Физико-химическая модель генерации и эмиссии метана на донных осадков озера Байкал

Физико-химическая модель генерации и эмиссии метана на
донных осадков озера Байкал
д.г.-м.н. Кашик С.А., академик МАНВШ, проф. Исаев В.П.
Институт земной коры СО РАН
Рассматривается модель формирования метана в донных отложениях озера Байкал в
результате раннедиагенетических процессов. Показано, что величина равновесного давления
в системе растворенный метан-газовая фаза прямо зависит от минерализации порового
раствора: чем выше последняя, тем более высокое давление должно быть приложено для
сдерживания газовыделений. То есть, чем глубже зашло взаимодействие вода-осадок, тем
большее количество метана в растворенной форме накапливается в поровом пространстве
донных осадков, и тем большие глубины водной толщи требуются для подавления газовых
выбросов.
Эмиссия углеводородных газов из донных отложений озера Байкал известна давно.
Наиболее многочисленные потоки метана в виде грифонов фиксируются на Селенгинском
мелководье, вблизи устья р. Селенги и залива Провал). Выполненные подсчеты показали, что
суммарный дебит газовыделений достигает в данном регионе 20 млн. м3 в год [1].
Локализация выбросов СН4 в придельтовой зоне озера обусловлена, с одной стороны,
выносом больших количеств органического углерода р. Селенгой в виде растительного
детрита (достаточно сказать, что ежегодно ею в составе взвеси сбрасывается от 57 до 630
тыс. тонн Сорг., или в среднем 196 тыс. тонн). С другой стороны, тем, что внутренняя
ежегодная биогенная нагрузка седиментационного потока фитопланктоном в Байкале еще
более впечатлительна и по данным [2] достигает около 4000 тыс. тонн.
Быстрому захоронению растительных остатков способствуют высокие скорости
осадконакопления вблизи авандельты р. Селенги. Причем точность количественных
определений величин скорости накопления отложений не вызывает никаких сомнений. В
возникшем всего за два дня (с 13 по 14 января 1862 г.) заливе Провал выше затопленной
почвы бывшей Цаганской степи за 100 лет накопился слой ила мощностью 1,8 - 3,6 м [3].
Следовательно, осадконакопление происходило здесь со скоростью от 1,8 до 3,7 см в год.
При таких темпах осадкообразования растительный материал не успевал сгорать в хорошо
аэрируемой байкальской воде и почти полностью захоронялся в донных отложениях. Еще
одним дополнительным источником органического углерода в зоне авандельты могли
служить погребенные торфяники бывшей Цаганской низменности, достигающие
полуметровой мощности, а также широко развитые до глубин 1-1,5 м заросли водной
растительности.
Формирование метана происходит в процессе диагенетических преобразований осадка,
когда неравновесная система вода-осадок, постепенно трансформируясь на пути к
стационарному состоянию, превращается в породу.
Как было показано ранее, интенсивное возрастание концентраций СН 4 в поровых
растворах начинается после процессов нитрат- и сульфатредукции [4], когда исчезают
последние источники кислорода.
(CH2O)106(NH3)16(H3PO4)+ 84.8NO3- = 7.2CO2 + 98.8HCO3- + 16NH4+ +
+42.4N2 +HPO4- + 49.6H2O (денитрификация) (1)
(CH2O)106(NH3)16(H3PO4)+ 53SO42- = 106CO2 + 16NH3 + 53S22- + H3PO4 +
+ 106H2O (сульфатредукция) (2)
В противном случае, выделяющийся в результате указанных процессов кислород будет
продолжать окислять органику и генерировать углекислый газ. Метанообразование
осуществляется на последней стадии раннего диагенеза в результате реакции
диспропорционирования [5], в этом случае органический материал (формула Редфилда [6])
разлагается по схеме:
(CH2O)106(NH3)16(H3PO4) = 53CH4 + 53CO2 +16NH3 + H3PO4 (3)
На внешнем крае Селенгинского мелководья в поверхностном слое осадков в среднем
содержится 3% Сорг. от терригенной части [7], то есть примерно 60%, поступающего
органического вещества подвергается деструкции сразу ниже поверхности раздела водаосадок.
Чтобы попытаться оценить количество образующегося в процессе раннего диагенеза
метана, нами была построена имитационная модель взаимодействия донных отложений с
байкальской водой, при этом предполагалось, что весь органический углерод утилизируется
по реакциям (1-3). Таким образом, система закрывалась по отношению к источникам
растворенного кислорода, то есть первоначально кислородсодержащие байкальские воды в
процессе раннего диагенеза не подпитывались газами из озерного резервуара. Это вполне
вероятно, так как по многочисленным наблюдениям инверсия окислительного режима на
восстановительный происходит уже в самых верхних частях осадках, на глубине от первых
миллиметров до первых сантиметров ниже поверхности дна. Так по данным [8] мощность
окисленного слоя в районе дельты Селенги колеблется от 0,6 до 23 мм.
Моделирование проводилось с помощью программного комплекса "Селектор" [9] при
температуре придонной воды (3,8оС) и различных величинах давления, имитируя протекание
процессов взаимодействия вода-осадок на различных глубинах. В расчетах использовался
уточненный состав байкальской воды [10] и усредненный химический состав верхней части
байкальских донных отложений, отобранный по 34 станциям [4].
