Гидраты метана – энергоресурс будущего?

К теме альтернативных энергоносителей, ещё недавно занимавшей почти исключительно экологов и климатологов, сегодня проявляют интерес уже весьма широкие круги населения, и это вполне понятно: за последние годы мировые цены на нефть и газ выросли в несколько раз, а значит, дорожают и бензин, и топливный мазут, и электричество, следом за ними – и всё остальное без исключения. Эксперты говорят, что это лишь начало, и ратуют за переход в среднесрочной перспективе на альтернативные энергоносители. В массовом сознании таковыми до сих пор являются исключительно возобновляемые источники энергии – Солнце, ветер, биомасса, морской прибой и тому подобные. Есть, однако, и ещё один весьма перспективный, хоть и не возобновляемый энергоноситель: метан с морского дна. Многие о его существовании даже не подозревают, что, в общем-то, простительно: ведь ещё сравнительно недавно об этом не знали и учёные. Между тем, на морском дне хранятся огромные запасы метана! Правда, он находится там в связанном виде – в форме твёрдых гидратов. Впрочем, о механизме происхождения этих гидратов, то есть соединений метана с водой, открытых около 15-ти лет назад, учёные ещё и сегодня знают не так уж много. Пока очевидно одно – что образование гидратов метана происходит под воздействием высокого давления и низкой температуры, то есть при условиях, вполне типичных для океанских глубин. Весьма интересные – и во многом неожиданные – результаты принесла экспедиция исследовательского бурового судна «JOIDES Resolution», принадлежащего международной корпорации «TransOcean». Эти результаты были представлены в конце прошлого года на осенней сессии Американского геофизического общества в Сан-Франциско. Океанографы исследовали морское дно у западного побережья Северной Америки на границе США и Канады. Один из участников экспедиции – немецкий геофизик Михаэль Ридель (Michael Riedel), работающий сегодня в Канаде, в университете Макгилла в Монреале, – рассказывает:

Мы вели бурение в море возле острова Ванкувер на глубинах от одной до двух тысяч метров, в непосредственной близости от того места, где океаническая плита, сдвигаясь, уходит под континентальную. Там возникают зоны мощнейшего сжатия, которые, словно гигантским бульдозером, соскребают с морского дна многовековые органические отложения и выдавливают наружу образующийся в их толще метан.

Немного истории: интенсивные исследования гидратов метана начались около 10-ти лет назад. Первая экспедиция отправилась тогда сюда же, к западному побережью Северной Америки – расположенный в этом районе тектонический разлом сулил наивысшие шансы обнаружить экзотический энергоноситель именно здесь, поскольку местные геофизические условия в максимальной степени соответствовали принятым тогда представлениям о механизме возникновения гидратов метана. И его залежи действительно были обнаружены. Профессор Юрген Минерт (Jürgen Mienert), научный сотрудник немецкого Исследовательского центра «Geomar» со штаб-квартирой в Киле, заявил тогда:

Мы имеем основания считать, что газовая смесь, заключённая в этой породе, на 98-99 процентов состоит из метана. Когда проба грунта с морского дна поднимается на борт, газ тут же начинает улетучиваться. Чёрные пятна свидетельствуют о повышенном содержании углерода в осадочных отложениях. Значит, метан, обнаруженный на морском дне, является продуктом разложения органической материи, результатом отмирания живых организмов. Иными словами, он имеет биогенное, а не термогенное происхождение.

Образцы газогидратов, добытые тогда у побережья США, с тех пор бережно сохраняются в специальных резервуарах-холодильниках и изучаются – например, в Институте полярных и морских исследований имени Альфреда Вегенера в Бремерхафене. Здесь находится одна из немногих лабораторий, в которых созданы условия, обеспечивающие сохранность газогидратов в первозданном виде. В помещении поддерживается температура минус 27 градусов Цельсия, так что исследователи вынуждены работать в тёплых перчатках и специальных комбинезонах. Поднятые со дна моря куски газогидратов внешне изрядно напоминают вывалянные в грязи куски льда. Собственно, это и есть лёд с высоким содержанием метана. Образцы нарезают на тончайшие пластинки, каждый срез фотографируют, и только после этого гидрат подвергают химическому анализу. Йенс Грайнерт (Jens Greinert), сотрудник Исследовательского центра «Geomar», поясняет:

По большей части, это метан. На 98 процентов метан, но и остальное – это может быть сероводород, это может быть углекислый газ, – нас очень интересует, поскольку от примесей во многом зависит, при каких условиях гидрат стабилен, а при каких – нет. Зная это, можно браться за исследование вопроса, когда и как гидраты метана образуются, когда и как распадаются.

