ИСТИНА

Количественная оценка роли мерзлых пород в физическом, химическом и биологическом преобразовании потоков метана из источников, связанных с недрами Земли

Methane in permafrost can be considered as an energy source, since methane forms clusters in the upper horizons of frozen rocks. Methane in permafrost can be considered as a source of geological hazard, because methane is an explosive gas that forms accumulations in rocks. Methane in permafrost can be considered as an opportunity to effectively respond to great challenges in the light of the interaction between nature and man, because methane is a greenhouse gas and its amount and mode of release to the surface can determine the greenhouse effect. This project aims to characterize the characteristics of the methane budget in zones of tectonic disturbances (faults) of various orders in the cryolithozone to determine the participation of geological methane in the formation of methane flows observed on the surface, as well as gas inclusions and accumulations in soils and permafrost. So far, information about the flows and concentration of methane in the permafrost has not been tied to tectonic disturbances, and the involvement of microbiologists, and even specialists, traditionally engaged in bacterial surface methane in a team of geologists and geochemists is being held for the first time. For the first time, the budget of methane faults will be considered at a quantitative level. Simulation of flows from wells and the search for sources of methane in frozen rocks using isotopic balance was not used for frozen rocks. For the first time, surface and deep methane will be considered for the cryolithozone as part of a unified system, including not only the cumulative flux on the surface, but also its transformations in the frozen rock profile. Geophysical, geochemical, isotope, microbiological methods, spatial analysis and simulation of wave simulation will determine the features of the budget of deep methane in the upper horizons of the cryolithozone rocks (30-50 m) in the zones of tectonic disturbances taking into account the bacterial filter and depot. Migration routes, temporal deposit sizes, spatial distributions of methane accumulations in temporary depots in the upper layers of frozen rocks, and isotope transformations of deep methane will be assessed. Methane reserves in the upper horizons of frozen rocks and the degassing mode of the cryolithozone during permafrost degradation will be estimated. These results are ahead of the world level of research, specifying the role of frozen rocks in the transformation of the flow of deep gases. The results are of practical importance, since the determination of patterns of propagation in the permafrost of methane accumulations — mineral and explosive gas — will make it possible to assess the geological hazard to the life and functioning of residential, transport and industrial infrastructure, as well as the feasibility of using them as an alternative energy resource if not in industrial, it is in everyday life.

Будут определены особенности бюджета глубинного метана в верхних горизонтах пород криолитозоны (30-50 м) в зонах тектонических нарушений с учетом бактериального фильтра и депо. Будут оценены пути миграции, размеры временного депонирования, пространственные распределения скоплений метана во временных депо в верхних горизонтах мерзлых пород и изотопные преобразования глубинного метана. Будут оценены запасы метана в верхних горизонтах мерзлых пород и режим дегазации криолитозоны при деградации мерзлоты. Эти результаты опережают мировой уровень исследований, конкретизируя роль мерзлых пород в преобразовании потока глубинных газов. Результаты имеют прикладное значение, поскольку определение закономерностей распространения в мерзлоте скоплений метана - полезного ископаемого и взрывоопасного газа - позволит оценить геологическую опасность для жизнедеятельности, функционирования объектов жилой, транспортной и промышленной инфраструктуры, а также целесообразность их использования в качестве альтернативного энергоресурса если не в промышленных, то в бытовых масштабах.

Сотрудники лаборатории криологии почв ИФХиБПП ФИЦ ПНЦБИ РАН разрабатывали тематику распределения метана в мерзлоте с 2003 г. Краев Г.Н. владеет методикой отбора и дегазирования образцов мерзлых почв и многолетнемерзлых пород (headspace), а также наблюдений за потоками парниковых газов с поверхности и из скважин. Им скомпилирована базы данных по концентрации метана в верхних горизонтах мерзлоты (более 1200 измерений в Западной и Восточной Сибири на глубинах до 100 м) и разработан математический аппарат механизма криогенного перемещения метана в промерзающих породах, который будет использован для исследования потенциальной биологической продукции метана в таликах. Спасенникова К.А. занимается моделированием тепловых полей, массопереноса, промерзающих и мерзлых пород исследовала их проницаемость. В 2017 г. Краев Г.Н. проводил исследования в рамках площадной геохимической и геофизической съемки по заказу ООО «Газпромгеологоразведка» совместно с А.В. Кудрявцевым и И.А. Шелоховым на Санской площади Песцового месторождения. А.А. Веремеева имеет большой опыт исследования термокарстовых процессов и ландшафтной индикации в криолитозоне. А. В. Лупачевым разработана концепция почвенно-мерзлотного комплекса, объединяющего в единую систему развития криогенные почвы и верхние слои многолетнемерзлых пород, что позволяет анализировать динамику мощности сезонного оттаивания. Е. Соколова – сотрудник лаборатории криологии почв ИФХиБПП РАН, специалист в области микробиологии, участник ряда экспериментальных работ по определению состава микробиоты криогенных и почв и многолетнемерзлых пород, а также специфических экосистем внутри мерзлых пород (криопэги – зоны повышенной концентрации солей в толщах мерзлых пород, остающиеся талыми при отрицательных температурах).

