Исследованные бассейны расположены в районах развития сплошной, прерывистой и массивно-островной мерзлоты (рис. 1). В бассейнах установлена незначительная прерывистость многолетнемерзлых толщ по мощности и площади, непрерывное существование мерзлоты на протяжении 200–500 тыс. лет. Бассейны характеризуются значительной изменчивостью мощности ТММП – от 20 до 650 м, температуры ММП – от –0.5 до –10.2°С, геотермического градиента – от 1.3 до 4.9°С/100 м (табл. 1) и метаноносности угольных пластов – от 1–8 м³/т в мерзлоте и до 30 м³/т в талых отложениях (до глубин 600–1200 м). Перспективные для извлечения и промышленного использования ресурсы метана составляют в углеметановых бассейнах 4.37 трлн. м³. В бассейнах зафиксировано около 2200 газопроявлений, суфляров¹ и выбросов газа² [Гресов, 2012; Угольная база…, 1999].

Суфляр¹ – длительное выделение газа (метана) из трещин и пустот угленосной толщи с дебитом газа 1 м³/мин и более на участке горной выработки (скважины) длиной (интервалом глубин) 20 м (10 м).

Выброс газа² – внезапное интенсивное выделение газа из горной выработки (скважины) при вскрытии мощного природного коллектора газа под большим газовым давлением, как правило, более 1 МПа и дебитом газа более 3 м³/мин.

Площади сплошного распространения мерзлоты в исследованных бассейнах занимают более 90% их территории. Мерзлота прерывается только на участках питания и разгрузки подмерзлотных вод, приуроченных к долинам рек (Лена, Оленек, Вилюй, Алдан, Индигирка, Анадырь, Колыма, Аркагала и др.). В общем площадном развитии ММП интенсивно проявляются азональные особенности, не зависящие от географической широты местности и выражающиеся в резкой изменчивости температур мерзлых пород и их мощности на коротких расстояниях, связанной с повсеместным развитием углегазоносных формаций. Для площадей, сложенных углегазоносными отложениями, характерны мощности мерзлоты 100–320 м, безугольными – 180–650 м. Данный факт объясняется, по-видимому, тем, что геотермический градиент в углегазоносных отложениях в 1.5–2 раза превышает аналогичные показатели в безугольных толщах [Угольная база…, 1999]. Метаноносность мерзлых угольных пластов достигает 6–8 м³/т, талых – 8–30 м³/т; вмещающих пород – до 1–2 и 2–4 м³/т соответственно. В угленосных бассейнах на площадях развития сплошной мерзлоты зафиксировано более 1500 газопроявлений, суфляров и выбросов газа [Гресов, 2012; Угольная база…, 1999].

Площади распространения прерывистой мерзлоты составляют 8% территории исследований, на которой в бассейнах многолетней мерзлотой занято 60–90% их площади. Прерывистость мерзлоты определяется формированием таликов гидрологического, гидрогеологического и радиационного происхождения. Мощность ТММП составляет 20–160 м, температура пород на подошве слоя годовых колебаний поднимается до минус 1.8–3.2°С. ММП приурочены к торфяникам, заболоченным маревым участкам пойм и склонам северной экспозиции; талики – к долинам, водоразделам, южным склонам рельефа. Метаноносность мерзлых угольных пластов не превышает 1–6 м³/т, вмещающих пород – 1.5 м³/т; талых – 6–20 и 2–3 м³/т соответственно. В бассейнах на площадях развития прерывистой мерзлоты зафиксировано более 500 газопроявлений, суфляров и единичных выбросов газа [Гресов, 2012; Криогидрогеологические …, 1985; Региональные…, 1983; Угольная база…, 1999].

На площадях развития массивно-островной мерзлоты в пределах бассейнов Тихоокеанского побережья (см. рис. 1) мощность ТММП составляет 5–50 м, температура пород на подошве слоя не превышает –1.8°С (Тайгоносский, Западно-Камчатский, Олюторский и др.). Метаноносность мерзлых угольных пластов варьирует в пределах 0.5–2.5 м³/т, вмещающих пород – 0.1–0.5 м³/т; талых – 2–12 и 0.5–1.2 м³/т соответственно. В бассейнах зафиксировано около 100 свободных газопроявлений [Гресов, 2012; Угольная база…, 1999].

В целом, в угленосных бассейнах региона наблюдается снижение абсолютной мощности мерзлоты и возрастание степени ее прерывистости в восточном направлении к Тихоокеанскому побережью (см. рис. 1).