Немалый интерес к работам геофизиков проявляют и климатологи. В их глазах метан – не столько ценный энергоноситель, сколько один из главных виновников глобального потепления:

Метан, как известно, третий по значимости парниковый газ. Принято считать, что важным источником метана являются океаны и – особенно – периферийные моря. Но зачастую учёные не могут даже качественно оценить, выделяет ли море метан в атмосферу или же, напротив, связывает атмосферный метан, образуя гидраты. А уж о количественной оценке этих процессов сегодня и говорить не приходится. Между тем, это очень важный вопрос. И мы надеемся, что наши новые приборы помогут найти на него ответ, –

говорит Клаус Вайткамп (Claus Weitkamp), сотрудник Исследовательского центра «GKSS» в Геестхахте, специализирующегося на создании высокочувствительных газовых сенсоров. Но каковы же запасы метана в газогидратах? Могут ли они оказать существенное влияние на климат – например, если в результате глобального потепления залегающие на дне под толщей воды гидраты начнут распадаться на составные компоненты, и весь метан уйдёт в атмосферу? Сотрудник Исследовательского центра «Geomar» Герхард Борман (Gerhard Bohrmann) говорит:

Существуют оценки, согласно которым около 50-ти процентов всего имеющегося на Земле углерода заключено в этих гидратах. Вы только представьте себе, мы столько говорили о содержании углекислого газа в атмосфере, о круговороте углерода в природе, и до сих пор не учитывали столь важное слагаемое этого процесса! Впрочем, все расчёты, которыми мы пользуемся, носят весьма приблизительный характер. Прогнозируя, где и в каком количестве могут быть обнаружены подводные газогидратные поля, мы исходим из сейсмических наблюдений и геофизических исследований. Но чтобы повысить достоверность прогнозов, необходимо произвести пробные бурения и замеры в тех районах океана, где предсказано наличие гидратов метана, и проанализировать полученные результаты. Пока мы лишь в самом начале пути, но думаю, что исследование газогидратов станет ключевой темой на ближайшие годы, а возможно, и десятилетия.

Именно в этом контексте особый интерес обретают результаты тех самых новейших исследований, проведённых с борта бурового судна «JOIDES Resolution». Отправляясь в экспедицию, геофизики полагали, что месторождения гидратов метана следует искать там, где глубина моря составляет не менее 500 метров, причём они должны располагаться на 200-300 метров ниже уровня морского дня. Объяснялось всё это просто: на меньшей глубине давление маловато, на большей глубине температура высоковата. По крайней мере, именно такой вывод казался единственно возможным, если опираться на данные косвенных наблюдений и сейсмической съёмки. Однако результаты, полученные в ходе подводного бурения, идут вразрез с этими представлениями, – говорит Михаэль Ридель:

Нам предстоит кардинально пересмотреть ту модель возникновения гидратов метана, которая была предложена около 15-ти лет назад и до сих пор сомнению практически не подвергалась.

Судя по всему, процесс формирования газогидратов протекает как-то иначе, гораздо сложнее, чем было принято считать. Собственно, от старой модели остаётся незыблемым лишь один тезис: биогенное происхождение метана. А вот какую роль играют давление, температура и, возможно, ещё какие-то факторы, не очень понятно. Михаэль Ридель говорит:

Классическая теория предсказывала залежи газогидратов на глубине в 250 метров под поверхностью морского дна, в толще отложений, поскольку именно там имеет место оптимальное сочетание температуры и давления. Однако на самом деле наибольшая концентрация газогидратов была отмечена на глубине всего в 60 метров, причём во многих местах. Мы обнаружили гидраты даже непосредственно на поверхности морского дна, там, где их, собственно, вообще быть не могло. Чтобы объяснить этот феномен, очевидно, нужен совершенно новый подход. А ещё мы обнаружили, что газогидраты образуются только в песчаных грунтах, то есть в грубозернистых горных породах, и никогда не встречаются в глине. Раньше это тоже не было известно.

