В 1973 г. Ю.М. Макогоном, А.А. Трофимуком, В.П. Царевым и Н.В. Черским была выдвинута [Макагон и др., 1973] и затем развита (1973, 1975, 1977, 1979, 1982 гг.) идея о широком распространении в осадочной толще Мирового океана газовых гидратов, ресурсы которых превосходят все вместе взятые запасы углеводородов суши. Предполагалось, что гидраты должны занимать не менее 90% площади дна океана и что в их образовании наряду с органическим метаном может участвовать метан неорганического происхождения. Особо подчеркивалось важное значение гидратов для освоения полезных ископаемых океана. С их помощью можно было принципиально по-новому решить проблему снабжения добычных работ экологически чистой энергией, подъемная сила содержащихся в гидратах газов могла быть использована для транспортировки рудных масс со дна океана к его поверхности.

Однако выполненные позднее расчеты количеств метана, генерируемых бактериями в осадках открытых частей морей и океанов, а также содержащихся в гидротермах, выходящих на дно океана («курильщики») показали, что они значительно меньше тех, которые, согласно теории, необходимы для начала кристаллизации гидратов [Егоров и Троцюк, 1986; Гинсбург и Соловьев, 1994]. На основании этого открытые части Мирового океана были исключены из числа потенциальных гидратоносных районов и в перспективных оставлено лишь 10% дна, представленных примыкающими к континентам частями [Гинсбург и Соловьев, 1994].

Вместе с тем анализ геолого-геофизических материалов, появившихся за два десятилетия работ в России, на железо-марганцевые конкреции, кобальтоносные корки и глубоководные сульфиды дает основания вновь вернуться к проблеме газовых гидратов в открытом океане. Прежде всего следует отметить, что содержания метана, значительно ниже теоретически требуемых, характерны не только для вод «курильщиков» и осадков открытого океана. В районах, где газогидраты обнаружены непосредственно, пространственно ассоциирующие с ними поровые и выходящие на дно воды также на 2-3 порядка недосыщены метаном [Гинсбург и Соловьев, 1994]. Проблема, почему гидраты кристаллизуются из вод, из которых, казалось бы, они не должны были образовываться, в равной мере относится как к открытому океану, так и к районам, где гидраты уже обнаружены. Если же предположить, что соседние слои, с гидратами и без гидратов, характеризовались водами с разным содержанием метана, то возникает вопрос, почему эти содержания не были выравнены каким-либо механизмом, например механизмом диффузионной переконденсации [Егоров, 1988]. Этот парадокс еще ждет своего объяснения. Сейчас же можно предположить, что одним из основных условий субаквального гидратообразования является, помимо РТ-условий, количество метана, проходящего вместе с водой через точку гидратообразования за определенное время. В этом отношении дебит «курильщиков» на несколько порядков превышает дебит выходов вод в районах развития гидратов на континентальных склонах. В открытом океане газы выходят на дно не только в осевых зонах срединных хребтов, в «курильщиках», но и в глубоководных котловинах. Здесь места их выходов фиксируются своеобразными «оазисами жизни», представляющими собой, так же, как и в случае «курильщиков», взрывы биологической активности, но выраженные иначе [Кругляков, 1984; Горяинов и др., 1987; 1990].

О субаквальной гидратоносности тех или иных отложений надежнее судить по наличию ее признаков. Разумеется, однозначно свидетельствовать о наличии гидратов может лишь обнаружение самих гидратов. Однако сегодня из 56 районов, выделенных как перспективные на субаквальные гидраты, собственно гидраты обнаружены лишь в 14 [Гинсбург и Соловьев, 1994]. Остальные районы намечены по косвенным признакам, которые, как отмечают авторы [Гинсбург и Соловьев, 1994], в принципе могут быть истолкованы и без привлечения предположений о причинной связи с гидратами.

Рассмотрим косвенные признаки гидратоносности открытого океана. В глубоководном океане уже на поверхности осадков и в придонной толще воды температура и давление соответствуют условиям стабильности гидратов. Эти условия охватывают всю осадочную толщу и верхние части фундамента до глубин, где повышающаяся за счет геотермального градиента температура не превышает температуру устойчивости гидратов при данном давлении.

Считается, что на сейсмических разрезах с гидратами так или иначе связаны субпараллельные дну отражающие горизонты BSR (если скорости волн под этим горизонтом ниже, чем над ним), а также аномалии VAMP’s и так называемые «мутные» («облаковидные», «прозрачные») разрезы. Все эти аномалии волновой картины не только в разной степени и в разных комбинациях встречаются в открытом океане, но и являются характерными для многих районов, часто фиксируясь от поверхности акустического фундамента до поверхности осадков [Хейзен и др., 1962; Условия…, 1987; Казьмин и др., 1987].