СОСТАВ И ГЕНЕЗИС ГАЗОВ, ГАЗОВАЯ ЗОНАЛЬНОСТЬ И ГАЗОНОСНОСТЬ

Характерной особенностью газовой зональности в исследованных бассейнах является почти повсеместное отсутствие в ММП зон азотно-углекислых и углекисло-азотных газов. Горизонты полной деметанизации угленосных толщ в бассейнах Восточной Арктики и Северо-Востока России практически отсутствуют. По преобладанию того или иного газового компонента в природном газе угленосных отложений в исследованных бассейнах выделяются три основные газовые зоны: метано-азотных (СН₄ менее 50%), азотно-метановых (СН₄ – 50–80%) и метановых (СН₄ более 80%) газов. В соответствии с классификацией А.И. Кравцова [Газоносность…, 1979] доминирующий газ в зоне поставлен на второе место.

Зона метано-азотных газов имеет развитие в мерзлых угленосных отложениях исследованных бассейнов в интервале глубин 0–250 м (табл. 2).

К характерным особенностям углеметановых бассейнов региона относится формирование аномальных концентраций метана в приповерхностном горизонте. В Южно-Якутском бассейне концентрации метана в угольных пластах на Сыллахском, Нерюнгринском, Чульманском, Денисовском и Эльгинском месторождениях изменяются от 0.3 до 3% в интервале глубин 3–10 м; в Ленском – на Джебарики-Хайском, Сангарском, Чечумском – от 0.5 до 12.5% в интервале глубин 8–16 м; в Зырянском – на Харангском и Эрозионном – от 3 до 8% на глубинах 8–14 м, на Буоркемюсском – 18–30% в интервале глубин 10–15 м; в Беринговском – на месторождениях Бухты Угольной, Амаамском и Алькатваамском – от 0.3 до 9.4% на глубинах 2–18 м [Гресов, 2012]. В исследованных бассейнах в зонах выходов угольных пластов, разломов и тектонических нарушений под четвертичные отложения установлены «факельные» выбросы метана в атмосферу (рис. 2–5).

В Беринговском, Ленском и других бассейнах в интервале глубин 20–40 м в скважинах и дневной поверхности (рис. 2, 3, 5) установлены свободные газопроявления с концентрациями метана до 24–47% и дебитом газа до 0.1 м³/мин. В горных выработках шахт Нагорной, Сангарской, Джебарикихайской и разрезе Буоркемюсском содержание метана в свободных газопроявлениях на глубинах 12–40 м составляло 2.4–47.6%, в последних зафиксированы выбросы, вспышки и взрывы метана. На поле шахты Кадыкчанской свободные газопроявления из мерзлых угленосных отложений зафиксированы на глубинах 15–40 м.

Состав газа газопроявлений показывает, что в первом случае они связаны с проникновением воздуха и окислением углистого вещества вмещающих пород (скв. 102, 1476, 2323 и др., СН₄ – 1.8–2.7%, СО₂ – до 14.4%, О₂ – 17.8–19.9%; дебит газа до 0.1 м³/мин), в другом – с угольными пластами (скв. 2393, 2741 и др. – СН₄ – 40–55%, дебит газа – 0.3 до 0.9 м³/мин). Интенсивность газопроявлений и суфляров, концентраций метана значительно возрастает в зонах развития тектонических нарушений (скв. 176, людской ходок 329 пласта Первого и др., СН₄ до 83.0%, дебит газа до 4.0 м³/мин) [Гресов, 2012].

Таким образом, зона метано-азотных газов в исследованных углеметановых бассейнах характеризуется максимальной изменчивостью концентраций метана в угольных пластах и вмещающих породах вследствие совмещения процессов поступления газов воздушного происхождения, дегазации угленосной толщи и миграции метана глубоких горизонтов по зонам разломов и тектонических нарушений.

