Распределение метана и его потоки на границе вода

Вестник ДВО РАН. 2010. № 6
УДК 551.465
Г.И.МИШУКОВА, В.Ф.МИШУКОВ, А.И.ОБЖИРОВ
Распределение метана и его потоки
на границе вода–атмосфера
в некоторых районах Охотского моря
По данным 1993–2008 гг. изучено пространственное распределение метана на акватории Охотского моря,
рассчитаны его потоки на границе вода–атмосфера, определены участки акватории активного выделения метана, обусловленного высокой нефтегазоносностью шельфа. В некоторых открытых районах Охотского моря
метан поглощается из атмосферы. Повышенное содержание метана наблюдается на шельфе и склоне о-ва Сахалин и во впадине Дерюгина, где под влиянием пузырьков природного газа происходит апвеллинг придонных вод
в вышележащие горизонты и падение концентрации кислорода в глубинных водах. Обнаружено новое природное
явление – формирование на различных глубинах горизонтальных слоев морских вод, обогащенных метаном. Максимальная протяженность такого слоя наблюдается в холодном подповерхностном слое, образование которого обусловлено фазовыми переходами при гидрофобной гидратации молекул природного газа.
Ключевые слова: распределение метана, поток метана.
Distribution of methane contents in sea waters and its fluxes on border of water–atmosphere at some regions
of the Sea of Okhotsk. G.I.MISHUKOVA, V.F.MISHUKOV, A.I.OBZHIROV (V.I.Il’ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).
On long-term data (1993–2008), spatial distribution of methane contents in the area of the Sea of Okhotsk was
investigated. Its fluxes at the interface water-atmosphere were calculated. Some water areas of active methane intrusions
were determined at the Sea of Okhotsk at regions of oil and gas deposits. At some marine areas of the Sea of Okhotsk
methane was absorbed from the atmosphere. Anomaly methane contents were observed at regions with gas bubble intrusions on shelf areas of the Sakhalin and on the Derugin hollow. These intrusions initiate drop of oxygen concentration in
deep sea waters and upwelling of bottom water to upper layers. The new natural phenomenon of formation of methane
rich plane water layers at different depths was determined. Maximal spatial extend of this layer was observed at depth of
subsurface cold layer of sea water which was formed by hydrophobic hydrataion of natural gas molecules.
Key words: methane distribution, methane flux.
В 2000-х годах в Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И.Ильичева
ДВО РАН изучалось распределение метана и газогидратов на акватории различных районов Мирового океана [2–5]. Интерес к данному вопросу обусловлен не только энергетическими проблемами, но и вкладом метана в парниковый эффект и в образование «озоновых дыр» [2].
Известно, что на акватории Охотского моря возможен глобальный вынос метана в атмосферу [1, 10]. Расчет потоков был сделан по материалам двух экспедиций для средних
значений концентрации метана при ряде допущений. В работе [2] расчет выполнили только для северо-восточного шельфа о-ва Сахалин. Из-за малого количества экспериментального материала потребовалось провести дополнительные исследования. Только в рейсе
НИС «Академик Несмеянов» (1993 г.) была изучена практически вся акватория.
МИШУКОВА Галина Ивановна – кандидат географических наук, старший научный сотрудник, МИШУКОВ
Василий Федорович – кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник, ОБЖИРОВ Анатолий Иванович – доктор геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией (Тихоокеанский океанологический
институт им. В.И.Ильичева ДВО РАН, Владивосток). E-mail: [email protected]
36
Принимая во внимание, что на выделение метана влияет сейсмическая обстановка [2],
при анализе необходимо учитывать количество и расположение эпицентров землетрясений на основании недавно опубликованного каталога [6].
Цель настоящей работы – анализ комплексных многолетних данных для установления
влияния гидрологических и гидрохимических параметров морских вод на распределение
метана на акватории Охотского моря и расчет его потоков на границе вода–атмосфера с
учетом изменения сейсмической активности региона.