Сюда же можно отнести и ситуации различного рода «диапироподобных структур», которые связывают и с грязевыми вулканами, и с гидротермальными прорывами. Широкое развитие таких структур установлено работами НПО «Севморгеология» в Индийском океане. Детальные работы зафиксировали их и в трансформных разломах Атлантики [Строение…, 1989; 1991].

Поскольку для глубоководных частей океана PT-условия стабильности гидратов имеются уже на поверхности осадков, присутствие гидратов должно найти отражение в физических свойствах этих осадков. В частности, слои с гидратами должны иметь наибольшую акустическую жесткость и обладать наибольшим электрическим сопротивлением по сравнению с соседними по разрезу слоями, в которых гидратов нет. При работе в зоне Кларион-Клиппертон экспедициями НПО «Севморгеология» с помощью разработанных и созданных специалистами объединения набортного комплекса «ГЛАГ» (на базе судового эхолота) и придонного геофизического комплекса МГК-6000 замерялись акустическая жесткость и электросопротивление верхнего (1-2 м) слоя осадков. Результаты оказались неожиданными. Полужидкий илистый слой, в котором «плавают» конкреции, имел акустическую жесткость значительно выше, чем плотные глубоководные глины. Электросопротивление верхних 10 см также было выше, чем у нижележащих слоев. Выполненный авторами статьи дисперсионный анализ показал, что отмеченные свойства на 25% связаны не с присутствием конкреций, а с каким-то иным фактором. По нашему мнению таким фактором является присутствие в осадках гидратов.

При подъеме грунтов на поверхность содержащиеся в осадках гидраты будут разрушаться, а освобождающиеся при этом газы скапливаться в порах и полостях породы. Это подтверждается измерениями скорости звука в поднятых колонках грунта. В 1980 г. в Атлантике, в северной части Канарской котловины (8-й рейс НИС «Молдавия») геологами НПО «Севморгеология» были измерены скорости звука в осадках, поднятых двумя трубками (рис. 1). Если в одной из трубок (ст. 2М-14, 30°25' с.ш., 23°58' з.д., глубина 5340 м) замеренные скорости были нормальными (1.52-1.56 км/с) и керн сохранялся целиком, то во второй трубке (ст. 2М-3, 28°23' с.ш., 37° 16' з.д., глубина 4620 м) верхние 5 см грунта превратились в жидкую массу и были слиты, а скорости звука составляли 1.24-1.38 км/с. Поскольку скорость звука в воде составляет 1.5 км/с, а в воздухе 0.33 км/с, полученные значения свидетельствуют о наличии в поднятом осадке свободных газов. По нашему мнению, они обязаны своим присутствием разложившимся гидратам. Интересно отметить, что западнее места взятия трубки с газонасыщенным осадком, в карбонатных песках, поднятых тралом, обнаружены пластичные, смолянистые агрегаты черного цвета, предположительно битумы (28°41' с.ш., 38°45' з.д.).

Присутствие в поверхностных осадках свободного газа убедительно подтверждается прямым наблюдением пузырьков газа. При исследовании площадей, покрытых железо-марганцевыми конкрециями, в зоне Кларион-Клиппертон (Тихий океан) в большом объеме выполнялось фотографирование дна. Обработка Н.Н. Гавданом, В.В. Соловьевым, Т.М. Хулановой и И.И. Филиппенко глубоководных фотоснимков дна, полученных на НИС «Южморгеология», показала, что на многих снимках наблюдаются пузырьки газа, выделяющиеся из осадков при ударе о дно груза-разведчика. Газы выделяются в виде «облачков» разной формы, сложенных 20-30 пузырьками газа, размером 1-5 см, или в виде вертикально поднимающихся «факелов», дающих отчетливую тень и состоящих из большого количества микроскопических пузырьков (рис. 2). Открывшие этот удивительный факт специалисты пришли к выводу, что газовыделения не обнаруживают прямой связи с литокомплексами и носят региональный характер. Однако главным во всем этом является то, что газы находятся в свободном состоянии и что имеются условия, не позволяющие газам высвободиться до удара груза-разведчика. По нашему мнению, эти условия создаются локально развитыми тончайшими пленками гидратов, экранирующими свободный газ. О том, что это гидраты, могут свидетельствовать следующие наблюдения. На одном из полигонов в зоне Кларион-Клиппертон во время инженерно-геологических работ замерялись температура и прочность донных грунтов, поднятых трубками [Куринный и Козлов, 1996]. Замеры производились на палубе, сразу после подъема снаряда, и через некоторое время в лаборатории. Между замерами проходило от 25 до 55 мин, в течение которых проба - слабый глинистый ил - естественным образом нагревалась (табл. 1). На рис. 3 показано изменение температуры проб в зависимости от времени нагревания Видно, что чем больше время нагревания, тем выше становится температура пробы. Через фигуративные точки, с учетом ошибки измерения, можно провести плавную кривую. Однако две точки (1 и 5) не подчиняются общей закономерности, и их температура оказывается ниже, чем у других проб, нагревавшихся такое же время. Мы полагаем, что эти пробы содержали вкрапленность гидратов, таяние которых понизило скорость нагревания проб.

