Группа российских ученых предложила наиболее эффективный комплекс геофизических методов детектирования и детального исследования зон массированного выхода метана из морских осадков на российском арктическом шельфе. Благодаря используемым методам и аппаратуре специалисты могут обнаруживать места интенсивных выбросов метана, изучать взаимосвязь выделения газа с распределением активных разломов земной коры и землетрясениями, деградацией подводной мерзлоты, а также оценивать влияние этих процессов на глобальный климат. Результаты проведенного исследования опубликованы в журнале Sensors.
Метан — парниковый газ, гораздо лучше удерживающий тепло в атмосфере Земли, чем двуокись углерода. По поводу его вклада в процесс глобального потепления ведется активный научный дискурс. Так или иначе, изучение метановых выбросов на шельфе с точки зрения их влияния на состояние климата — фундаментальная научная задача.
«Наши исследования имеют и важное практическое применение. Выбросы геофлюидов из морских осадков, особенно взрывоопасных газов, — это первоочередная геологическая опасность, которую необходимо учитывать при развитии инфраструктуры Северного морского пути и нефтегазового комплекса на морском шельфе», — прокомментировал Артем Крылов, ведущий авторы работы, старший научный сотрудник лаборатории геодинамики, георесурсов, георисков и геоэкологии Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН, выпускник МФТИ.
Потоки газа, выделяющиеся со дна моря, как правило, ослабляют структуру и естественную стабильность донных отложений и служат источником рисков при строительстве и эксплуатации подводных сооружений, таких как трубопроводы, морские терминалы и нефтяные платформы.
Исследователи продемонстрировали эффективность измерительного комплекса, состоящего из однолучевого и многолучевого эхолотов, сейсмопрофилографа высокого разрешения, донных сейсмостанций а также систем непрерывного сейсмоакустического профилирования и электроразведки, на материалах, полученных в ряде экспедиций в море Лаптевых.
«Уникальность комплекса состоит в совместном применении разноплановых измерительных установок для исследования одного типа объектов — так называемых метановых сипов, представляющих собой массированные выбросы пузырькового метана из морских осадков и широко распространенных на шельфе арктических морей. Метановые сипы изучаются на разных уровнях (в водной толще, в верхней части геологического разреза, а также их глубокие геологические корни и связь с тектоническими процессами) и с учетом специфики арктических морей: наличия льда, подводной мерзлоты и таликов», — пояснил Артем Крылов.
( а ) Конструкция донного сейсмографа МПССР: 1 – трехкомпонентный широкополосный сейсмометр СМЕ-4311, 2 – трехкомпонентный короткопериодный сейсмометр (СВ-10 и Ш-10), размещенный на подвесе , 3 – гидрофон 5007 м, 4 – самописец УРС-С, 5 – модуль цифрового компаса, 6 – аккумуляторный блок, 7 – защитный получехол для гидрофона, 8 – дюралевая сфера, 9 – бетон балласт; б – конструкция донного сейсмографа «Тайфун»: 1 – трехкомпонентный короткопериодный сейсмометр СМЕ-3311, 2 – гидрофон 5007 м, 3 – регистратор УРС-С, 4 – аккумуляторный блок, 5 ) защитный получехол для гидрофона, 6 – дюралевая сфера, 7 – бетонный балласт; ( в ) Внешний вид МПССР на НИС «Академик Мстислав Келдыш», осень 2018 г.; ( д) Внешний вид тайфуна на НЭС «Академик Мстислав Келдыш», осень 2019 г.; д , е – конструкция донных сейсмографов ГНС и ГНС-Ц: 1 – трехкомпонентный широкополосный сейсмометр СМЕ-4111, 2 – регистратор ГНС, 3 – акустический модем, 4 – блок аккумуляторов, ( 5 – акустический гидрофон, 6 – сейсмический гидрофон, 7 – пенетратор, 8 – стеклянный сферический корпус диаметром 430 мм, 9 – якорь, 10 – фонарь, 11 – флажок, 12 – расцепитель якоря, 13 ) пластиковый корпус. ( ж ) ГНС и ( з ) внешний вид ГНС-С на НИС «Академик Мстислав Келдыш», осень 2018 и 2019 гг. соответственно. Источник: Sensors
Неконтактные геофизические методы имеют существенное преимущество — они позволяют получить оперативную съемку больших площадей. После обнаружения, картирования и первичной оценки масштаба и интенсивности процесса специалисты определяют объекты, представляющие особый интерес. Затем они возвращаются к ним для проведения более детальных исследований с использованием контактных методов, то есть пробоотборов газа, воды и грунта.
Еще одной особенностью описываемого комплекса является привлечение электромагнитных методов переменного тока, необходимость которых обуславливает наличие подводной мерзлоты в арктических морях.
«Обычно подобные электромагнитные геофизические методы переменного тока, достаточно сложные в реализации, не применяются для решения таких задач. Вместо них используют относительно простые технологии постоянного тока, которые неплохо работают при небольшой (несколько метров) глубине воды. Чтобы прозондировать горные породы ниже поверхности дна при глубине моря от 10 до 40 метров, необходимы более сложные технологии, которые и применяются в наших экспедициях. В нашем случае использовалась система электродов, буксируемых за исследовательским судном на достаточно длинных кабельных линиях. С помощью мощного генератора тока питающие электроды создают в воде импульсное электромагнитное поле высокой интенсивности, а приемные электроды используются для регистрации переходного электромагнитного процесса, возникающего после каждого такого импульса. Измеренные таким образом сигналы используются для определения электрических свойств горных пород ниже поверхности дна. Полученные данные позволили нам получить изображения вечной мерзлоты, оценить степень ее деградации (протаивания) и, как следствие, сделать выводы о возможных выбросах метана», — рассказал Дмитрий Алексеев, старший научный сотрудник лаборатории скважинной, инженерной и разведочной геофизики МФТИ.
Сипы, которые также называют метановыми фонтанами, с борта корабля. © Сергей Никифоров, 2019
Арктические моря России весьма перспективны с точки зрения развития транспортных путей и добычи полезных ископаемых. Развитие и применение морских геофизических методов, специализированных под суровые арктические условия, позволит решить многие фундаментальные и прикладные научные задачи.
В состав команды исследователей вошли специалисты Института океанологии им. П. П. Ширшова РАН, Тихоокеанского океанологического института им. В. И. Ильичева ДВО РАН, Томского государственного университета, Томского политехнического университета, МГУ, а также сотрудники Научно-технического центра геофизики и изучения минеральных ресурсов Московского физико-технического института. Ежегодно исследователи из целого ряда научных и образовательных организаций участвуют в арктических морских экспедициях по комплексному изучению метановых сипов под общим руководством члена-корреспондента РАН Игоря Семилетова.
Работы проведены при поддержке Российского научного фонда и ряда других проектов.