Объекты и методы исследования
Пробы воды на акватории Охотского моря отбирали с различных горизонтов
батометрами Нискина системы «Rozzet». Газ из воды извлекали методом вакуумной дегазации [2]. Анализ провели на газовом хроматографе с пламенно-ионизационным детектором. Для разделения смеси углеводородных газов применяли колонки длиной 2 м,
заполненные алюмогелем с размером зерен 0,2–0,3 мм, газ-носитель – гелий или азот.
Чувствительность по метану составляла 1 · 10-6 %. Относительная ошибка определения
объема газа, растворенного в морской воде, при дегазации проб – 0,6%, коэффициент вариаций при многократном определении метана в одной точке в природных условиях – 3,2%.
Особое внимание при изучении распределения метана на акватории Охотского моря
уделяли полигонам к западу и востоку от о-ва Сахалин, которые включали шельфовые
районы с глубинами до 200 м, склон и глубоководные районы (до 1200 м), а также западному шельфу п-ова Камчатка и районам Курильских островов.
Интерес к данным районам обусловлен наличием разведанных морских нефтегазовых месторождений, таких как Одопту, Пильтун-Астохское, Аркутун-Даги, Лунское и др.,
а также высокой потенциальной нефтегазоносностью всего шельфа Охотского моря.
При анализе использованы материалы и результаты экспедиций НИС «Академик Несмеянов» (сентябрь 1993 г.), «Профессор Гагаринский» (конец октября 1998 г. и 6–13 июня
2000 г.), «Академик Лаврентьев» (июль–август 2008 г.). Для учета влияния сейсмической
ситуации во время исследований из каталога [6] взяты данные о положении эпицентров
и магнитудах землетрясений за 1992–2000 гг.
Расчет потоков метана на границе вода–атмосфера проводился по методологии, описанной в работе [2], в которой скорость газообмена определяется скоростью ветра. Так как
в рейсе НИС «Академик Несмеянов» скорость ветра не измеряли, то потоки метана для
сентября 1993 г. рассчитывали по данным для скоростей ветра, полученным на метеостанциях Шумшу, Симушир и Джаоре.
Результаты и обсуждение
Исследования 1993 г.
По данным 1993 г. в поверхностном слое морской воды на акватории Охотского
моря горизонтальное распределение метана показывает значительное увеличение его концентрации в шельфовых районах о-ва Сахалин (рис. 1). Изолиния 3,6 нмоль/л метана приблизительно соответствует равновесной с атмосферой концентрации метана в морской
воде при солености и температуре измерений и разделяет акваторию на районы с выделением (>3,6 нмоль/л) и поглощением метана. Максимальное выделение метана наблюдалось на северо-восточном шельфе о-ва Сахалин и в восточной части Сахалинского залива,
незначительное – на западном шельфе п-ова Камчатка и в районах Курильских островов
севернее прол. Буссоль, а также в районе о-ва Кунашир со стороны Тихого океана (рис. 1).
Для островов Кунашир и Итуруп значения потока меняются от 51 до –1,2 моль/км2 · сут,
а средний поток равен 5,95 моль/км2 · сут (рис. 1). Для сравнения приведем средние
данные для прилегающих районов Тихого океана: восточное побережье о-ва Хонсю –
37
2,9 моль/км2 · сут [12], северо-западная часть Тихого океана – 2,5 моль/км2 · сут [14].
Максимальное выделение метана в атмосферу (175 моль/км2· сут) происходит в шельфовых водах о-ва Сахалин (рис. 1, врезка). Изменение направления и интенсивности потоков метана на акватории Охотского моря связано с неоднородным пространственным
Рис. 1. Распределение метана в поверхностных водах (нмоль/л) и значения потока метана (моль/км2 · сут) на
акватории Охотского моря (НИС «Академик Несмеянов», сентябрь 1993 г.). 1 – станции отбора проб воды;
2 – изолинии концентрации метана, нмоль/л; 3 – выделение метана в атмосферу или поглощение (цифры – поток
метана, моль/км2 · сут); 4 – эпицентры землетрясений 1992, 1993 гг.
