ГАЗОГИДРАТЫ В ПРЕСНОВОДНОМ БАЙКАЛЕ

В марте 2000 г. экспедиция, организованная Лимнологическим институтом СО РАН в г. Иркутске в рамках соглашения о научном сотрудничестве между Россией и Бельгией, обнаружила газогидраты в придонных отложениях озера Байкал.

Газогидраты -- это твердые соединения, образующиеся из метана и воды при определенном давлении и температуре. Они встречаются главным образом в океанах и районах вечной мерзлоты на севере. В океанах они находятся на континентальных склонах как слои, располагающиеся ниже морского дна на несколько сотен метров. Для их обнаружения используются геофизические методы, а также бурение осадочных пород. Гораздо реже газогидраты встречаются вблизи морского дна (на глубине нескольких метров от его поверхности) в пределах газовыделяющих структур, похожих на грязевые вулканы. Так происходит, например, на Черном, Каспийском, Средиземном и Охотском морях.

О возможном присутствии газогидратов в осадках озера Байкал впервые заговорили в 1992 г. на основании результатов российско-американской глубинной сейсмической экспедиции, исследовавшей Южную и Центральную котловины озера. Сейсмический сигнал, известный как BSR (Bottom Simulating Reflector -- кажущаяся отражающая граница), был зафиксирован в сейсмических профилях на глубине нескольких сотен метров осадочных пород и позволил предположить присутствие слоя газогидратов. Сигнал появляется в осадках на обширной территории севернее и южнее дельты реки Селенга. В 1998 году газогидраты удалось найти на глубине 120 метров в районе Южной котловины в ходе осуществления программы "Байкал-бурение" под руководством член-корр. РАН М.Кузьмина, директора Института геохимии СО РАН. Находка подтвердила присутствие газогидратов в толще донных отложений озера Байкал на глубине нескольких сотен метров. Месторождение газогидратов в пресной воде является уникальным.

Анализ сейсмических профилей, полученных в 1989 и 1992 гг. в рамках совместного российско-американского проекта, показал неравномерное распространение BSR, с дезинтеграцией слоя газогидратов по линии сбросов, и предположительно выделение метана со дна озера вдоль этих зон. Это послужило основанием для подачи заявки в ИНТАС на осуществление проекта (96--1915) по данной теме. В 1998 г. началась работа по проекту в рамках российско-бельгийского соглашения о научном сотрудничестве с целью тщательного изучения придонных структур, связанных с газогидратами, и поиска газовыделяющих структур на дне озера.

Летом 1999 г. экспедиция, организованная Лимнологическим институтом СО РАН под руководством проф. Марка де Батиста из университета г. Гента (Бельгия), исследовала поверхность дна озера и верхних слоев осадков котловины южнее дельты реки Селенга с использованием различных геофизических методов.

По сейсмическим записям высокого разрешения удалось определить все особенности BSR в данном районе, а также наблюдать ясно обозначенные зоны распада слоя газогидратов вдоль разломов. Кроме того, были обнаружены вертикальные каналы, по которым газ движется вдоль разломов и достигает дна озера. Ученые из ВНИИ Океанологии (Санкт-Петербург), используя гидролокационную станцию бокового обзора, получили профили над зоной выделения газа, где ясно выражены структуры, находящиеся на дне озера. На профилях отчетливо видны грязевые вулканы, сгруппированные в три отдельных участка выброса газа, расположенных на линии в направлении ВСВ, параллельно зоне разлома на глубине около 1350 метров. Диаметр кратеров достигает 2 километров.

При помощи эхолотирования произведено детальное картирование. Этим же методом в воде был неожиданно обнаружен газовый плюм на расстоянии около 25 метров выше центра кратера. Наличие плюма свидетельствовует о продолжающейся активности данных участков, но процесс, приведший к образованию плюма, определить не удалось, хотя были применены специальные методы (например, метод профилирования CTD) для измерения температурных изменений, проводимости, содержания кислорода и количества частиц в столбе воды. В пробах, взятых на различной глубине, нашли метан.