Метаноносность угольных пластов в зоне метано-азотных газов в Ленском бассейне изменяется в пределах 0.01–2.02 м³/т, Беринговском – 0.04–2.48, Анадырском – 0.03–1.34, Аркагалинском – 0.09–1.96 и Зырянском – 0.16–2.84 м³/т. Метаноносность вмещающих пород в бассейнах не превышает 0.5 м³/т. В составе газов угленосных отложений также присутствуют: СО₂ до 0.1–64.4% (до 1.98 м³/т), Н₂ – до 1.1% (до 0.03 м³/т), Не – до 0.012%, УВГ – до С₆ включительно, в сумме до 0.64–0.92%, аргон – 0.48–0.74% и азот – до 97.4%. В Анадырском и Беринговском бассейнах установлены проявления Н₂S (до 0.0124%), Зырянском – СО (0.024%) на участках эндогенных подземных пожаров [Газоносность…, 1979; Гресов и др., 2010; Гресов, 2012; Угольная база…, 1999]. Молекулярная масса углеводородной фракции (Мув) УВГ угольных пластов и вмещающих пород изменяется от 16.04 до 17.25 г/моль. Максимальные значения Мув установлены в зонах разломов и их апофизов. Изотопный состав углерода (δ ¹³С) метана угленосных отложений в Беринговском, Анадырском, Ленском, Зырянском и Анюйском (верховье р. Большой Хомус-Юрях) бассейнах изменяется от –38.1 до –93.9‰, углекислого газа – от –21.0 до –58.2‰ [Газоносность…, 1979; Гресов, 2012; Ривкина и др., 2006; Угольная база…, 1999; Чернов и Пузырев, 1979]. Такие значения Мув и изотопные показатели (δ ¹³С) характерны для газов современных осадков (аналог – болотный метан, 16.04 г/моль), газов угленосных отложений (16.2–16.3), газовых залежей (Ленский, Зырянский и другие бассейны, 16.4–16.5), газов магматических образований (Омсукчанский, Чаун-Чукотский, 16.5–16.6), газов конденсатно-газовых и газоконденсатных залежей (Ленский, Южно-Якутский, Зырянский и другие, 17.2–17.3) [Гресов, 2011]. В целом, в зоне присутсвуют газы атмосферного, биохимического, бактериального, магматического происхождения с доминированием углеметаморфогенных газов, в большинстве случаев с примесью газов подстилающих нефтегазоносных и газонасыщенных отложений. Изотопные исследования подтверждают полигенезисный характер распределения природных газов в зоне.

Зона азотно-метановых газов (с содержанием СН₄ 50–80%) развита в мерзлых угленосных отложениях исследованных угольных бассейнов в интервале глубин 30–300 м и также характеризуется многочисленными газопроявлениями, суфлярами и единичными выбросами газа с содержанием метана 50–76% (см. рис. 2, 3, 5) и дебитом газа 0.1–4 м³/мин. Метаноносность угольных пластов Ленского бассейна изменяется в пределах 0.5–3.8 м³/т, Беринговского – 1.1–5.2, Анадырского – 0.3–2.8, Аркагалинского – 1.2–3.8, Омсукчанского – 1.9–5.4 и Зырянского – 2.2–5.8 м³/т. Метаноносность вмещающих пород подзоны в бассейнах не превышает 1.5 м³/т (углистые аргиллиты). В составе газов подзоны также содержатся: СО₂ до 0.1–9.4% (до 0.42 м³/т), Н₂ – до 2–.5% (до 0.28 м³/т), Не – до 0.034%, УВГ – до С₆ включительно в сумме до 0.72–1.84% (до 0.12 м³/т), аргон и азот.

Мув УВГ изменяется от 16.09 до 17.48 г/моль. Изотопный состав углерода метана в угленосных отложениях зоны азотно-метановых газов изменяется от –32.4 до –68.2‰, углекислого газа – от –12.0 до 38.9‰. Данные значения Мув и изотопные показатели (δ¹³С) указывают на присутствие в подзоне смешанных газов различного генезиса, в том числе углеметаморфогенных, газов магматических образований (Омсукчанский бассейн, δ¹³С СО₂, –12.0‰; Мув – 16.5–16.6) и биохимического происхождения, газов подстилающих нефтегазоносных и газонасыщенных отложений (Ленский, Зырянский, Анадырский и другие бассейны) [Алексеев и др., 1981; Гресов и др., 2010; Гресов, 2011; 2012; Краев, 2010; Нефтегазоносность…, 1998; Региональные…, 1983; Худяков, 1986].

Зона метановых газов (концентрации СН₄ ≥ 80%) распространена в угленосных отложениях интервала глубин 40–300 м и расположена в пределах нижней границы мерзлоты (НГМ). Зона характеризуется интенсивной трещиноватостью, которая развита как в сторону многолетней мерзлоты, так и в сторону отложений с положительными температурами на 20–80 м. Средняя глубина расположения верхней границы зоны варьирует в пределах 100–220 м (см. табл. 2). В зоне зафиксировано более 1500 свободных газопроявлений, суфляров и выбросов газа с концентрациями метана до 98.7% и дебитом газа до 15.5 м³/мин. Специфическая особенность зоны – формирование практически во всех углеметановых бассейнах скоплений и залежей свободного газа в необводненной подмерзлотной толще зон «сухих» таликов, расположенных выше статического уровня подземных вод, с концентрациями метана до 98% и метаноносностью угольных пластов 7–11 м³/т (см.рис. 2–4), представляющие серьезную опасность при их вскрытии горными работами (прорывы и выбросы газа). При расположении статического уровня подземных вод выше НГМ в верхнем подмерзлотном водоносном горизонте формируются скопления и залежи растворенного СН₄ с метанонасыщенностью до 0.2 м³/м³, представляющие в ряде случаев промышленный интерес. Перспективные для извлечения ресурсы свободного и растворенного метана зон «сухих» таликов и подмерзлотного водоносного горизонта в исследованных углеметановых бассейнах Восточной Арктики и Северо-Востока России составляют около 20 млрд. м³ [Гресов, 2012].