38
распределением источников метана. Подобная
картина наблюдалась на акватории морей Лаптевых и Восточно-Сибирского. Ориентировочный расчет по экспериментальным данным
показал, что среднее значение потока метана
в атмосферу составляет 2,6 · 104 г СН4/км2 за
90 сут (или 18 моль/км2 · сут) [8], хотя в более
поздней работе это значение для того же района увеличено до 1000 моль/км2 · сут [7].
Наложение схемы распределения метана в
поверхностных водах на схему землетрясений
на о-ве Сахалин и в прибрежных водах свидетельствует о том, что под влиянием землетрясений происходит активизация выделения
метана из литосферы в морские воды. Максимальные потоки наблюдались на восточном
шельфе между 51 и 52° с.ш., где вблизи станций отбора проб зарегистрированы эпицентры
землетрясений.
Во впадине Дерюгина геохимические исследования выявили существование активных
гидротермальных процессов: вдоль зон разломов в придонной воде отмечается высокое
содержание метана, водорода, углекислого
газа, гелия и сероводорода; на западном борту на глубине около 800 м в керне глинистых
осадков обнаружены метансодержащие газогидраты [5]. Таким образом, сильное выделение метана из подводных источников на
северо-восточном шельфе о-ва Сахалин и во
впадине Дерюгина обусловливает формирование подповерхностного слоя морских вод
(глубина 50–150 м) с высоким значением концентрации метана (220–20 нмоль/л). Этот слой
прослеживается на протяжении около 1000 км
на акватории всего моря (рис. 2а). Следует отметить, что максимальные концентрации метана наблюдаются в холодном подповерхностном
слое (ХПС) морских вод, для которого в сентябре 1993 г. были характерны минимальные
(–1, –1,5°С) значения температуры и небольшое
повышение солености (рис. 2б, в). В районе
впадины Дерюгина наблюдается снижение концентрации кислорода с глубиной и образование
зоны гипоксии (рис. 2г), причем в ХПС увеличиваются концентрации кислорода и азота.
Неоднородный характер вертикального
распределения метана, по-видимому, обусловлен как сложной системой течений в исследуемом районе, так и сезонными изменениями
гидрохимических параметров морской воды.
39
Рис. 2. Вертикальное распределение метана,
нмоль/л (а); температуры, ºС (б); солености, S‰ (в);
кислорода, мл/л (г) на акватории Охотского моря
на профиле 1 (рис. 1) в сентябре 1993 г.
Исследования 1998–2008 гг.
В различные сезоны 1998–2008 гг. проводили более детальные комплексные исследования
районов выделения метана на восточном шельфе о-ва Сахалин.
Анализ пространственного распределения потоков метана на границе Охотское
море–атмосфера показывает, что наибольшие
(20–217 моль/км2 · сут) потоки метана наблюдаются в прибрежных районах, где концентрация метана в морской воде на поверхности
максимальна. Под влиянием Восточно-Сахалинского течения метан переносится в южном
направлении вдоль о-ва Сахалин на значительные расстояния (на 2–3º).
Сейсмическая активность заметно менялась: в 1992 г. наблюдалось 46 землетрясений,
в 1993 г. – 31, 1994 г. – 32, 1995 г. – 922, 1996 г. –
239, 1997 г. – 128, 1998 г. – 102, 1999 г. – 86,
2000 г. – 328. Зоны максимального выделения
метана на момент проведения экспериментальных работ в 1993 и 2000 гг. (рис. 1, врезка;
рис. 3, профили 2 и 3) находятся в районах эпицентров зарегистрированных землетрясений.