Установлено, что в промороженных почвах при приближении к линеаментам, маркирующим границы тектонических блоков, увеличивается корреляция между метаном и более тяжелыми углеводородами, которые являются геохимическим индикатором залегания нефти и газа. При средней концентрации метана в почве на удалении более 200 м от линеаментов порядка 0.016 г метана / куб. м, на расстоянии 0.1 м от линамента концентрация составляет порядка 0.063 г метана / куб. м. Первое значение можно принять за уровень бактериальной продукции, а разницу первого и второго 0,047 г метана / куб. м – за поступление из геологических источников. На Санской площади двухсотметровые зоны затухания вклада геологических источников вокруг линеаментов могут составлять порядка 75% всех запасов метана в промерзших почвах. Определено, что тектонические нарушения являются не единственным источником поступления метана из геологических источников на поверхность. Вторым по значимости источником является диффузионный поток. Свое наименование он получил по причине рассеяния, а не по причине процесса диффузии. Очевидно, именно благодаря ему имеется зона затухания вклада геологических источников вокруг линеаментов. За счет просачивания в почвы из мерзлых пород попадает порядка 0,005 мг метана / куб. м. Границы области, в которых справедливо принять его за основной геологический источник метана совпадают с территорией где показатель сухости газа (отношения концентрации метана к сумме концентраций этана и пропана) Учитывая, что такой характер поступления широко распространен (на Санской площади занимает не менее 25% территории), диффузионный поток может вносить до 10% в суммарные запасы метана в почвах территории нефтегазового месторождения. Время поступления метана могло предшествовать формированию мерзлых пород. Однако, наличие постоянно высоких концентраций этана и пропана в почвах Cанской площади позволяют предполагать наличие постоянного подтока и фильтрации флюида по системе пор и проницаемых горизонтов. Идентифицирован и третий геологический источник - микросипы, для которых характерны аномалии концентрации гелия, формирующие концентрические участки в пределах Санской площади. Превышение метана над средними значениями, ассоциируемыми с бактериальной продукцией, составляет около 0.005 г метана / куб. м. Они занимают лишь 5% от площади месторождения и дают суммарный вклад в общие запасы в почвах, которые были имерены зимой не более 2 %. Суммарно вклад геологических источников в почвенные запасы оценивается в пределах от 15 до 50% средних оценок запасов метана в почвах Санской площади. Термокарстовые котловины и заболоченные земли, тем не менее являются наиболее сильным источником метана. Концентрация метана в их почвах составляет порядка 1.2 г / куб. м, а площадь распространения составляет 10% на участке исследований на Санской площади. В разрезе мерзлых пород геофизическими методами обнаружены проницаемые участки в форме куполообразных поднятий в подошве слоя мерзлоты, в виде зон трещиноватости. Особое внимание эти зоны привлекли наше внимание под термокарстовыми озерами и буграми пучения. Под тремя из шести бугров пучения исследованных на Санской площади были обнаружены зоны повышенной проницаемости, которые прослеживаются как в толще мерзлоты, так и в более глубоко залегающих породах покрышки нефтегазоносных слоев. В двух из этих бугров пучения в процессе бурения наблюдались выбросы газа или воды. Можно сделать заключение о сложном строении мерзлых пород и значительной роли флюидодинамических процессов в формировании отдельных морфоструктур и насыщенности метаном мерзлых толщ.