Формирование зон водорастворенных газов в Черном море

Размещено на http://www.allbest.ru/

Формирование зон водорастворенных газов в Черном море

А.Е. ВОРОБЬЕВ, д.т.н., профессор, зав. кафедрой нефтепромысловой геологии, горного и нефтегазового дела,

А.Т. РОМАН, магистрант,

Российский университет Дружбы народов (г. Москва),

В.С. ПОРТНОВ, д.т.н., профессор, директор ДОУП,

А.К. ТУРСУНБАЕВА, д.т.н., профессор кафедры ММиН,

Г.Г. ТАТКЕЕВА, д.т.н., профессор, директор ИТЭиА,

Карагандинский государственный технический университет

Черное море со средней глубиной 1300 метров ниже глубины 100 метров практически целиком заполнено растворенным сероводородом - ядовитым газом, объем которого составляет более 20 тысяч кубометров. В его центре сероводородная зона приближается к поверхности примерно на 50 метров, ближе к берегам глубина, откуда начинается заморная зона, увеличивается до 300 метров.

Существует две точки зрения на формирование этой зоны. Согласно первой, которой придерживается большинство исследователей, около 9000 лет назад в связи с геологическими процессами восстановилась связь Черного моря со Средиземным через мелководный пролив Босфор, и в опресненные воды черноморской впадины начали поступать более соленые и плотные воды Средиземного моря. Поскольку эти воды были значительно тяжелее, то они попадали сразу на дно котловины. Последующее развитие плотностной стратификации резко ограничило скорость вертикального обмена, а следовательно, и поступление кислорода в глубинные слои моря. В Мраморное море и далее уходит опресненная речным стоком, а потому более легкая черноморская вода, а навстречу ей, точнее под ней, через Босфорский порог в глубину Черного моря скатывается более соленая и более тяжелая средиземноморская вода. Получается что-то вроде гигантского отстойника, в глубинах которого в течение последних шести-семи тысяч лет постепенно скапливался сероводород.

На сегодня эта мертвая толща составляет свыше 90 % объема моря. В XX веке в результате загрязнения моря органическим антропогенным веществом граница сероводородной зоны поднялась из глубины на 25-50 метров. Проще говоря, кислород из верхнего тонкого слоя моря не успевает окислять сероводород, подпирающий снизу.

В глубинных водах моря 7000-8000 лет назад сформировалась устойчивая зона анаэробных условий, которая за прошедший период достигла современного физико-химического состояния.

Допускается определенное влияние на формирование сероводородной зоны тектонических факторов, которые могут сопровождаться прямым поступлением сероводорода из недр Земли по тектоническим разломам или в результате извержения подводных вулканов.

Черное море в разрезе

сероводородный метан море тектонический

Вторая точка зрения, которая в свете последних данных находит весомое подтверждение, связывает начало формирования сероводородной зоны именно с тектоническими факторами, которые возникли 7000-8000 лет назад в результате движения литосферной плиты, подвигающейся под Крымский полуостров, когда произошел разлом земной коры, пересекающий Черное море от района Главного Кавказского хребта до западного побережья моря. Через этот разлом, а также образовавшиеся многочисленные трещины в придонный слой моря произошел катастрофический выброс газа (в основном метана, а также и сероводорода). В результате сложившейся ситуации началось образование сероводорода за счет гниения серосодержащих органических соединений и в результате восстановления сульфатов при разложении органического вещества.

Метан является важным элементом экосистемы Черного моря, который влияет на глобальное изменение климата. Полагается, что образование метаногидратов на дне глубоководной части Черного моря и струйные газовыделения по периферии бассейна являются составляющими одного глобального процесса - газоотдачи дна Черного моря. Анаэробное окисление метана обеспечивает его эффективный сток и предотвращает его поступление в атмосферу как парникового газа.

В результате прекращения тектонических процессов ведущее место в формировании восстановительных условий заняла сульфат редукция, поскольку, в присутствии сульфат редуцентов метанобразующие микроорганизмы продуцируют метан только в условиях, когда сульфат редукция идет не до конца образования, а завершается образованием карбогидратов и жирных кислот. Это является одной из причин довольно низких концентраций метана в водах Черного моря в настоящее время и фактически отражает состояние равновесия между его продуцированием в донных отложениях метанобразующими микроорганизмами и его убылью за счет окисления метанокисляющими микроорганизмами в зоне контакта аэробных и анаэробных вод и его анаэробного окисления в толще донных отложений в анаэробной зоне.