Профиль 2 (рис. 3) начинается в районе разведанного газоконденсатного месторождения
Лунское, где обнаружено активное выделение
Рис. 3. Распределение в поверхностных водах
метана (нмоль/л), потока CH4 (моль/км2 · сут) на
метана в виде факела пузырьков (факел «Ниакватории восточного шельфа и континентальколь»). На нем можно отметить три области
ного склона о-ва Сахалин в июне 2000 г. Условповышенного содержания метана на глубинах
ные обозначения 1–3 – см. рис. 1; 4 – эпицентры
40, 110 и 250 м (и, возможно, 550 м), которые
землетрясений 1999, 2000 гг.
формируют конические горизонтальные слои,
основание которых находится в придонной области, а вершина – в мористой части. Толщина этих слоев – от десятка до сотни метров, в горизонтальном направлении они простираются на 50–120 км (рис. 4а). Подобная картина наблюдается и в распределении температуры
(рис. 4б), причем глубины слоев с пониженной температурой и с повышенной концентрацией метана совпадают. Соленость по глубине распределяется более однородно (рис. 4в).
В мелководных районах (глубина < 100 м) вертикальная структура гидрохимических
и гидрофизических характеристик вод обусловлена интенсивным перемешиванием последних из-за воздействия ветра и приливо-отливных процессов. Здесь наблюдаются повышенные сравнительно близкие концентрации метана.
Отметим, что на профиле 1 вдоль 48º с.ш. (рис. 3) наблюдаются 2 подобные области
(с максимумами метана на глубинах 75–100 и 250 м); на профиле 3 вдоль 53º с.ш. с разведанным месторождением нефти Одопту – на глубине 75–100 м; на профиле 4 вдоль 54º с.ш. – на
глубинах 75 и 175 м, где обнаружены факелы «Миллениум» и «Эрвин» [2].
Высокое содержание метана в придонном слое свидетельствует о поступлении
метана в морскую воду из подземных источников. Это подтверждается прямыми
гидроакустическими наблюдениями [3]. Много газовых факелов обнаружено вдоль северо-восточного шельфа и континентального склона о-ва Сахалин и во впадине Дерюгина.
В районах таких газовых факелов наблюдается аномально высокое содержание метана.
40
Вертикальное распределение метана
в октябре 1998 г. на профилях 1–4 обусловлено осенне-зимней конвекцией морских вод. Интенсивное перемешивание
вод на шельфе, а также увеличение скорости газообмена с атмосферой способствуют резкому снижению концентрации
метана в толще вод до глубины 400 м и
более однородному вертикальному распределению метана по сравнению с июнем 2000 г. [2]. Например, на профиле
1 максимальная концентрация метана
в июне 2000 г. была 44,6 нмоль/л, в октябре 1998 г. – 12,9 нмоль/л, на профиле
2 – 170,5 и 17,9 нмоль/л, соответственно,
хотя влияние факела «Николь» на профиле 2 сохраняется. Наличие большого
количества газовых факелов на профилях
3 и 4 определяет концентрацию метана
в морской воде, области с повышенным
содержанием метана сохраняются на глубинах 50–100 м на профиле 3 и 180 м на
профиле 4. Таким образом, изменение
гидрологической ситуации сильно влияет на вертикальное и горизонтальное
распределение метана на акватории
восточного шельфа о-ва Сахалин. Основными причинами изменчивости потока метана на границе вода–атмосфера
являются скорость ветра и температура морской воды [2], поэтому осенью
(в сентябре–октябре 1998 г.) при высоких значениях этих показателей
выделение метана увеличивается до
14–174 моль/км2 · сут, тогда как летом
(2000 г.) составляет 7–90 моль/км2 · сут.
На рис. 5 приведено распределение
потока метана в июле–августе 2008 г. На
профиле вдоль кромки восточного шельфа о-ва Сахалин по изобате 200 м поток
метана составлял 6–31 моль/км2 · сут, в
1993 г. – 9–33 (рис. 1), в июне 2000 г. –
6–41 моль/км2 · сут (рис. 3). На северозападе от о-ва Сахалин в 2008 г. распределение потока метана крайне неоднородно: от 12 до 217 моль/км2 · сут
и выше, в Сахалинском заливе в
1993 г. до изобаты 50 м – от –0,3 до
88 моль/км2 · сут (рис. 1).