Концентрации СН₄ в угольных пластах в пределах НГМ и подмерзлотного горизонта зоны метановых газов (20–80 м талых пород) в Ленском бассейне достигают 87% (6.0 м³/т), Беринговского – 90 (7.1 м³/т), Анадырского – 82 (3.4 м³/т), Омсукчанского – 94.2 (7.8 м³/т) Аркагалинского – 98.7 (7.0 м³/т) и Зырянского – 92.8% (7.9 м³/т). В составе газов зоны присутствуют: СО₂ – 0.1–3.4% (0.2 м³/т), Н₂ – до 0.64%, Не – до 0.024%, УВГ – (до С₆) в сумме до 2.52–3.84% (Беринговский, Зырянский и Ленский бассейны), аргон и азот. Мув УВГ мерзлых угленосных отложений в пределах НГМ изменяется от 16.09 до 17.62 г/моль, талых (подмерзлотного горизонта) – 16.08–17.76. Изотопный состав углерода (δ ¹³С) метана в исследованных бассейнах изменяется в зоне от –27.6 (Ленский бассейн) до –62.8‰, углекислого газа – от –9.7 (Омсукчанский) до –38.9‰. Газогеохимическими и изотопными исследованиями в зоне метановых газов установлено присутствие газов биохимического происхождения (связанные, вероятно, с подземными водами верхнего подмерзлотного водогазонасыщенного горизонта), углеметаморфогенных, магматогенных газов, газов нефтегазоносных и газонасыщенных отложений [Алексеев и др., 1981; Газоносность…, 1979; Гресов и др., 2010; Гресов, 2011; 2012; Угольная база…, 1999; Худяков, 1986].

По отношению к угленосным толщам природные газы исследованных угольных бассейнов и месторождений региона подразделяются на сингенетические и миграционные.

К сингенетическим относятся газы, образовавшиеся при региональном и регионально-термальном метаморфизме угля и углистого вещества вмещающих пород. Газы этой группы составляют основную часть газового баланса угленосных отложений зоны криогенеза. К этому же типу относятся УВГ, Н₂ и другие газы, образовавшиеся в угленосной толще при контактово-термальном и контактово-термально-динамическом метаморфизме углистого вещества вмещающих пород и угольных пластов. К сингенетическим также относятся и природные газы, образованные в процессе химических, биохимических реакций и жизнедеятельности бактерий.

К миграционным относятся газы, поступающие в угленосные толщи из атмосферы и подстилающих отложений (фундамента). По генезису это атмосферные, магматические, метаморфические, радиогенные и др. Атмосферные газы проникают в угленосные толщи на значительную глубину (до 100–200 м) и развиты в пределах зоны метано-азотных и азотно-метановых газов. Магматические газы присутствуют в бассейнах с проявлением магматической деятельности. Магматические миграционные газы подразделяются на древние, привнесенные в угленосную толщу при внедрении интрузий (совозрастных с угленосной толщей), и субсовременные, мигрирующие из глубинных магматических очагов или связанные с неомагматизмом. К радиогенному типу природных миграционных газов кроме гелия и радона относятся газы, образовавшиеся за счет радиоактивного распада на большой глубине и поступившие в угленосные толщи из подстилающих отложений и фундамента по зонам разломов и крупных тектонических нарушений. К миграционным газам также относятся УВГ, мигрирующие из подстилающих нефтегазоносных и газонасыщенных отложений.

ГАЗОДИНАМИКА МЕРЗЛЫХ УГЛЕНОСНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ

Исследованиями установлено, что низкая теплопроводность, высокая теплоемкость и газопроницаемость угольных пластов – важнейшие геоэкологические факторы, оказывающие влияние на мощность мерзлоты, распределение природных газов и величину метанового потока. В результате этих различий в ТММП показатели газопроницаемости, теплового и метанового потоков в углепородном массиве характеризуются резко изменчивыми показателями (0.05–4.8 мкм², 20–130 мВт/с · м² и 8.5–47808 мг/м² · сут.) [Буров и Гресов, 2011; Гресов, 2012], максимумы которых приурочены к кровле и почве угольных пластов, по которым осуществляется основная миграция (газоперенос) метана в тектонически ненарушенных угленосных отложениях. Высокая угленасыщенность Ленского (более 100 угольных пластов), Южно-Якутского (194–224), Зырянского (147–193) и других бассейнов обусловливает резкое возрастание вышеуказанных показателей в угленосных отложениях. Причем в мощных угольных пластах Южно-Якутского (до 79 м), Омсукчанского (39), Аркагалинского (32), Лаптевско-Янского (19), Зырянского (14), Ленского (до 13 м) бассейнов [Угольная база…, 1999] создается наиболее контрастная картина изменчивости газопроницаемости и метанового потока.

