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 СН4 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 вода-осадок.

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 вода-атмосфера, 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)

Поделитесь этой записью или добавьте в закладки