Изучение составляющих бюджета метана в Черноморской экосистеме имеет первостепенное значение, поскольку как поток метана в атмосферу, так и его аэробное и анаэробное окисление представляют главные стоки этого газа в море. Значительными являются и источники метана в Черном море - это газовыделения его по периферии бассейна как на западном, так и на восточном побережье, и метановые газогидратные образования в глубоководной части моря.

Сейчас внимание исследователей к вопросам геохимии этого газа в Черном море значительно возросло. Это связано со следующими обстоятельствами.

Во-первых, сейчас уже известно [1], что ежегодно концентрация метана в атмосфере увеличивается на 1 %, а это нельзя не учитывать при изучении вопроса глобального потепления на планете (парниковый эффект). И хотя метан по вкладу является вторым парниковым газом после СО₂, он в 21 раз более эффективно поглощает тепловую энергию, чем СО_2-

Во-вторых, в 80-е - 90-е гг. XX века появились публикации, относящиеся к поведению метана в Черном море. Это открытие в 1989 г. [2] газовыделений на северо-западном шельфе Черного моря, последующие исследования которых [3] показали, что выделяющийся газ на 94-98 % состоит из метана. Аналогичные газовыделения были обнаружены позже, в 1993 г., в восточной части моря на побережье Грузии в районе Поти - Батуми [4]. И здесь, как и на северо-западном шельфе, выделяющийся газ на 98 % состоял из метана.

Кроме обнаруженных газовыделений метана, в конце 80-х гг. XX века под руководством акад. Е.Ф. Шнюкова со дна Черного моря впервые была поднята трубка с газогидратами. Газогидраты - это газ (в основном метан), находящийся под высоким давлением при низкой температуре.

Мировое потребление газа составляет 3,6 триллионов мі в год. При этом природные месторождения природного газа на суше беднеют и иссякают. Объём в газовом состоянии метана, извлеченного только из Черного моря, составляет 16-18 тыс. триллионов мі. При тех же темпах добычи природного газа запасов хватит не меньше, чем на 5-6 тыс. лет мировому сообществу.

В начале 1950-х годов в заливе Уолфиш-Бей (Намибия) восходящее течение (апвеллинг) вынесло на поверхность сероводородное облако, до 150 миль в глубь материка. Сероводород - это горючий газ, который при сгорании даёт тепло в количестве около 268 ккал (при избытке кислорода).

В соответствии с реакцией:

2H₂S + 3О₂ = 2Н₂О + 2SО₂

Количество тепла, выделяющееся при сгорании водорода в кислороде, составляет около 68.4 ккал/моль:

Н₂ + 1/2 О₂ > Н₂О

По первой реакции образуется двуокись серы (вредный продукт) водород в качестве топлива можно получить при значительном нагреве сероводорода по реакции:

H₂S = H₂+S₃

Для разложения сероводорода требуется его незначительный нагрев.

Используя реакции по сжиганию сероводорода в кислороде воздуха:

2H₂S + 3О₂ = 2H₂О + 2SО₂,

сжигания полученной двуокиси серы

SО₂ + 0,5 О₂ = SО₃

и взаимодействия трёхокиси серы с водой

SО₃ + H₂О = H₂SО₄

Можно получить серную кислоту с попутным получением тепла около 194 ккал/моль.

Для извлечения сероводорода разрабатываются способы, основанные на фонтанировании насыщенных сероводородом вод из глубин моря.

В 1990 году был проведен наземный эксперимент, подтверждающий работу такого фонтана. Удачно закончился и натурный морской эксперимент.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алиев С.А., Рустамов Р.И. Геотермическая характеристика Азербайджанской части Куркинской впадины // Нефтегаз. геол. и геофиз. 1977. № 4. С. 17-19.

2. Зорькин Л.М. Геохимия газов пластовых вод нефтегазоносных бассейнов. М.: Недра, 1973.

4. Корценштейн В.Н. Новые данные о ресурсах растворенных газов пластовых вод крупнейших водонапорных систем и их значение для оценки прогнозных запасов газа // Докл. АН СССР. 1974. Т. 215. № 1. С. 178-180.

4. Корценштейн В.Н. К оценке глобальных ресурсов растворенных газов подземной гидросферы // Докл. АН СССР. 1977. Т. 235. № 2. С. 458-459.

5. Углеводородные газы пластовых вод нефтегазоносных бассейнов - возможный источник получения углеводородов / Л.М. Зорькин, В.Н. Корценштейн, Е.В. Стадник и др. // Докл. АН СССР. 1980, Т. 252. № 3. С. 681-683.

Размещено на Allbest.ru