В 1979 г. в Южном Каспии определены и описаны газогидраты [2]. На станции 38 (глубина моря 480 м), расположенной на вершине поднятия Шатского в районе действия грязевого вулкана, дночерпателем был поднят газонасыщенный, интенсивно пузырящийся осадок песчано-известковисто-глинистого состава, с пиритом и дендритоподобными глинисто-карбонатными включениями, содержащий мелкие и крупные (до 5 см в поперечнике) обломки газогидратов. Содержание газогидратов в осадке визуально оценивается в 5-10% от объема грунта. Крупно- и мелкокристаллические снеговидные агрегаты газогидрата, ледяные на ощупь, легко загорались слабым голубоватым пламенем с желтыми язычками. Температура вмещающего осадка 9 ºС, рН=9.

Результаты анализа газа газогидратов (см. таблицу ) показывают, что состав его резко отличается от состава газов биохимического происхождения в различных морских, озерных и океанических осадках, а также от состава газа газогидратов, образовавшихся из биохимических газов [3]. В углеводородных газах биохимического происхождения преобладает метан, примесь его гомологов и их производных составляет тысячные и десятитысячные доли процента, редко увеличиваясь до десятых и сотых долей процента, причем в основном за счет этана. Кроме того, в современных осадках почти всегда обнаруживается ничтожная примесь непредельных УВ, в первую очередь этилена и нередко пропилена. В газовой смеси газогидратов из южнокаспийского грязевого вулкана отмечается весьма высокое содержание гомологов метана и их производных (до 17 %), значительное количество (до 12 компонентов) УВ выше С₆ (до 4,6 об.% суммы объемов всех газов), которые в биохимических газах современных осадков не были обнаружены. В газах газогидратов грязевого вулкана не обнаружены непредельные УВ, характерные для газов биохимической природы.

Как видно из таблицы, разница между количественным составом газов из разных проб велика, что связано, по-видимому, с негерметичным их отбором, при котором часть газов разлагающихся газогидратов рассеялась, соотношение компонентов постоянно менялось в зависимости от преобладания свободного газа из газогидратов или десорбированного газа из вмещающего осадка.

В газах из газогидратов грязевого вулкана содержался также сероводород, количество которого нами не определялось, но, видимо, было значительно более высоким, чем в осадках, содержащих биохимический: сероводород. Резкий запах сероводорода удерживался на судне в течение 30 мин, а примесь сероводорода в газовой смеси была зафиксирована на хроматографах через месяц после отбора проб.

Резкое отличие состава газов газогидратов грязевого вулкана от газов биохимического генезиса свидетельствует о том, что обнаруженные в Южном Каспии газогидраты образовались из глубинных газов газоконденсатной или газонефтяной залежи, расположенной под поднятием Шатского. Отсутствие непредельных УВ говорит о том, что в формировании состава газовой смеси газогидратов вулкана биохимические газы верхних слоев осадочной толщи вообще не принимали участия.

Механизм гидратообразования в жерле грязевого вулкана, по-видимому, аналогичен механизму образования газогидратов в приустьевой зоне действующих скважин в северных районах и связан с адиабатическими процессами. Причем низкую температуру восполняет в данном случае давление столба воды, равное 4,8-5 МПа. Известно, что гидраты метана при температуре 9 °С образуются в том случае, если давление газа составляет 70 МПа. Высокая примесь гомологов метана, а также примесь сероводорода смягчают эти условия. Можно предположить, что в жерле грязевого вулкана, как и на устье действующей скважины, давление выходящих газов достаточно высоко, благодаря чему газогидраты образуются здесь выше границы их стабильности, определяемой термобарическими условиями самого бассейна. Можно предположить также, что газогидраты встретятся в грязевых вулканах и на суше, если давление газа в их жерлах окажется достаточным для гидратообразования при повышенных температурах на поверхности. Например, при 15 °С газогидраты образуются при давлении газа около 13 МПа [6]. Зимой при резком снижении температуры на поверхности суши гидратообразование в жерлах действующих вулканов может происходить при гораздо меньших давлениях газа.

