Физико-химическая модель генерации и эмиссии метана на донных осадков озера Байкал
Результаты моделирования показывают, 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. Другими словами, 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. Наибольших величин общей минерализации и содержаний растворенного метана поровые растворы достигают, если в процессе диагенетических реакций перерабатывается примерно половина исходного осадка. Это, безусловно, крайний вариант, но мы намеренно представили такой вариант для большей наглядности (рис. 2). В то же время следует заметить, что взятые в расчет 3% органического углерода, как среднее содержание в донных осадках, не совсем адекватно отражают истинное количество захоранивающегося растительного материала, поскольку часть его (возможно значительная) могла быть утилизирована в постседиментационных процессах.
Рис. 2. Растворимость (S) метана (квадраты) и равновесие в системе метан-вода (треугольники) в зависимости от общей минерализации (M) порового раствора и общего давления.
Вблизи линии равновесия СН4 раствор - СН4 газ в осадке формируется так называемый активный слой [11], вблизи верхней границы которого начинают формироваться пузырьки газа.
Из-за возникающих градиентов концентраций и давлений растворенный газ стремится мигрировать из зон пьезомаксимумов в зоны пьезоминимумов и таким образом начинает выделяться в газовую фазу. Кроме того, граничные условия равновесного давления в системе СН4 раствор - СН4 газ могли меняться из-за сезонных понижений уровня озера, которое может составлять более одного метра, что в свою очередь также способствует процессам газовыделения.
На основе построенной модели метаногенерации в донных отложениях, можно приблизительно оценить возможные количества выделяющегося газа в зонах разгрузки. При давлении 21,5 атм. концентрация метана в растворе составляет 13,74 мг/л или 0,904 мл/л. В условиях падения давления до нормального, а это происходит на поверхности раздела вода-атмосфера, объем газа увеличится в 21,5 раз и составит 19,44 см3. Такое количество газа выделяется из 1л раствора. Учитывая пористость верхнего неконсолидированного слоя байкальских осадков, которая по данным [12] колеблется в пределах 87-90%, из 1000 см3 отложений выделяется ~ 17 см3 газа. Несложные расчеты показывают, что в таком случае с одного квадратного метра поверхности дна и десятисантиметровой мощности активного слоя может выделиться 170000 см3 метана. Это сопоставимо с замерами выделений метана из керна в скважине BDP-96 [13].
По данным [11] количественно эмиссию газа из осадка можно оценить из полуэмпирического уравнения:
J(CH4) = 139X2/(1 - X), (2)
где J - поток газа в см3/м2день и Х - мольное количество газа.
Измерения показали, что в метановых выделениях на Байкале СН4 составляет в среднем 75 объемных процентов и остальная часть приходится на азот [1]. В таком случае, мольная доля метана составит 0,64, а ежедневный поток 158 см3. Таким образом, эмиссия метана из донных отложений Байкала может продолжаться годами, что подтверждается натурными наблюдениями.
Работа выполнен при поддержке РФФИ, грант 02-305-65395, Министерства образования и науки, грант E02-9.0-50, гранта программы "Университеты России" УР09.01.011, Государственного контракта с республикой Бурятия N17-4/5-?.
Немного больше о технологиях >>>
Ошибка Лоренца
В
физике часто используются очевидные положения, которые представляются
достаточно ясными и не требуют последующего обоснования. Это не всегда оправдано,
поскольку есть случаи, приводящие к парадоксальным следствиям. Тогда приходится
возвращаться к анализу «очевидных положений» ...
Система качественных показателей для оценки достижения идеальности ТС
Общая структура Технической Системы:
ЗАТРАТЫ (вход) - ТС (процессор) - ГПФ
(выход)
Идеал ТС: Достижение ГПФ при сумме затрат
стремящейся к нулю.
...