Рис. 4. Вертикальное распределение метана, нмоль/л (а);
температуры, ºС (б); солености, S‰ (в) на акватории восточного шельфа и континентального склона о-ва Сахалин
на профиле 2 в июне 2000 г.
41
Результаты моделирования
Для объяснения особенностей распределения метана в морских водах и других
гидрохимических характеристик проведен расчет изменения некоторых природных процессов на базе модели термогазовой дивергенции с использованием гидродинамики переноса газоконденсата [2] и математического аппарата ранее разработанных теорий газовых
выделений [9, 15].
Расчеты показали, что факел газовых пузырьков вовлекает морскую воду в струю и
переносит в вышележащие горизонты, происходит апвеллинг. Во время всплытия метан
из газовых пузырьков активно растворяется, кислород и азот из морской воды переходят
в газовую фазу пузырька. Таким образом, морская вода в зоне апвеллинга обогащается
метаном, уменьшается содержание в ней растворенного кислорода и азота. Расчеты показывают, что одиночные газовые пузырьки диаметром менее 1 мм полностью растворяются в воде при подъеме на 60–100 м. При расположении газовых факелов на глубинах
выше этой отметки возможны прямой транспорт газа со дна в приповерхностные воды
и последующее его выделение в атмосферу. При расположении газовых факелов глубже
100 м метан концентрируется в водной толще на глубине полного растворения газовых
пузырьков. При обычном летнем режиме температуры в море, когда она понижается с глубиной, вовлечение газовым факелом придонных холодных вод и их вертикальный перенос
приводят к образованию слоя холодных
вод в вышележащих горизонтах и образованию слоя с большим содержанием
метана. Высокая скорость (до 2 м/с)
приливо-отливных течений на северовосточном шельфе о-ва Сахалин при
среднем переносе водных масс на юг
Восточно-Сахалинским течением приводит к быстрому горизонтальному
перемещению образовавшегося промежуточного слоя холодных насыщенных
метаном вод на большие расстояния от
места его формирования. Этим объясняется неоднородное послойное распределение метана и температуры воды
(рис. 2а, б; 4а, б).
Модель учитывала возможность
образования газогидратов при растворении природного газа в морской воде
при всплытии пузырька. При температуре воды –1,8–0ºС на глубинах ниже
50–300 м наблюдается образование
гидратированных молекул природного
газа за счет гидрофобной гидратации, а
также промежуточных соединений, из
которых в последующем формируется
Рис. 5. Распределение потока метана (моль/км2 · сут) на акгазогидрат [11]. В состав природного
ватории Охотского моря в июле–августе 2008 г. 1–3 – стангазогидрата кроме метана (88–94%)
ции отбора проб воды: 1 – рейс 45 НИС «Академик Лаврентьев», июль–август 2008 г.; 2 – рейс 25 НИС «Академик
входят этан, пропан, бутан и изобутан,
Несмеянов», сентябрь 1993 г.; 3 – рейс 28 НИС «Профессор
изопентан [13]. Образование промеГагаринский», июнь 2000 г.; 4 – выделение метана в атможуточных соединений и газогидрата
2
сферу (цифры у стрелок – поток метана, моль/км · сут)
сопровождается выделением теплоты.
в июле–августе 2008 г.; 5 – изобаты
42
Гидратация приводит к увеличению объема молекул метана за счет «шубы» гидратированной воды, что резко снижает их трансляционные свойства и способствует концентрированию в слоях воды с отрицательными температурами. Как следствие образуется слой с
максимальной концентрацией метана, широко распространенный на акватории Охотского
моря (рис. 2а, 4а). Затем по мере всплывания гидратированные молекулы и газогидраты
разрушаются в диапазоне глубин 50–250 м, поглощая теплоту, а температура морской воды
понижается. Таким образом, слой отрицательных температур способствует концентрированию метана, который в летних условиях поддерживает существование отрицательных
температур в холодном подповерхностном слое морских вод.
