способ определения палеотемпературы мерзлых пород

Формула изобретения

Способ определения палеотемпературы мерзлых пород, включающий отбор проб породы и определение химического состава гидратов, отличающийся тем, что по результатам определения химического состава производят отбор проб, соответствующих метаногидратам, сравнивают термобарические параметры проб в месте их залегания с термобарическими параметрами гидратообразования метана, и по результатам сравнения определяют пробы, в которых метаногидраты в месте их отбора находятся в законсервированном состоянии, а установление значений палеотемператур мерзлых пород проводят на основе определения равновесных температур образования метаногидратов в соответствии с диаграммой состояния гидратов метана.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к общей геологии, в частности к исторической геокриологии, включающей в себя методы реконструкции палеотемператур мерзлых пород, может использоваться в поисковой геохимии.

Известны многочисленные методы реконструирования температурных условий, базирующиеся на различных палеотемпературных реперах.

Известен способ определения палеотемператур мерзлых пород по изотопному составу кислорода и водорода в ледяных включениях мерзлых образцов (1. Гаврилов А.В. Криолитозона арктического шельфа Восточной Сибири, автореферат на соискание ученой степени д.г.-м.н., спец. 25.00.08, М., 2008).

Применение изотопных методов трудоемко, а интерпретация результатов в настоящее время является предметом дискуссии.

Наиболее близким к заявляемому является способ определения палеотемпературы по газовой составляющей пород [2. РФ, патент № 2102779, МПК⁶ G01V 9/00, 1998]. Способ включает отбор образцов породы, ступенчатый нагрев образцов и определение состава газа с фиксацией температуры резкого увеличения выхода непредельных углеводородов. Определение палеотемпературы производят по составу газа в соответствии с предварительно полученной зависимостью.

Недостатком этого метода является его узкая специализация в плане применения, так как в образцах пород, отобранных для анализа, обязательно присутствуют нефтепродукты.

Необходимы более простые и надежные методы определения палеотемператур.

Технической задачей, стоящей перед изобретением, является разработка простого и надежного способа определения палеотемператур мерзлых пород различного генезиса.

Поставленная задача решается тем, что при определении палеотемпературы мерзлых пород, включающем отбор проб породы и определение химического состава гидратов, дополнительно по результатам определения химического состава производят отбор проб, соответствующих метаногидратам, сравнивают термобарические параметры проб в месте их залегания с термобарическими параметрами гидратообразования метана, и по результатам сравнения определяют пробы, в которых метаногидраты в месте их отбора находятся в законсервированном состоянии, а установление значений палеотемператур мерзлых пород проводят на основе определения равновесных температур образования метаногидратов в соответствии с диаграммой состояния гидратов метана.

Между отличительным признаком и достигнутым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь.

Газогидраты в отобранных кернах, у которых химический состав газа соответствует составу газа для природных метаногидратов (МГ), а термобарические параметры по данным каротажа в месте отбора кернов располагаются ниже равновесной кривой гидратообразования метана на Р,Т-диаграмме состояния гидратов метана, т.е. вне термодинамической области стабильности гидратов метана, отождествляются с реликтовыми газогидратами, находящимися в условиях залегания в состоянии самоконсервации. Реликтовые газогидраты могли образоваться в прошлые климатические эпохи, когда окружающие геологические условия отвечали термодинамическим условиям стабильности газовых гидратов, и сохраняются в новых условиях вне области своей термодинамической стабильности благодаря образованию на их поверхности льда, препятствующего выделению газа из гидратов.

Таким образом, в реальных условиях мерзлых пород именно эти пробы реликтовых газогидратов являются региональными палеотемпературными реперами, по которым можно восстановить значения температур мерзлых пород в далекие прошлые времена истории климата на земле (в прошлые геоисторические времена).

Обоснованием заявленного способа определения палеотемператур явились теоретические предпосылки, высказанные рядом авторов и проведенные экспериментальные данные.

Надмолекулярные соединения воды и целого ряда газов в форме клатратов (соединений включения), к которым относятся газогидраты, открыты давно, достаточно хорошо изучены и широко представлены в научной литературе.

Подобные соединения воды и газов могут существовать лишь при определенных термобарических условиях, которые в свою очередь определяются природой газа, вступающего во взаимодействие с водой. Нарушение термобарических условий существования газогидратов приводит к их разложению на воду (или лед) и газ. Многочисленные экспериментальные исследования разложения газовых гидратов показали, что газовые гидраты разлагаются с поверхности. Если гидраты разлагаются при отрицательных температурах, то лед, образующийся на поверхности гидратов, в дальнейшем препятствует свободному выделению газа из гидратов, вплоть до полной остановки разложения гидратов. В этом и состоит суть явления самоконсервации газогидратов.

Изобретение поясняется чертежом, на котором приведена Р,Т-диаграмма состояния гидратов метана, на которой производится анализ расчета палеотемператур.

Исходя из вышесказанного, суть заявляемого способа определения палеотемператур состоит в следующем.

С различных глубин залегания мерзлых пород отбирают керны, содержащие гидраты природного газа, и по данным каротажа определяют термобарические параметры их залегания.