Теоретические основы гидратообразования и проблема их распространения в зоне мерзлоты и в осадках Мирового океана разработаны И.Н. Стрижевым, М.П. Мохнаткиным, Н.В. Черским, Ю.Ф. Макогоном, А.А. Трофимуком, В.П. Царевым, Б.П. Жижченко и др., а также рядом зарубежных исследователей: Р.Д. Столлом, Г.М. Брианом, Д.Дж. Милтоном, С.Л. Миллером и др.

Роль седиментационных газогидратов в формировании газоматеринского потенциала пород, а также их роль в формировании газовых залежей в настоящее время оценивается положительно многими исследователями [4-8].

Известно, что газогидраты могут образоваться в осадках в определенных термобарических условиях при пересыщении иловой воды газом, в частности метаном. Гидраты метана могут находиться в осадочной толще до тех пор, пока она не опустится ниже границы их стабильности, обусловленной ростом температур за счет геотермического градиента, равного в среднем 3,5°С/100 м [5-8]. Мощность зоны гидратообразования (ЗГО) зависит от глубины бассейна и температуры его придонных вод и колеблется от 100 м в Южном Каспии до 150 м в глубоководной области Черного моря и до 300-350 м в северных морях на глубинах около 1000 м. Чем меньше глубина бассейна и чем выше температура придонных вод, тем меньше мощность ЗГО. По данным Ю.Ф. Макогона [6], верхняя граница ЗГО в морях располагается на различной глубине, что связано с температурами придонных вод: в Южном Каспии и в Черном море, где температура придонных вод 9°С, она проходит на глубине примерно 700 м, в оз. Байкал при температуре придонных вод 4 ºС - на глубине 450 м.

Снизу к ЗГО могут подступать миграционные газы, которые будут скапливаться под покрышкой седиментационных газогидратов. Разрушение седиментационных газогидратов при погружении осадочной толщи ниже нижней границы их стабильности приведет к возникновению скоплений свободного газа. При разрушении газогидратов объем газа увеличится в 160-180 раз [6-8]. В этих условиях возможны появление вторичной кавернозности пород и образование структур “взрыва” во вмещающих породах, отличающихся повышенной пористостью, хаотическим расположением терригенного материала, комковатыми неслоистыми текстурами. При заполнении вторичных каверн пластовыми водами при дальнейшем уплотнении пород образуются карбонатные конкреции, представляющие собой как бы “слепки” с былых газовых каверн.

Интересно отметить, что газогидраты грязевого вулкана на поднятии Шатского ассоциировали с дендритоподобными карбонатными конкрециями, образование которых в древней, в настоящее время глубокопогруженной, толще на определенном этапе было связано, по-видимому, с миграцией расширяющихся при нагревании газов. При миграции газовых “пузырей” внутри уплотняющейся толщи пород, прорыве струй газа с нарушением сплошности пород в газопроизводящей толще формируются, по-видимому, кластические дайки. И карбонатные позднедиагенетические конкреции, и кластические дайки, и структуры “взрыва” были зафиксированы в майкопской газопроизводящей толще Ставрополья, а также в караган-чокракских газоносных горизонтах Приазовья.

По нашему мнению, наличие в осадочных породах перечисленных новообразований может служить поисковым признаком при выявлении газопроизводящих толщ.

Другим практическим выводом является заключение о возможности поиска скоплений свободного газа в зонах подъема подошвы ЗГО, а также в области выклинивания ЗГО. Это заключение неоднократно высказывалось А.А. Трофимуком, Н.В. Черским, В.П. Царевым, Ю.Ф. Макогоном, а также многими американскими геологами. Для поиска залежей газа ниже подошвы ЗГО, по данным Д.Дж. Милтона [8], целесообразно выделять на сейсмограммах горизонт bottom-simulating-reflector (БСР), который совпадает с теоретически рассчитанной нижней границей стабильности газогидратов и как термобарическая поверхность сечет отражающие горизонты, обусловленные напластованием горных пород в случае их негоризонтального залегания. Природа горизонта БСР до настоящего времени не выяснена. Она может быть связана, в частности, со специфическими изменениями в литологии пород в зоне бурного разрушения газогидратов, которые были описаны выше. Д.Дж. Милтон сообщает также, что горизонт БСР выявляется на 60 % сейсмических профилей.

