Физико-химическая модель генерации и эмиссии метана на донных осадков озера Байкал
Рассматривается модель формирования метана в донных отложениях озера Байкал в результате раннедиагенетических процессов. Показано, что величина равновесного давления в системе растворенный метан-газовая фаза прямо зависит от минерализации порового раствора: чем выше последняя, тем более высокое давление должно быть приложено для сдерживания газовыделений. То есть, чем глубже зашло взаимодействие вода-осадок, тем большее количество метана в растворенной форме накапливается в поровом пространстве донных осадков, и тем большие глубины водной толщи требуются для подавления газовых выбросов.
Эмиссия углеводородных газов из донных отложений озера Байкал известна давно. Наиболее многочисленные потоки метана в виде грифонов фиксируются на Селенгинском мелководье, вблизи устья р. Селенги и залива Провал). Выполненные подсчеты показали, что суммарный дебит газовыделений достигает в данном регионе 20 млн. м3 в год [1].
Локализация выбросов СН4 в придельтовой зоне озера обусловлена, с одной стороны, выносом больших количеств органического углерода р. Селенгой в виде растительного детрита (достаточно сказать, что ежегодно ею в составе взвеси сбрасывается от 57 до 630 тыс. тонн Сорг., или в среднем 196 тыс. тонн). С другой стороны, тем, что внутренняя ежегодная биогенная нагрузка седиментационного потока фитопланктоном в Байкале еще более впечатлительна и по данным [2] достигает около 4000 тыс. тонн.
Быстрому захоронению растительных остатков способствуют высокие скорости осадконакопления вблизи авандельты р. Селенги. Причем точность количественных определений величин скорости накопления отложений не вызывает никаких сомнений. В возникшем всего за два дня (с 13 по 14 января 1862 г.) заливе Провал выше затопленной почвы бывшей Цаганской степи за 100 лет накопился слой ила мощностью 1,8 - 3,6 м [3]. Следовательно, осадконакопление происходило здесь со скоростью от 1,8 до 3,7 см в год. При таких темпах осадкообразования растительный материал не успевал сгорать в хорошо аэрируемой байкальской воде и почти полностью захоронялся в донных отложениях. Еще одним дополнительным источником органического углерода в зоне авандельты могли служить погребенные торфяники бывшей Цаганской низменности, достигающие полуметровой мощности, а также широко развитые до глубин 1-1,5 м заросли водной растительности.
Формирование метана происходит в процессе диагенетических преобразований осадка, когда неравновесная система вода-осадок, постепенно трансформируясь на пути к стационарному состоянию, превращается в породу.
Как было показано ранее, интенсивное возрастание концентраций СН4 в поровых растворах начинается после процессов нитрат- и сульфатредукции [4], когда исчезают последние источники кислорода.
(CH2O)106(NH3)16(H3PO4)+ 84.8NO3- = 7.2CO2 + 98.8HCO3- + 16NH4+ +
+42.4N2 +HPO4- + 49.6H2O (денитрификация) (1)
(CH2O)106(NH3)16(H3PO4)+ 53SO42- = 106CO2 + 16NH3 + 53S22- + H3PO4 +
+ 106H2O (сульфатредукция) (2)
В противном случае, выделяющийся в результате указанных процессов кислород будет продолжать окислять органику и генерировать углекислый газ. Метанообразование осуществляется на последней стадии раннего диагенеза в результате реакции диспропорционирования [5], в этом случае органический материал (формула Редфилда [6]) разлагается по схеме:
(CH2O)106(NH3)16(H3PO4) = 53CH4 + 53CO2 +16NH3 + H3PO4 (3)
На внешнем крае Селенгинского мелководья в поверхностном слое осадков в среднем содержится 3% Сорг. от терригенной части [7], то есть примерно 60%, поступающего органического вещества подвергается деструкции сразу ниже поверхности раздела вода-осадок.
Чтобы попытаться оценить количество образующегося в процессе раннего диагенеза метана, нами была построена имитационная модель взаимодействия донных отложений с байкальской водой, при этом предполагалось, что весь органический углерод утилизируется по реакциям (1-3). Таким образом, система закрывалась по отношению к источникам растворенного кислорода, то есть первоначально кислородсодержащие байкальские воды в процессе раннего диагенеза не подпитывались газами из озерного резервуара. Это вполне вероятно, так как по многочисленным наблюдениям инверсия окислительного режима на восстановительный происходит уже в самых верхних частях осадках, на глубине от первых миллиметров до первых сантиметров ниже поверхности дна. Так по данным [8] мощность окисленного слоя в районе дельты Селенги колеблется от 0,6 до 23 мм.
Моделирование проводилось с помощью программного комплекса "Селектор" [9] при температуре придонной воды (3,8оС) и различных величинах давления, имитируя протекание процессов взаимодействия вода-осадок на различных глубинах. В расчетах использовался уточненный состав байкальской воды [10] и усредненный химический состав верхней части байкальских донных отложений, отобранный по 34 станциям [4].
Немного больше о технологиях >>>
Озонолиз как способ очистки и получения новых полезных нефтепродуктов
В первой части обзора [1] были описаны
изменения химической природы и свойств компонентов нефти при озонировании и
последующем разрушении продуктов реакции. Озонолиз нефтяного сырья может быть с
успехом использован не только для увеличения объемов производства дистиллятных
мото ...
Оптимизация структуры стохастического графа c переменной интенсивностью выполнения работ
Задача
распределения ресурсов (нескладируемого типа) на cтохастических сетях (параллельные
проекты) сформулирована как обусловленная переменной структурой графа.
Предложенный метод решения обеспечивает получение экстремального графа для
случая, когда каждая работа многопроектно ...