Тектонические и магматические процессы, протекающие в толще дна, приводят к колебанию положения нижней границы устойчивости гидратов. При подъеме границы гидраты, оказавшиеся ниже ее, разлагаются с высвобождением пресной воды и газа. Этим, но нашему мнению, объясняются выходы аномально распресненных вод на поверхность дна, обнаруженные в зоне Кларион-Клиппертон при работе с придонным геофизическим комплексом МГК-6000 [Вишняков и др., 1990]. По-видимому, такую же природу имеют воды, выходящие из кратеров гигантских грязевых вулканов, расположенных в Тихом океане вблизи Марианского желоба на глубине 4000 м. Здесь на площади 100 х 1000 км с помощью обитаемого подводного аппарата наблюдалось несколько десятков гор, высотой 1-2 км и шириной в основании 15-30 км [Фрайер, 1992]. Горы сложены серпентиновым илом и по его консистенции напоминают классические грязевые вулканы, связанные с нефтью и газом. Горы ассоциируют с карбонатными и силикатными гидротермальными трубами. Температура внутри последних на 0.3°С ниже температуры окружающих вод. Воды в трубах в 5 раз богаче метаном, в 6 раз кремнеземом. Они содержат H₂S, которого также нет в окружающей воде; pH вод в трубах - 9.88. Это намного выше, чем pH окружающих вод и поровых вод осадков, и может указывать на гидратную природу вод в трубах. Например, в водах, выделившихся из образцов гидратов Южного Каспия, pH имеют значение 8.28-8.36 [Гинсбург и Соловьев, 1994].

Приведенные в статье материалы показывают, что в открытом океане наблюдаются многочисленные и разнообразные косвенные признаки гидратообразования. Это дает основание вновь поставить на повестку дня проблему газовых гидратов в открытом океане. Сегодня еще рано говорить об оценке их ресурсов. Однако с накоплением данных постановка такого вопроса необходима, поскольку проблема имеет не только научное, но и практическое значение. Ее решение может во многом повлиять на разработку концепции будущего освоения различных полезных ископаемых океана.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант 98-05-64168).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Макогон Ю.Ф., Трофимук А.А., Царев В.П., Черский И.В. Возможности образования газогидратных залежей природных газов в придонной зоне морей и океанов // Геология и геофизика. 1973. № 3. С. 3-6.

2. Егоров А.В., Троцюк В.Я. Генетический контроль образования гидратов микробиального метана в акваториях // ДАН. 1986. Т. 287. № 4. С. 974-977.

3. Гинсбург Г.Д., Соловьев В.А. Субмаринные газовые гидраты. СПб., 1994. 200 с.

4. Егоров А.В. Диффузионные механизмы первичной миграции и аккумуляции углеводородов в осадочных бассейнах акваторий. Канд. дис. М.: АН СССР, 1988. 218 с.

5. Кругляков В.В. В кн.: Геология океанов и морей. М., 1984. Т. 3. С. 73-74.

6. Горяинов И.Н., Грамберг И.С., Казакова В.Е., Смирнова Л.С. // ДАН. 1987. Т. 297. № 6. С. 1465-1468.

7. Горяинов И.Н., Грамберг И.С., Смекалов А.С. и др. Фрактальность тектонических нарушений осевой зоны Восточно-тихоокеанского поднятия в связи с глубоководными сульфидами // ДАН. 1990. Т. 315. № 4. С. 966-970.

8. Хейзен Б., Тарп М., Юинг М. Дно Атлантического океана. М.: ИЛ, 1962. 145 с.

9. Условия образования и закономерности размещения железо-марганцевых конкреций Мирового океана. Л.: Недра, 1987. 259 с.

10. Казьмин В.Б., Евсюков Ю.Д., Мерклин Л.Р. //Океанология. 1987. № 4. С. 613-618.

11. Строение зоны разлома Зеленого Мыса. Центральная Атлантика. М.: Наука, 1989. 195 с.

12. Строение зоны разлома Долдрамс. Центральная Атлантика. М.: Наука, 1991. 222 с.

13. Куринный Н.А., Козлов С.А. В кн.: Инженерно-геологические условия разработки полезных ископаемых морского дна. СПб., 1996. С. 47-54.

14. Вишняков А.Э., Грамберг И.С., Горяинов И.Н. // ДАН. 1990. Т. 311. № 4. С. 968-970.

15. Фрайер П. // В мире науки. 1992. № 4. С. 4-21.

Ссылка на статью:

Горяинов И.Н., Грамберг И.С., Смекалов А.С. О масштабах газогидратообразования в глубоководных зонах океанов // Доклады Академии наук. 1998. Т. 363. № 2. С. 222-225.