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)
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.