СПОСОБ ПОИСКА ЗАЛЕЖЕЙ ГАЗОГИДРАТОВ В ЗОНАХ ЖИВУЩИХ РАЗЛОМОВ

Способ относится к геофизике и, в частности, к морской геофизике и может быть использован для поисков газогидратов на дне океанов, морей и других водоемов.

Изобретение наиболее эффективно может быть использовано в водоемах при наличии зоны «живущего» разлома или контрастно выраженных морфоструктур.

Газогидраты - соединения газа и воды, в которых молекулы газа внедряются в пустоты кристаллических структур, составленных из молекул воды, и по внешнему виду напоминают спрессованный снег. Газогидраты метана обнаруживаются повсеместно в донных осадках мирового океана [1, 2].

Сравнительно низкая температура при глубинах воды начиная с 300-400 м и более предопределяет возможность существования газовых гидратов в верхней части поддонного разреза.

Известно сейсмоакустическое устройство для обнаружения просачивания газа с поверхности морского дна в воду, работающее на высокой частоте, в котором источник ультразвуковых колебаний буксируется вблизи морского дна и инициирует образование в воде пузырьков газа (США патент №6578405). Однако это устройство не позволяет обнаружить «газовые факелы» и низкие концентрации газа.

Существует также гидроакустический комплекс, состоящий из судовых эхолотов и многоканальной системы цифровой регистрации (излучаемые импульсы на частотах 12 и 19,7 кГц), фиксирующие отраженный сигнал от скопления пузырьков и «газового факела». Однако этот способ не позволяет обнаружить слабые сигналы, отраженные от небольшого скопления пузырьков.

Практически все подобные известные способы используют облучение активным акустическим источником залежей для активизации выходов пузырьков и обнаружения по отраженному сигналу выходов газа.

Другим недостатком указанных способов является необходимость выполнять активизацию залежей гидратов буксируемым придонным акустическим источником.

В предлагаемом способе указанные недостатки отсутствуют. В нем нет активных источников акустических сигналов, и, естественно, не требуется его буксировать вблизи морского дна.

Поставленная цель достигается путем регистрации естественного выхода газа во время активизации залежи газогидратов приливными процессами, смещение залежей или их частей по крутым склонам и тектоническим нарушениям во времени приливов, а также аномального суточного изменения напряженного состояния верхней части разреза дна за счет приливных процессов.

Естественный выход пузырьков газа при указанной цикличной активизации геодинамических процессов создает аномальные концентрации газа, которые поднимаясь вверх к поверхности моря изменяют водную среду, в том числе ее плотностные характеристики.

Эти изменения проявляются, в частности, в следующем [3, 4]: присутствие многочисленных пузырьков газа может уменьшить скорость звука в воде в разы, что приводит к образованию вертикального звукового канала.

При этом сами поднимающиеся вверх пузырьки воздуха создают акустические волны и вместе с ними создают вихревые образования.

Водная среда вблизи активизированной «живущим» разломом залежи обладает повышенной плотностью мелкомасштабных короткоживущих турбулентных течений, вызываемых главным образом температурными и химическими градиентами и выходом газов. Это приводит, в частности, к тому, что в прилегающих к залежи слоях морской воды идет непрерывный стохастический процесс локальных и притом весьма значительных возмущений фонового магнитного поля Земли. Именно в каждой из возникших турбулентностей «вмороженные» в них магнитные силовые линии естественного магнитного поля Земли могут удлиняться за счет гидродинамики турбулентности и, следовательно, увеличивать на короткое время напряженность магнитного поля в зоне этой турбулентности, и притом на значительную величину. Весь объем водной толщи вблизи разлома становится объемным генератором кратковременных сосредоточенных возмущений магнитного поля в водной среде. Усредненное по времени и пространству это стохастическое распределение возмущений может оказать ощутимое влияние на электромагнитную обстановку как в самой водной среде вблизи залежи, так и над поверхностью акватории.

По гидрофизическим законам (Л.И. Седов. Механика сплошной среды, т.2, гл. 8):

при колебаниях мелких газовых пузырьков в воде в фазе их сжатия кратковременно (в течение одной миллионной - одной миллиардной доли секунды) могут возникать давления порядка десяти тысяч атмосфер и температуры порядка десяти тысяч градусов Цельсия; при схлопывании такого пузырька давление в жидкости на границе пузырька стремится к бесконечности (т.е., практически, может достигать сколь угодно больших значений), скорость схлопывания также может достигать сколь угодно больших значений.

Если явления такого рода имеют массовый характер (что возможно, вероятно, и даже типично для зоны локализации газогидратов), то их роль может быть весьма существенна в формировании геофизических полей как в водной среде, так и над акваторией.

Наличие пузырьков воздуха, мелкомасштабной турбулентности должно уменьшать эффективную электрическую проводимость морской воды при активизации разлома и тем самым создавать волновод, по которому может распространяться электромагнитная энергия.

Таким образом, рассмотренная выше задача о возбуждении акустической волной, возникающей в комплексном волноводе над разломом, возмущений магнитного и электрического полей в электропроводящей морской воде и последующей трансформации этих возмущений в электромагнитное излучение той же частоты в атмосфере, показывает один из возможных путей преобразования акустических волн, возникающих при активизации разлома морского дна, в электромагнитное излучение. На поверхности воды в зоне залежей газогидратов будут возникать аномалии импульсного электромагнитного поля, по которым можно картировать залежи газогидратов.

