Основы криогенеза литосферы - Романовский Н.Н.
ISBN 5—211—02379—X
Скачать (прямая ссылка):
Переход газов в гидратную форму при взаимодействии с H2O (или со льдом) в диапазонах температур (T) и давлений (P) индивидуален для каждого газа. Равновесные кривые образования газов, в том числе для природных газов с плотностью по воздуху 0,6 и 1,0, приведены на рис. V.16. Все кривые
Грдницд К1ГЖДУ,
АЬАОМ U ЬОДОИ
20 W ~6
Температура, "С
р.т , "С
Рис. V.16. .Термобарические условия образования гидратов отдельных газов (Мака-.
гон, 1974): Л — граница фазового превращения лед — вода
Рис. V.17. Фазовая диаграмма газообразного метана, гидрата метана, пресной воды и льда
получены для газов, взаимодействующих с пресной водой. Диаграмма фазового состояния для CH4, его гидрата, воды и льда в зависимости от Т, P или глубины от поверхности земли приведена на рис. V. 17. Чем ниже T и чем выше Р, тем благопри-
219
ятнее условия для образования ГГ. Для каждого газа существует критическая температура, выше которой он не образует ГГ, она соответствует точке пересечения кривой гидратообра-зования с кривой упругости пара. В литосфере предельно возможная глубина ЗГО ограничивается положением изотермической поверхности, имеющей критическую температуру.
Как следует из анализа равновесных кривых (см. рис. V.16), наибольшей способностью к гидратообразованпю обладает H2S. Гидраты этого газа могут устойчиво существовать в мерзлых породах с глубин ниже нескольких метров. Гидраты CO2 появляются на глубине около 100 м. Метан в мерзлых породах встречается глубже 150—200 м. Таким образом, практически вся толща ММП может содержать в том или ином количестве ГГ. Наличие ГГ определяется составом и исходным распределением газов в вертикальном разрезе верхней части литосферы.
Способность газов образовывать зависит от величины минерализации
P1MfIa
ГГ помимо P—Т-условий подземных вод и характера растворенных солей. С повышением минерализации вод необходимы боль in и е да в л е н и я и (или) более низкие температуры для перехода газа в ГГ. Условия образования гидрата метана в зависимости от засоленности поровых вод показаны на рис.. VM8. При образовании ГГ связываются молекулы воды и газа, а соли остаются в остаточном растворе. Происходит газогидрат н о е к о н. ц е н грпро в а -ние, подобное криогенному концентрировапию подземных вод, остающихся в жидкой фазе при промерзании. Более плотные остаточные растворы могут просачиваться вниз, мигрируя из ЗГО под влиянием плот-постной конвекции. В результате в ЗГО происходит процесс рассоления. В случае разложения ГГ при повышении T или снижении P в существующей ранее ЗГО остаются опресненные воды и природный газ, а
Рис. V.18. Влияние, засоленности поровыч вод на равновесные условия гидратообра-зовашгл метана: 1, 2, 3, 4, 5 — соответственно весовое содержание солей в паровых водах 0; 5; 10; 15; 20 и 25% (по Д. Ершову, Ю. П. Лебедеико и др., 1989)
220
ниже нее могут возникать и сохраняться геологически: длительное время положительные гидрогеохимические аномалии. В каждом пункте криолитозоны (субаэральной, суб-гляциальной, океанической) мощность ЗГО для каждого газа может быть оценена по соотношению равновесной кривой гид-ратообразования и геотермической кривой распределения температур по глубине (рис. V.19).
С позиции взаимодействия криолитозоны и газов подземной, гидросферы важнейшее значение имеет процесс выделения (поглощения) энергии газогидратообразоваиия (диссоциации ГТ) (А#м), которая подобна скрытым теплотам образования (таяния) льда (Qc})) и представляет собой разницу между энтальпиями конечного ГГ и исходных компонентов (M + H2O). ГГ формируются при взаимодействии как с жидкой фазой, так и со льдом. При этом энергии гидратообразования существенно различаются. Например, АЯМ гидрата метана, образующегося при T=O 0C из воды и газа, составляет 66,67 кДж/моль, а из льда — 20,47 кДж/моль. Величины ДЯМ значительны и даже превышают Q<$. Удельная теплота фазовых переходов вода^±= ^лед составляет 335,2•1O3 Дж/кг,, а при образовании гидрата метана выделяется 400-103 Дж/кг. А. Г. Гройсман (1985) получил для природных газов, состоящих из метана с примесью более тяжелых углеводородов, значения АЯМ в пределах (520— 540)-103 Дж/кг. Объемные массы льда и гидратов метана близки между собой, что делает количественно легко сопоставимыми тепловые эффекты, происходящие при замерзании—таянии воды в поровом пространстве отложений, и переходы (вода-— газ)=*±=ГГ.
.Таким образом, переход газовой залежи в гидратную сопровождается высвобождением количества энергии, превышающего количество скрытого тепла, выделяющегося при замерзании воды в аналогичном объеме породы. При диссоциации ГГ в залежи происходит обратный процесс поглощения энергии. Основной причиной переходов (вода—газ) =^ГГ в залежах в пределах нефтегазоносных провинций и областей, входящих в субаэральную криолитозоиу, являются длиннопериодные колебания температур. Залежи газа, способные переходить в га-зогидратиое состояние, залегают на глубинах более 150—200 м. Нижний предел, зависящий от мощности криолитозоны, температурных градиентов и солености подземных вод, достигает 1000—1200 м в Западной Сибири и 1600—2500 м на Сибирской платформе. Такие диапазоны глубин обусловлены тем, что температурные колебания на поверхности земли, проникающие в ЗГО, имеют периоды преимущественно 40 тыс. лет и более.