Для обнаружения горизонта БСР необходимо изучение верхней части осадочной толщи в диапазоне от нуля до 500 м от поверхности морского дна. Например, в Южном Каспии представляется целесообразным проведение акустических исследований в районах многочисленных локальных поднятий внутри глубоководной котловины. Вершины этих поднятий расположены на глубинах около 700 м, подошвы - на глубинах около 900 м. Как было сказано выше, мощность ЗГО здесь не превышает 100 м. Следовательно, чтобы достигнуть газовых скоплений под подошвой ЗГО суммарная длина бурильного инструмента должна быть равной 800-900 м (см. рисунок ).

Разработка седиментационных газогидратов [7] нам представляется проблематичной по двум причинам:

• изучение газового режима осадков показало, что газонасыщенные осадки, в которых могут быть найдены седиментационные газогидраты, в теоретически рассчитанной ЗГО развиты не повсеместно, а занимают локальные фациальные зоны, благоприятные для биохимического газообразования [3]. “Лоскутное” распространение осадков с возможными газогидратами обусловливает, в свою очередь, переслаивание газонасыщенных и негазонасыщенных разностей в разрезе осадочной толщи. Это снижает расчетные запасы газогидратов в Мировом океане, а также затрудняет их разработку;
• добыча газогидратов из морских осадков приведет к ликвидации поверхностного слоя вместе с населяющим его бентосом, а уничтожение донных организмов - к необратимым нарушениям экологического равновесия, что подорвет биологические ресурсы Мирового океана.

1. Свойство природных газов находиться в земной коре в твердом состоянии и образовывать газогидратные залежи / В.Г. Васильев, Ю.Ф. Макогон, Ф.А. Требин и др. - В кн.: Открытия СССР, 1968- 1969. М., 1970, с. 5.
2. Об обнаружении газогидратов в Южном Каспии / А.Г. Ефремова, Н.Д. Гритчина, Л.С. Кулакова и др. - Экспресс-информация. М., ВНИИЭГазпром, 1979, № 21, с. 12-13.
3. Ефремова А.Г. Типы газопроизводящих отложений. - Геология нефти и газа, 1979, № 2 , с. 50-54.
4. Ефремова А.Г., Жижченко Б.П. Об обнаружении кристаллогидратов газов в современных акваториях. - Докл. АН СССР, 1974, т. 214, № 5, с. 1179-1181.
5. Жижченко Б.П. Газопроизводящие отложения диагенетического типа. - Экспресс-информация, М., ВНИИЭГазпром, 1972, № 24, с. 9-11.
6. Макогон Ю.Ф. Гидраты природных газов. М., Недра, 1974.
7. Трофимук А.А., Черский Н.В., Царев В.П. Газогидраты - новые источники углеводородов. - Природа, 1979, № 1, с. 18-27.
8. Natural gases in marine sediments. Ed. Kaplan I. R. Plenum Press, New Jork and London, 1974.

Таблица

Примечание. Дегазация на термовакуумном дегазаторе проведена Л.В. Готовко, анализы газа на хроматографах выполнены Т.И. Сычевой; анализ иловой воды - Т.В. Левшенко.

Рисунок

Схема образования газогидратов из миграционных и седиментационных газов (на примере Южного Каспия).

1 - реальные газогидраты, образовавшиеся за счет адиабатических процессов из миграционных углеводородных газов в жерле грязевого вулкана на поднятии Шатского; 2 - теоретически рассчитанная верхняя граница стабильности газогидратов по условиям р и Т; 3 - теоретически возможная зона образования седиментационных газогидратов (ЗГО); 4 - теоретические возможные залежи свободного газа в областях подъема нижней границы ЗГО; 5 - локальное поднятие; 6 - теоретически вычисленная нижняя граница стабильности газогидратов, с которой совпадает отражающий горизонт БСР; 7 - газонефтяная залежь или зона АВПД в породах осадочного чехла под поднятием Шатского