Основные пути миграции метана в сложнодислоцированных углепородных массивах – зоны разломов и тектонических нарушений, газопроницаемость которых на порядок выше, чем в ненарушенных блоках. Зоны сквозных таликов выполняют аналогичную функцию в процессах миграции и дегазации угленосных толщ (см. рис. 5).

Газопроницаемость верхнего горизонта зоны метано-азотных газов (0–30 м) Беринговского, Анадырского, Аркагалинского, Зырянского, Южно-Якутского и Ленского бассейнов варьирует в пределах от 0.002 до 3.5 мкм² и зависит от сезонных условий. В бассейнах установлена сезонная инерционность процессов выделения метана в подпочвенный слой подзоны. Весной происходит прогрев и медленное протаивание подзоны с относительно минимальной ее метановой разгрузкой и постепенным увеличением метановыделения к летнему периоду. Максимум выделений СН₄ наблюдается в сентябре-октябре месяцах, минимум – зимой. В зонах выходов угольных пластов и таликов, разломов и тектонических нарушений под четвертичные отложения формируются участки аномальных концентраций метана и его выбросов в атмосферу (см. рис. 2–5). Установлено [Буров и Гресов, 2011; Гресов, 2012; Краев, 2010], что в Беринговском бассейне выбросы СН₄ в атмосферу за тридцатилетний период исследований в среднем составляют 48 млн. м³/год, Аркагалинском, Лаптевско-Янском – по 15, Анадырском – 50, Омсукчанском – 5, Зырянском – 300, Южно-Якутском – 750 млрд. м³/год, в Ленском – более 3 млрд. м³/год; всего в сумме более 4 млрд. м³/год (3.2 млн. т/год).

Газопроницаемость отложений зон азотно-метановых и метановых газов в значительной степени зависит от интенсивности развития тектонической нарушенности и расположения уровня подмерзлотных вод. Газопроницаемость угольных пластов Ленского (Сангарское месторождение), Беринговского (Бухты Угольной) и Аркагалинского (Нижне-Аркагалинское) бассейнов изменяется от 0.004 до 4.8 мкм², вмещающих пород – 0.001–1.06 мкм². Следует отметить, что значения газопроницаемости углей и вмещающих пород, определенные в лабораторных условиях, как правило, на порядок ниже ее показателей, установленных в природных условиях в горных выработках шахт. Данный факт объясняется тем, что в первом случае протекают процессы поровой диффузии газа в однородном монолите, во втором – поровой, трещинной и смешанного типа в разнородной литологической среде углепородного массива.

К началу образования многолетней мерзлоты (нижний плейстоцен) в бассейнах региона сформировалась газоносность угольных пластов и вмещающих пород. При постепенном промерзании отложений под НГМ осуществлялся интенсивный газо-водообмен. Вследствие того, что подмерзлотная зона в период промерзания была изолирована от влияния атмосферы, а угленосные толщи обладали достаточным газовым потенциалом, то в них в определенный срок регенерировалась зона метановых газов, которая при дальнейшем промерзании входила во внутреннюю зону ТММП. В соответствии с тем, что данная зона не обладает достаточным экранирующим эффектом, метаморфогенные газы (водород, метан, и другие УВГ) мигрировали к поверхности, где в определенных условиях газообмена смешивались с атмосферными газами. После стабилизации криогенных процессов в угленосных отложениях в зоне многолетнемерзлых пород происходила достаточно существенная их деметанизация. Восполнение потерь СН₄ происходило за счет подтока газов из нижележащих угленосных горизонтов и подстилающих угленосную толщу газонефтегазонасыщенных отложений как по зонам разломов и крупных тектонических нарушений, так и в процессе их диффузии. Тектоническая нарушенность, расположение НГМ и уровня подмерзлотных вод в значительной мере предопределяют миграционные процессы в ММП.

А. При отсутствии разрывных нарушений и контактном залегании подмерзлотных вод часть угленосных отложений зоны метановых газов, имеющая развитие в сторону ММП, наиболее льдонасыщенна. В связи с этим процессы дегазации затруднены из-за низкой газопроницаемости, а скапливающийся в талой части этой подзоны метан не может мигрировать к поверхности. В данном случае НГМ является «экраном» для газа.