Изучение теплового потока ясно продемонстрировало наличие его аномалий в районе выхода газов. В экспедиции, кроме уже упомянутых Лимнологического института, Гентского университета и ВНИИ Океанологии, участвовали Королевский музей Центральной Африки (Тервюрен, Бельгия), Объединенный институт геологии, геофизики и минералогии и Институт химической кинетики и горения СО РАН из Новосибирска.

В результате работ, проведенных летом 1999 г. с борта исследовательского судна "Верещагин", впервые выявлено присутствие газовыделяющих структур на дне озера Байкал, определена их структура, продемонстрирована связь между слоями газогидратов, глубоко погруженных в осадочные породы. Тем не менее, ряд точных экспериментов по изучению газовыделяющих участков не мог быть осуществлен из-за того, что течение мешало зафиксировать судно в заданной точке во время погружения инструментов на дно озера. Поэтому было принято решение о проведении зимой 2000 г. дополнительных исследований участков выделения газов с целью точного проведения экспериментов. Лимнологический институт взял на себя организацию зимней экспедиции, техническое обеспечение организовала станция нейтринного телескопа Института физики при Иркутском государственном университете. Для проведения запланированных экспериментов была создана довольно большая команда из специалистов Королевского музея Центральной Африки (Тервюрен, Бельгия), Института геохимии (Иркутск), Объединенного института геологии, геофизики и минералогии (Новосибирск) и ВНИИ Океанологии (Санкт-Петербург), имеющих опыт изучения газогидратов в океане.

Для определения места проведения экспериментов использовалась полученная летом информация о расположении газовыделяющих структур и о положении плюма над этими участками. Эксперименты по отбору керна были начаты внутри плюма на одном из грязевых вулканов, "Большом" кратере. Хотя в полученных осадочных породах присутствовал газ, они не обладали необходимыми характеристиками газовыделяющих структур. После нескольких неудачных попыток стало ясно, что течения могли сместить плюм относительно места выброса газов. Экспедиция перешла к другому кратеру, "Маленькому", где плюм занимает меньший участок. После тщательного изучения летних профилей отбор проб был произведен ниже, предположительно в центральной части кратера. Полученные осадочные породы обладали характерными особенностями недавней переработки и отличались высоким содержанием газов. Были взяты образцы газов, воды, содержащейся в осадочных породах (поровой воды), воды на границе вода -- осадочные породы, а также поверхностных осадков и воды для определения микробиологической активности. Эксперимент несколько раз повторялся, и каждый раз получали тот же тип осадочной породы с высоким содержанием газов. Однако удивление вызвал тот факт, что пробоотборник собирал не более 40--50 см осадков.

Главная задача экспедиции -- дополнить летнюю коллекцию проб, была выполнена. Лабораторный анализ собранных образцов должен дать сведения о природе и происхождении газов и их возможной связи с газогидратами. Но, по общему мнению, можно было добиться больших результатов. Приведем только одно наблюдение: температура, измеренная в осадочных кернах с помощью игольного термометра, показала локальные аномалии, хотя и не вполне убедительные, которые могут указывать на распад на поверхности газогидратов. Был увеличен вес пробоотборника, и коллектив научных и технических сотрудников приложил все усилия, чтобы продолжать отбор проб снова и снова.

Оператор лебедки, не обращая внимания на холод, ветер и снег, поднимал керн за керном. В конце концов, вечером 21 марта, когда бур достиг поверхности, Олег Хлыстов, ответственный за бурение, увидел пузыри газа, интенсивно поднимающиеся на поверхности воды. Пробоотборник поднялся над водой, был вытащен вкладыш из трубы у основания керна, и после обычных 40 сантиметров осадков мы увидели крупные кристаллы газогидратов. Толщина слоя газогидратов -- около 10 см, размер кристаллов достигал 7 см.

Кристаллы газогидратов для последующего изучения поместили в герметичные баллоны с жидким азотом, газ и поровую воду собрали с находящихся сверху осадков. Была измерена температура и теплопроводность осадочных пород.