Затем определяют химический состав отобранных газогидратов. Для дальнейшего анализа пригодны лишь образцы, у которых газ, выделившийся при разложении гидратов, не менее чем на 99 об.% состоит из метана и может содержать в виде примесей небольшое количество этана, следы пропана, диоксид углерода, азот. Такие гидраты называются природными метаногидратами, а равновесные термобарические условия их образования совпадают с равновесными условиями гидратообразования чистого метана.

Сопоставляют термобарические параметры на глубинах залегания природных метаногидратов в месте отбора кернов с термобарическими параметрами гидратообразования чистого метана. В случае несовпадения термобарических параметров в месте отбора кернов с термобарическими условиями, отвечающими области стабильности гидратов метана на его Р,Т-диаграмме состояния, производят расчетный анализ возможной палеотемпературы мерзлой породы на глубине залегания отобранных кернов, используя для этого диаграмму состояния для гидратов метана.

Если термобарические условия отобранных кернов оказываются на линии фазового равновесия или выше ее, то такие керны не принимаются во внимание, так как они не содержат реликтовых гидратов.

На чертеже схематически показан фрагмент диаграммы состояния для гидратов метана, на которой по оси ординат отложены абсолютные значения давления Р, а по оси абсцисс абсолютная температура Т.

Кривая OQA отвечает условиям равновесного существования трех фаз (равновесная кривая гидратообразования) - воды(льда), гидратов метана и газа. Каждому значению температуры (Т_р) отвечает свое равновесное давление гидратообразования (Р_р). При этом участок кривой OQ отвечает равновесию лед-гидрат-газ, а участок QA - равновесию вода-гидрат-газ. В точке Q равновесно сосуществуют четыре фазы - лед-вода-гидрат-газ. Выше кривой OQA располагается область, где стабильной фазой являются гидраты метана.

При достаточном количестве воды (льда) в этой области Р,Т-параметров происходит рост гидратов. Ниже кривой OQA гидраты метана являются нестабильной фазой и должны разлагаться на стабильную воду (лед) и газ. Однако в области, ограниченной кривой OQ и осью ординат, гидраты метана могут существовать ниже кривой OQ в силу так называемого эффекта самоконсервации, когда сплошная корка льда, образующаяся на их поверхности на начальной стадии разложения, в дальнейшем тормозит выделение газа из гидратов вплоть до полной остановки разложения.

На чертеже точкой 4 обозначено в координатах Р-Т фазовое состояние пробы метаногидратов, на глубине Н в месте отбора мерзлой породы со значениями давления и температуры Р ₄ и Т₄ соответственно. Видно, что термобарические параметры анализируемых метаногидратов в месте их залегания соответствуют области состояний, где гидрат метана не является стабильной фазой, он существует как реликтовый газогидрат благодаря эффекту самоконсервации. Такой образец пригоден для реконструкции палеотемпературы. Разумно предположить, что в прошлые времена термобарические параметры в месте отбора керна соответствовали Р,Т-условиям на линии равновесия гидратов метана или располагались выше равновесной линии - в противном случае гидраты не образовались бы. Затем в результате изменившихся термобарических условий ранее образовавшиеся метаногидраты перешли в состояние, характеризующееся параметрами в т.4 и остались в этом законсервированном виде.

При этом можно выделить три варианта перехода ранее образовавшегося метаногидрата в законсервированное состояние.

Первый вариант - газогидрат перешел в состояние в т.4 из состояния в т.1, в котором температура T₁ T_p1 T₄, a P₁=P_p=P₄ , т.е. произошло повышение температуры при постоянном давлении, в результате чего на границе газогидрата с окружающей средой (массивом мерзлых пород) произошло разложение части газогидратов с образованием на их поверхности льда и последующей консервацией гидратов. В этом случае можно заключить, что палеотемпература в момент образования газогидратов T_п1 на глубине их залегания была равна или ниже температуры равновесия T_п1 T_pl.

Второй - газогидрат перешел в состояние в т.4 из состояния в т.2, в котором температура Т ₂=Т_р2=Т₄, а Р₂ Р_р2 Р₄, т.е. произошло понижение давления при постоянной температуре, в результате чего на границе газогидрата с окружающей средой (массивом мерзлых пород) произошло разложение части газогидрата с последующей его консервацией. В этом случае можно с большой долей вероятности принять за значение палеотемпературы на глубине залегания мерзлых пород температуру в т.4, т.е. T_п2 =Т_p2=Т₄.

И, наконец, третий вариант - газогидрат перешел в состояние в т.4 из состояния в т.3, в котором температура T₃ T_p3 T₄, давление Р₃ Р_р3 Р₄, т.е. произошло одновременное повышение температуры и понижение давления, в результате чего на границе газогидрата с окружающей средой (массивом мерзлых пород) произошло разложение части газогидрата с последующей его самоконсервацией. Так как нам не известен путь, по которому происходило одновременное повышение температуры и снижение давления мы можем указать в этом случае лишь интервал возможных палеотемператур. Он будет находиться в интервале T_р1 T_п3 T_р2.

Таким образом, тестирование газогидратных проб, полученных с различных глубин мерзлых пород и находящихся в самоконсервированном состоянии, позволяет сравнительно просто определить как возможный интервал палеотемпреатур, так и, в отдельных случаях, конкретные их значения.