При бесконтактном залегании подмерзлотных вод угленосные отложения зоны метановых газов при образовании криогенных трещин в некоторый временной период пропускают газ в ММП. Через определенный промежуток времени образованные криогенные трещины на температурном пороге ±0°С «залечиваются» льдом-конденсатом за счет капиллярного движения влаги в сторону фронта промерзания, и поступление газа из подмерзлотных отложений практически прекращается. В этом случае угленосные отложения зоны метановых газов характеризуются как слабогазопроницаемая углепородная толща [Гресов, 2012; Худяков, 1986].

Б. При наличии разрывных нарушений геолого-газовая ситуация характеризуется резко отличной от выше указанной структуры распределения природных газов. В трещиноватых зонах разрывных нарушений степень криогенной дезинтеграции угленосных толщ значительно возрастает, что обусловливает в сочетании с благоприятным рельефом нижней поверхности мерзлоты на исследованных месторождениях региона выделение газа из подмерзлотных вод метана и образование скоплений и залежей свободного газа.

При контактном залегании подмерзлотных вод в таких криогенно-тектонических ловушках газ находится под давлением, соответствующим гидравлическому напору подмерзлотных вод. При подсечении разведочными скважинами и горными выработками данных ловушек газа фиксировались выбросы газа, выбросы воды и газа, суфляры и интенсивные свободные газопроявления в Ленском (Сангарское, Чечумское месторождения и др.), Зырянском (Харангское, Эрозионное, Буоркемюсское, Надеждинское), Беринговском (Бухты Угольной, Амаамское, Алькатваамское), Анадырском (Рарыткинский и Онеменский угленосные районы), Аркагалинском (Верхне-Аркагалинское и Нижне-Аркагалинское), Южно-Якутском (Алдано-Чульманский, Токинский) и других бассейнах региона. На Чечумском месторождении в этих зонах установлены гидратопроявления [Гресов, 2012].

При бесконтактном залегании подмерзлотных вод газ, находящийся в зоне необводненных пород, не имеет избыточного давления, о чем свидетельствует инверсионный характер газовыделений из скважин Анадырского, Беринговского, Аркагалинского, Ленского и других бассейнов. Вместе с тем наряду с подмерзлотными скоплениями свободного газа в исследованных бассейнах региона довольно часто фиксируются скопления и залежи свободного газа с давлением до 0.2–0.3 МПа в трещиноватых зонах многолетнемерзлых пород как в угленосных отложениях, так и в перекрывающих их мерзлых осадочных образованиях (Анадырский, Беринговский, Ленский, Зырянский и другие бассейны) [Гресов, 2012; Худяков, 1986; Угольная база.., 1999].

Механизм проникновения газов в ТММП через трудно газопроницаемую в обычных условиях зону НГМ заключается в следующем. Участки деградации многолетней мерзлоты и микрозалежи свободного газа (метана) располагаются на пересечениях НГМ и разрывных нарушений. Системы таких нарушений (тектонических ловушек газа), как правило, закрытого типа и в разрезе часто представляют форму клина с острым углом по восстанию (см. рис. 4, 5). Важнейшее условие образования скоплений свободного газа – наличие экрана или экранирующего эффекта, которым служит и обладает мерзлая часть в пределах НГМ и газонепроницаемые плоскости тектонических нарушений закрытого типа в условиях сжатия (в большинстве случаев взбросов, взбросо-сдвигов, надвигов и др.). Благоприятным фактором образования и формирования скоплений свободного газа является то, что в обычных условиях разрывные нарушения в этой части НГМ, как правило, заполнены льдом и характеризуются очень низкой проницаемостью или практически трудно газопроницаемы. Однако в момент неотектонических подвижек («обновления» разрывного нарушения) часть газа, сконцентрированная в микрозалежи, проникает по кратковременному действующему каналу в толщу ММП. Образование скоплений свободного газа в ТММП может осуществляться при условии наличия трещиноватых зон, не сообщающихся с другими системами или зонами трещиноватости, и мощного газового потенциала – высокометаноносных угольных пластов и метанонасыщенных вмещающих пород [Гресов, 2012; Романовский, 1973; Худяков, 1986].

Как неотектонические подвижки, так и поступление газа в толщу ММП носят пульсационный характер, т.е. газ поступает определенными порциями при каждом импульсе неотектонических движений. С каждым новым импульсом газовое давление в ММП все более увеличивается и в конечном результате может достигнуть параметров давления газа в питающей газовой залежи [Гресов, 2012; Романовский, 1973; Худяков, 1986]. Данные газодинамические процессы обусловливают образование и формирование скоплений свободного газа, наличие высокого газового давления в этих залежах газа. Выявленная в процессе исследования на сложно дислоцированных углегазовых месторождениях Восточной Арктики и Северо-Востока России блоковая газовая зональность обусловлена также пульсационными газодинамическими процессами в зонах тектонических разрывов и НГМ [Гресов, 2012; Худяков, 1986].