При повторных отборах газогидраты были обнаружены еще несколько раз в основании 25--40 см осадков. Стало ясно, что твердый слой газогидратов препятствовал проникновению трубки в нижележащие донные осадки. Подробная топографическая карта дна была составлена с помощью эхозондирования через слой льда. Было видно, что участок, где немного ниже поверхности дна озера были обнаружены газогидраты, расположен в кратере, вытянутом с востока на запад.

В то время, как группа ученых активно занималась отбором проб газогидратов, их консервацией и подготовкой для анализа, Николай Гранин со своим коллективом работал над изучением столба воды с помощью CTD-профилирования и отбора проб воды. Он открыл, что фактически температурный профиль водного столба над участками выброса газов обладает свойствами, сильно отличающимися от обычных профилей водного столба в озере Байкал. Положительные и отрицательные аномалии изменения температуры в нижней части водного столба служат подтверждением гипотезы о том, что плюм над участками выброса газов появляется благодаря присутствию формирующихся в воде газогидратов в начальной стадии образования, когда выделяющийся метан входит в контакт с холодной донной водой. Поднимаясь вверх, газогидраты приводят к нарушению равновесия и образованию смешанного слоя, обогащенного метаном. Эта гипотеза главным образом основана на интерпретации температурных аномалий, полученных с помощью CTD-профилей, и должна быть подтверждена анализом метана, содержащегося в воде на различной глубине, и другими физическими опытами.

Когда "усталые, но довольные" участники экспедиции перенесли оборудование и драгоценные образцы на берег озера, температура воздуха впервые поднялась выше ноля градусов по Цельсию, и начался медленный процесс таяния ледового покрова озера.

Открытие газогидратов в придонных осадках озера Байкал, связанных с участками выброса газов, имеет особое значение, поскольку газогидраты впервые обнаружены на небольшой глубине в пресноводной среде. В настоящее время выявлено три источника газов, и только в одном из них обнаружены газогидраты. Наиболее вероятно, что они чаще встречаются в Южной, но вероятно есть также и в Центральной котловине озера. Составление топографической карты озерного дна -- первоочередная задача для выявления распространенности данных структур и изучения возможной связи с тектоническими процессами, идущими в бассейне озера.

Химические характеристики газогидратов, поровых вод и газов, содержащихся в осадках, связанных со слоем газогидратов, должны быть внимательно изучены. Для соленой воды эти характеристики достаточно хорошо известны благодаря исследованиям месторождений газогидратов в океане. О химических характеристиках для пресной воды почти нет сведений. Частично эта работа может быть выполнена с использованием уже имеющихся проб, но для изучения осадочного разреза большего объема требуется глубинное бурение.

Хотя газогидраты были неоднократно обнаружены в областях выброса газов в океане, распределение и, в особенности, объем газогидратов, содержащихся в данных структурах, изучены еще недостаточно. Требуется проведение тщательных исследований участков выброса газов. Озеро Байкал очень хорошо подходит для выполнения этой работы, поскольку здесь можно проводить исследования летом с кораблей и зимой со льда, что позволяет выбрать наиболее подходящее место для экспериментов и очень подробно исследовать выбранный район.

Поддонные участки газогидратов в озере Байкал -- превосходная экспериментальная база для оценки количества и пространственного размещения газогидратов в структурах данного типа. Для проведения исследований необходимо получить образцы более глубоких осадочных слоев и применять комплексно несколько физических методов. Воды озера Байкал считаются очень чистыми. Если внешнее загрязнение и существует, то оно контролируемо и имеет ограниченный характер. Сейчас стало ясно, что загрязнение вод озера метаном вызывается также естественными процессами. Необходимо оценить содержание метана в воде.

Изучение биоты в местах выброса метана следует дополнить исследованием влияния метана, присутствующего в воде, на биоту озера. Кроме того, как показано, выделение метана на дне озера приводит, в частности, к процессам перемешивания в нижней части водного столба. Следует изучить влияние этих процессов на гидродинамику озера. Очевидно, что выделение метана на дне озера -- важный дополнительный процесс, который нужно учитывать при изучении вентиляционных процессов в озере.

Ян Клеркс, профессор,
Королевский музей Центральной Африки,
Бельгия.