Ограничиваясь далее рассмотрением электромагнитного излучения (ЭМИ) стационарного и квазистационарного типа, генерируемого в придонных областях земной коры, дадим качественное описание влияния слоя морской воды на это ЭМИ и обсудим возможность регистрации проявления этого ЭМИ на поверхности моря и в окружающем акваторию надводном пространстве.

Сразу отметим, что и в стационарном, и в квазистационарном случаях электрическая компонента ЭМИ от источника в донном грунте (на произвольной его глубине) при переходе из грунта (который, для простоты, будем считать чистым диэлектриком) в морскую воду будет сразу и навсегда погашена за счет достаточно подвижных ионов соленой морской воды, которые при указанных частотах колебаний поля успевают смещаться в воде по направлениям электрического поля ЭМИ (положительные ионы движутся по полю, а отрицательные - против поля) и создают дипольное контрполе, которое нейтрализует электрическое поле ЭМИ. Таким образом, в водную среду из разлома может проникнуть только магнитная компонента рассматриваемого ЭМИ. Это проникновение осуществляется способом диффузионного распространения (просачивания) - способом, который также разрешен уравнениями Максвелла. Этот процесс хорошо изучен в магнитной гидродинамике. Скорость (данная величина имеет специфическое толкование в теории диффузионных процессов) этого распространения составляет величину порядка сотен метров в секунду и затухает с расстоянием от источника.

Таким образом, результат деятельности источника квазистационарного ЭМИ, расположенного в придонном грунте, проявится в морской воде в появлении дополнительной к фоновой компоненты переменного магнитного поля, т.е. проявится в изменении магнитной ситуации в толще морской воды. Разумеется, изменение магнитной обстановки в воде вызовет ее возмущение, и в надводном пространстве и это возмущение можно, в принципе, зарегистрировать магнитными измерениями как в водной среде, так и над акваторией, прилегающих к источнику.

Указанный способ проявления ЭМИ от источника, локализованного в придонном грунте, в подводном и надводном пространствах не является единственно возможным. Другой способ реализуется акустическими волнами, такими как морские шумы естественного и искусственного происхождения, сейсмо- и акустические колебания, поступающие в морскую толщу из придонных участков разлома, а также любые звуки искусственного происхождения. Эти акустические волны, пронизывающие морскую толщу во всех направлениях, при наличии в последней магнитных полей, возбуждают в ней магнитогидродинамические волны (МГД-волны). Эти МГД-волны (здесь мы имеем в виду в основном так называемые быстрые МГД-волны), несомые звуковыми волнами, со скоростями и частотами того же (звукового) порядка переносят электромагнитную энергию, «закачанную» в воду во всех направлениях и, в частности, в направлении от морского дна к водному зеркалу. Выходя на поверхность раздела «вода-воздух», МГД-волны разделяются (по законам преломления типа законов Френеля для ЭМИ) на электромагнитную и акустическую компоненты и частью уходят с поверхности водного зеркала в атмосферу, а частью возвращаются в виде МГД-волны обратно в воду. В отсутствие нелинейных процессов в этой схеме частоты уходящих в атмосферу полей имеют порядок частоты выходящей из глубины на поверхность МГД-волны, т.е. имеют частоты порядка частоты акустических сигналов моря.

Способ поиска залежей газогидратов в зонах живущих разломов заключается в том, что с целью картирования залежей вначале изучают активизацию разломов на берегу в зоне исследуемого или другого «живущего» разлома. Для этого датчик акустической эмиссии устанавливают в зоне разлома и регистрируют суточные изменения упругих колебаний акустической эмиссии. По энергии упругих колебаний определяют время максимального проявления приливных сил в районе работ или вычисляют их по теоретическим формулам и определяют время активизации зоны разлома и время «затишья». Затем, в период активизации разлома на поверхности воды на ортогональных разлому маршрутах выполняют съемку импульсов магнитной составляющей электромагнитного поля, созданного процессами активизации залежей газогидратов в воде и придонном слое. Выделяют аномалии импульсов электромагнитного поля по превышению числа импульсов на величину 1÷3 средних квадратичных значений фоновых импульсов (σ_i). Такие аномалии могут объединяться в группы по изолинии в 1σ_i или 2σ_i. Отбирают пробы в центрах каждой аномалии или группы идентичных аномалий, где значения импульсов не менее 3σ_i; и анализируют пробы на наличие полезного компонента. По контурам аномалии или групп аномалий, в которых обнаружено аномальное (выше фонового) значение газогидратов, определяют границы залежей.

Поставленная задача решается путем изучения аномальных процессов в воде над активизируемыми естественными источниками энергии газовых гидратов, посредством изучения электромагнитного поля на поверхности воды.

Технический результат - поиск «спящих» залежей газогидратов без применения буксируемых, в том числе придонных акустических излучателей, с помощью простых приемников импульсного электромагнитного излучения. Кроме того, существенно уменьшается объем опробования донных осадков для заверки аномалий.

Список литературы

1. Патент на полезную модель RU 70377 U1, МПК G01 (2006.01)

2. Гинсбург Г.Д., Соловьев В.А. Субмаринные газовые гидраты ФГУП «ВНИИОкеангеология». СПб., 1994 г.

3. Паламарчук В.К., Сорокин В.М., Шпак И.П. Модель очага землетрясений как основа мониторинга сейсмоактивных зон //Разведка и охрана недр. - М.: Недра, 2000.No5, c.37-40.

4. Грамберг И.С., Паламарчук В.К. Построение системы ближнего прогноза землетрясений // Глубинное строение и геодинамика фенноскандии, окраинных и внутриплатформенных транзитных зон. Материалы восьмой международной конференции. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2002 г.- с.79.