Установлено, что на значительной площади исследованных месторождений залегание подмерзлотных вод бесконтактное и предопределяет формирование скоплений свободного газа под мерзлотой без избыточного давления или немного превышающего гидростатическое, в результате чего скапливающийся в подмерзлотной зоне газ не образует значимых (более 1 млн. м³) микрозалежей и функционально в большинстве случаев только лишь насыщает ТММП при пульсационном поступлении, замещая газы древней и современной атмосферы, тем самым восстанавливая зону метановых газов в ранее деметанизированных отложениях (вторичное насыщение) [Гресов, 2012; Худяков, 1986; Угольная база.., 1999].

Интенсивность неотектонических движений верхних слоев литосферы обусловлена сейсмоактивностью региона с закономерной тенденцией повышения (от 4–5 до 7–8-балльной сейсмичности) с запада на восток по мере приближения к Тихоокеанскому вулканогенному поясу, где на сложнодислоцированных месторождениях по длительности проявлений выделяются два основных типа пульсаций (метановых эманаций):

– первый тип может быть кратковременным или длительным и определяется интенсивной межформационной миграцией газов (в том числе и из подстилающих угленосную толщу нефтегазоносных отложений) по зонам разрывов в моменты тектонических подвижек, когда трещины становятся газопроницаемыми;

– второй тип связан с кратковременным раскрытием трещин и дроблением трещинных льдов непосредственно в моменты прохождения через углепородный массив ММП сейсмических волн при землетрясениях [Гресов, 2012; Романовский, 1973; Худяков, 1986].

Таким образом, мерзлота не является абсолютным экраном для миграции газов, а всего лишь затрудняет миграционные процессы в той или иной мере, формируя в ряде случаев скопления и залежи свободных и растворенных газов (метана). Наличие мощного источника газа (угольного метана), «сухого» коллектора с газоупором (нижняя граница мерзлоты), верхнего подмерзлотного водогазонасыщенного горизонта и благоприятных термобарических условий с большой долей вероятности указывает на присутствие в этих зонах бассейнов залежей гидратов, открытие которых связано с детализацией геологоразведочных работ и постановкой специализированных исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В общем площадном развитии многолетнемерзлых пород региона интенсивно проявляются азональные особенности, не зависящие от географической широты местности и выражающиеся в резкой изменчивости температур мерзлых пород и их мощности на коротких расстояниях, связанной с повсеместным развитием углегазоносных отложений.

2. Геокриологические условия – важный фактор сохранения газоносности угленосных бассейнов, являющихся одними из основных генерационно-аккумулятивных источников метана Восточной Арктики и Северо-Востока России. Перспективные для извлечения и промышленного использования ресурсы метана составляют 4.4 трлн. м³.

3. Наличие достаточно мощной мерзлоты, газоносных угольных пластов, подстилающих нефтегазоносных и газонасыщенных отложений, влияние тектонических и гидрогеологических условий предопределило формирование в толще многолетнемерзлых пород и подмерзлотной зоне скоплений и залежей сорбированных, свободных и растворенных газов полигенезисного состава.

4. Установленные в угленосных отложениях газовые зоны характеризуются различным составом газа и газопроницаемостью. С увеличением глубины залегания угольных пластов и вмещающих пород наблюдается закономерное возрастание концентраций УВГ (метана) и уменьшение содержаний углекислого газа и азота. В толще мерзлых угленосных отложений присутствуют газы атмосферного, биохимического, бактериального, магматического происхождения с доминированием углеметаморфогенных газов, в большинстве случаев с примесью газов подстилающих нефтегазоносных и газонасыщенных отложений.

5. Низкая теплопроводность, высокая теплоемкость и газопроницаемость газоносных угольных пластов – важнейшие геоэкологические факторы, оказывающие влияние на мощность мерзлоты и газодинамику мерзлых угленосных отложений. Максимальной газопроницаемостью характеризуются зоны кровли и почвы угольных пластов, тектонических нарушений и таликов, являющихся основными путями миграции газов.

6. Исследованиями установлены значительные выбросы метана в атмосферу в пределах исследованных углеметановых бассейнов Восточной Арктики и Северо-Востока России, составляющие 3.2 млн. т/год. Выявлена сезонная инерционность процессов выделения метана в подпочвенный слой и атмосферу с максимумом в сентябре-октябре месяцах.

7. Установлено, что неотектонические подвижки и поступление газа в толщу многолетнемерзлых пород носят пульсационный характер. Выявленная в процессе исследования на сложнодислоцированных углеметановых месторождениях региона блоковая газовая зональность обусловлена также пульсационными газодинамическими процессами в зонах тектонических разрывов и нижней границы мерзлоты.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алексеев А.Ф., Бодунов Е.И., Лебедев В.С. и др. Органическая геохимия нефтей, газов и органического вещества докембрия. Изотопно-геохимическая характеристика нефтей и газов восточной части Сибирской платформы. М.: Наука, 1981. С. 164-175.