Результаты моделирования показывают, что величина равновесного давления в системе
растворенный метан-газовая фаза прямо зависит от минерализации порового раствора: чем
выше последняя, тем более высокое давление должно быть приложено для сдерживания
газовыделений. Другими словами, чем глубже зашло взаимодействие вода-осадок, тем
большее количество метана в растворенной форме накапливается в поровом пространстве
донных осадков, и тем большие глубины водной толщи требуются для подавления газовых
выбросов. Наибольших величин общей минерализации и содержаний растворенного метана
поровые растворы достигают, если в процессе диагенетических реакций перерабатывается
примерно половина исходного осадка. Это, безусловно, крайний вариант, но мы намеренно
представили такой вариант для большей наглядности (рис. 2). В то же время следует
заметить, что взятые в расчет 3% органического углерода, как среднее содержание в донных
осадках, не совсем адекватно отражают истинное количество захоранивающегося
растительного материала, поскольку часть его (возможно значительная) могла быть
утилизирована в постседиментационных процессах.
Рис. 2. Растворимость (S) метана (квадраты) и равновесие в системе метан-вода
(треугольники) в зависимости от общей минерализации (M) порового раствора и общего
давления.
Вблизи линии равновесия СН4 раствор - СН4 газ в осадке формируется так называемый
активный слой [11], вблизи верхней границы которого начинают формироваться пузырьки
газа.
Из-за возникающих градиентов концентраций и давлений растворенный газ стремится
мигрировать из зон пьезомаксимумов в зоны пьезоминимумов и таким образом начинает
выделяться в газовую фазу. Кроме того, граничные условия равновесного давления в системе
СН4 раствор - СН4 газ могли меняться из-за сезонных понижений уровня озера, которое может
составлять более одного метра, что в свою очередь также способствует процессам
газовыделения.
На основе построенной модели метаногенерации в донных отложениях, можно
приблизительно оценить возможные количества выделяющегося газа в зонах разгрузки. При
давлении 21,5 атм. концентрация метана в растворе составляет 13,74 мг/л или 0,904 мл/л. В
условиях падения давления до нормального, а это происходит на поверхности раздела водаатмосфера, объем газа увеличится в 21,5 раз и составит 19,44 см3. Такое количество газа
выделяется из 1л раствора. Учитывая пористость верхнего неконсолидированного слоя
байкальских осадков, которая по данным [12] колеблется в пределах 87-90%, из 1000 см3
отложений выделяется ~ 17 см3 газа. Несложные расчеты показывают, что в таком случае с
одного квадратного метра поверхности дна и десятисантиметровой мощности активного слоя
может выделиться 170000 см3 метана. Это сопоставимо с замерами выделений метана из
керна в скважине BDP-96 [13].
По данным [11] количественно эмиссию газа из осадка можно оценить из
полуэмпирического уравнения:
J(CH4) = 139X2/(1 - X), (2)
где J - поток газа в см3/м2день и Х - мольное количество газа.
Измерения показали, что в метановых выделениях на Байкале СН4 составляет в среднем
75 объемных процентов и остальная часть приходится на азот [1]. В таком случае, мольная
доля метана составит 0,64, а ежедневный поток 158 см3. Таким образом, эмиссия метана из
донных отложений Байкала может продолжаться годами, что подтверждается натурными
наблюдениями.
Работа выполнен при поддержке РФФИ, грант 02-305-65395, Министерства
образования и науки, грант E02-9.0-50, гранта программы "Университеты России"
УР09.01.011, Государственного контракта с республикой Бурятия N17-4/5-?.
Список литературы
1. Исаев В.П., Коновалова Н.Г.Б Михеев П.В./ Геология и геофизика. 2002. Т. 47. N 7.
С. 638-643.
2. Вотинцев К.К., Поповская Г.И. В кн.: Круговорот вещества и энергии в озерах и
водохранилищах. Листвиничное на Байкале, 1973. С. 75-77.
3. Казенкина Г.А., Ладохин Н.П. // Труды Вост.-Сиб. Геологического института. 1961.
Вып. 3. С. 35-49.
4. Кашик С.А., Мазилов В.Н.//ДАН. 1991.Т. 316. N 4. С. 966-969.
5. Froelich P.N., Klinkhammer G.P., Bender M.L. at al.// Geochm. et Cosmochim. Acta.1979.
V. 43. P. 1075-10-90.
6. Redfield A.C.// Am. Sci. 1958. V. 46. P. 206-226.
7. Выхристюк Л.А. Органическое вещество донных осадков Байкала. Новосибирск:
Наука, 1980. 80 с.
8. Martin P., Granina L., Martens K., Goddeeris B.// Hydrobiologia. 1998. V. 367. P.163-174.
9. Карпов И.К. Физико-химическое моделирование на ЭВМ в геохимии. Новосибирск:
Наука, 1981. 247 с.
10. Кашик С.А., Карпов И.К., МазиловВ.Н.// ДАН. 1993.Т. 328. С.731-734.
11. Makhov G.A., Bazhin N.M./ /Chemosphere. 1999. V. 38. P. 1453-1459.
12. Мизандронцев И.Б. В кн.: Проблемы Байкала. Новосибирск: Наука, 1978. С. 33-46.
13. Кузьмин М.И., Калмычков Г.В., Гелетий В.Ф.. и др.// ДАН. 1998. Т. 362. С. 541-543.
14. Коллектив участников проекта "Байкал-бурение"// Геология и геофизика. 2000. Т.
41. N 1. С. 3-32.