Заключение
Распределение метана в морской воде на акватории Охотского моря определяется пространственным распределением подводных источников метана, причем в шельфовой зоне о-ва Сахалин метан активно выделяется в морскую среду и атмосферу, а на
значительной части акватории происходит поглощение метана из атмосферы.
Факелы газовых пузырьков с аномально высоким содержанием метана на шельфе и
склоне о-ва Сахалин и во впадине Дерюгина вызывают апвеллинг придонных вод в вышележащие горизонты и падение концентрации кислорода в глубинных водах.
Обнаружено новое природное явление – формирование обогащенных метаном горизонтальных слоев морских вод на различных глубинах. Максимальная (до 1000 км) протяженность такого слоя наблюдается в холодном подповерхностном слое морских вод,
существование которого обусловлено фазовыми переходами молекул воды при гидрофобной гидратации природного газа.
ЛИТЕРАТУРА
1. Аникиев В.В., Обжиров А.И. Влияние низкотемпературных гидротерм на газовый состав придонной воды
в Охотском море // Океанология. 1993. Т. 33, № 3. С. 360-366.
2. Мишукова Г.И., Обжиров А.И., Мишуков В.Ф. Метан в пресных и морских водах и его потоки на границе
вода–атмосфера в Дальневосточном регионе. Владивосток: Дальнаука, 2007. 159 с.
3. Мониторинг метана в Охотском море / А.И.Обжиров, В.А.Соснин, А.Н.Салюк и др. Владивосток:
Дальнаука, 2002. 250 с.
4. Обжиров А.И. Газогеохимические поля придонного слоя морей и океанов. М.: Наука, 1993. 139 с.
5. Обжиров А.И., Астахова Н.В., Липкина М.И. и др. Газо-геохимическое районирование и минеральные
ассоциации дна Охотского моря. Владивосток: Дальнаука, 1999. 184 с.
6. Региональный каталог землетрясений острова Сахалин, 1905–2005 / Л.Н.Поплавская, А.И.Иващенко,
Л.С.Оскорбин и др. Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 2006. 104 с.
7. Шахова Н.Е., Алексеев В.А., Семилетов И.П. Прогноз эмиссии метана на Восточно-Сибирском шельфе
// Докл. АН. 2010. Т. 430, № 4. С. 533-536.
8. Шахова Н.Е., Семилетов И.П., Бельчева Н.И. Растворенный метан в шельфовых водах Арктических морей
// Докл. АН. 2005. Т. 402, № 4. С. 529-533.
9. Johansen O. Development and verification of deep-water blowout models // Mar. Pollut. Bull. 2003. Vol. 47.
P. 360-368.
10. Lammers S., Suess E., Mansurov M.N., Anikiev V.V. Variations of atmosheric methane supply from the Sea of
Okhotsk induced by the seasonal ice cover // Global Biogeochem. Cycles. 1995. Vol. 9, N 3. P. 351-358.
11. Lekvam K., Ruoff P. Kinetics and mechanism of methane hydrate formation and decomposition in liquid water.
Description of hysteresis // J. Cryst. Growth. 1997. Vol. 179. P. 618-624.
12. Rehder G., Suess E. Methane and pCO2 in the Kuroshio and the South China Sea during maximum surface
temperature // Mar. Chem. 2001. Vol. 75. P. 89-108.
13. Sassen R., MacDonald I.R. Hydrocarbons of experimental and natural gas hydrates, Gulf of Mexico continental
slope // Org. Geochem. 1997. Vol. 26, N 3/4. P. 289-293.
14. Watanabe S., Higashitani N., Tsuroshima N., Tsunogai S. Methane in the Western North Pacific // J. Oceanogr.
1995. Vol. 51, N 1. P. 39-60.
15. Yapa P.D., Cheng L., Chen F. A model for deepwater oil / gas blowouts // Mar. Pollut. Bull. 2001. Vol. 43.
P. 234-241.
43