2. Буров Б.А., Гресов А.И. Влияние залежей углей на процесс деградации многолетнемерзлых пород в шельфовой зоне Арктических морей и выделение метана в водный слой // Докл. РАН. 2011. № 2. С. 242–245.

3. Газоносность угольных бассейнов и месторождений СССР. Т.2. Угольные бассейны и месторождения Дальнего Востока / Под ред. А.И. Кравцова. М.: Недра, 1979. 328 с.

4. Гресов А.И., Обжиров А.И., Яцук А.В. К вопросу водородоносности угольных бассейнов Дальнего Востока // Вестн. КРАУНЦ, 2010. № 1. С. 231–244.

5. Гресов А.И. Геохимическая классификация углеводородных газов угленефтегазоносных бассейнов Востока России // Тихоокеанская геология. 2011. № 2. С. 85–101.

6. Гресов А.И. Метаноресурсная база угольных бассейнов Дальнего Востока России и перспективы ее промышленного освоения. Т. II. Углеметановые бассейны Республики Саха (Якутия) и Северо-Востока. Владивосток: Дальнаука, 2012. 469 с.

7. Инструкция по определению и прогнозу газоносности угольных пластов и вмещающих пород при геологоразведочных работах. М.: Недра, 1977. 56 с.

8. Краев Г.Н. Закономерности распространения метана в многолетнемерзлых породах на Северо-Востоке России и прогноз его поступления в атмосферу // Автореф. дис. ... канд. геогр. наук. М.: Ин-т физ.-хим. и биол. проблем почвоведения РАН, 2010. 18 с.

9. Криогидрогеологические исследования / Под ред. Н.П. Анисимовой. Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО РАН, 1985. 172 с.

10. Нефтегазоносность юга Дальнего Востока и сопредельных регионов / Буряк В.А, Бакулин Ю.И, Беспалов В.Я, Врублевский А.А и др. Хабаровск.: ИКАРП ДВО РАН, 1998. 282 с.

11. Региональные геокриологические исследования в Восточной Азии / Под ред. И.А. Некрасова. Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО РАН, 1983. 170 с.

12. Ривкина Е.М., Краев Г.Н., Кривушин К.В. и др. Метан в вечномерзлых отложениях северо-восточного сектора Арктики // Криосфера Земли. 2006. № 3. С.23–41.

13. Романовский Н.Н. Влияние новейших тектонических движений на формирование криолитозоны // Докл. II Междунар. конф. по мерзлотоведению. Вып. 3. Якутск: Изд. ИМ СО АН СССР, 1973. С. 32–41.

14. Руководство по определению и прогнозу газоносности вмещающих пород угольных месторождений при геологоразведочных работах. Ростов-на-Дону: ВНИГРИуголь, 1987. 108 с.

15. Угольная база России. Т. V. Кн. 2 / Под ред. В.Ф. Череповского. М.: Геоинформмарк, 1999. 638 с.

16. Худяков В.Н. Геологические особенности газоносности угольных месторождений Анадырско-Корякского региона // Автореф. дис. … канд. геол.-мин. наук. Ростов-на-Дону: Ростовск. гос. ун-т, 1986. 28 с.

17. Чернов О.И., Пузырёв В.Н. Прогноз внезапных выбросов угля и газа. М.: Недра, 1979. 296 с.

GAS ZONING AND GAS PRESENCE OF PERMAFROST IN THE COAL-BEARING BASINS OF EASTERN ARCTIC AND ADJACENT REGIONS

A.I. Gresov, A.V. Yatsuk

Il’ichev Pacifi c Oceanological Institute, Far East Division, Vladivostok, Russia 

Perennial results of gas-controlling complex researches in coal-bearing basins of the Eastern Arctic regions and the Northeast Russia are presented in the article. Thickness and morphological peculiarities of permafrost, temperature characteristics, gas content and it genesis, gas presence of coal-beds and enclosing strata, gas permeability of coal-rock masses, geological conditions of gas migration in frozen coal-bearing series have been investigated in the complex. Seasonal inertia of gas emanations to subsoil and pulsating gas bursts to the atmosphere in the coal-bearing basins has been revealed.

Keywords: coal, basin, methane, genesis, permafrost, gas content, gas zoning, gas permeability, migration, Eastern Arctic regions, Northeast of Russia.

Ссылка на статью: 

Гресов А.И., Яцук А.В. Газовая зональность и газоносность многолетнемерзлых отложений угленосных бассейнов восточной Арктики и прилегающих регионов // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2013. № 5. С. 387–398.