Этот второй фактор очень важен для правильной оценки мировых запасов гидратов метана. Если обнаруженная закономерность действительно имеет место и носит фундаментальный характер, это означает, что газогидратов может оказаться гораздо меньше, чем считалось до сих пор, а их добыча – гораздо более сложным делом. Сегодня разведка газогидратов ведётся в самых различных районах мирового океана и с привлечением наиболее современной специальной техники. Примечательно, что при этом геофизики не жалеют сил на изучение придонной флоры и фауны. Дело в том, что обитатели морского дна тоже могут служить своего рода индикаторами, указывающими на наличие в недрах месторождения газогидратов. Биолог Петер Линке (Peter Linke), сотрудник Исследовательского центра «Geomar», рассказывает:

Между известковыми глыбами, возникшими на дне в результате геохимических и тектонических процессов, происходит истечение метаносодержащих жидкостей, которые являются основой для существования определённого вида моллюсков. Наличие этих моллюсков и является для нас верным признаком, что тут из недр выделяется метан. Конечно, моллюски не могут питаться метаном как таковым – он для них так же ядовит, как и для человека. Здесь мы имеет дело с типичным примером симбиоза: метаносодержащая жидкость усваивается особыми бактериями, живущими в мантии моллюсков. А сами моллюски питаются отходами жизнедеятельности этих бактерий, что и позволяет им существовать на такой глубине, куда солнечный свет практически не проникает. Естественно, моллюски стремятся поселиться как можно ближе к источнику продовольствия, то есть к тем трещинам и щелям в известковых отложениях, из которых и происходит истечение метаносодержащих жидкостей. В свою очередь, эти моллюски служат пищей для некоторых других видов морской фауны. То есть те места, в которых, по нашим оценкам, существуют условия для образования газогидратов, являются своего рода оазисами в пустыне морских глубин.

Моллюски, извлечённые со дна моря во время экспедиции к побережью США, подверглись, разумеется, самому пристальному исследованию. Их отпрепарировали, затем из тканей раковины и мантии учёные выделили углерод, связав его в углекислый газ, и проанализировали с помощью масс-спектрометра. Высокое содержание изотопа углерода С-12 позволило сделать вывод о том, что моллюски действительно питались за счёт жидкостей, омывающих газогидратные месторождения.

А вот найти этих самых моллюсков оказалось непросто: многочисленные пробы грунта со дна моря в тех местах, где – исходя из геофизических соображений – предполагались месторождения газогидратов, долгое время не давали положительного результата. Почему?

Потому что либо А – недостаточно настойчиво искали, либо Б – источники метана, которые некогда давали пищу и служили основой существования этих моллюсков, сегодня обеднели или вовсе иссякли. Для моллюсков это катастрофа, они вымирают. Для нас же это свидетельство того, что источники бедны или пусты. Если мы обнаруживаем большую колонию живых моллюсков, это даёт нам основания полагать, что здесь имеются значительные источники метана. Если же никаких моллюсков нет или мы находим только пустые раковины, значит, интенсивного выделения метаносодержащих жидкостей здесь, скорее всего, не наблюдается, –

продолжает Петер Линке, участник экспедиции, которая обнаружила богатые месторождения гидратов метана и сопутствующие им колонии моллюсков и у побережья США, и в Аравийском море у берегов Пакистана.

Однако наибольший интерес учёных вызывают холодные моря Крайнего Севера и Крайнего Юга. В частности, Охотское море. Профессор Эрвин Зюсс (Erwin Suess), долгие годы руководивший Исследовательским центром «Geomar», особо подчёркивает климатологический аспект:

Источником метана в Охотском море, как и во многих других периферийных морях, являются гидраты. Охотское море более 9-ти месяцев в году покрыто льдом, и поднимающийся со дна метан удерживается этим ледяным покровом. Весной, когда лёд начинает таять, в атмосферу в считанные недели уходят огромные массы метана. Учитывая важность метана как парникового газа, следует очень внимательно изучить влияние этих сезонных выбросов на глобальный климат. Это поможет разобраться в тенденциях и механизмах климатических изменений, происходящих на Земле.

Чтобы понять, изменения какого масштаба имеет в виду Эрвин Зюсс, следует принять во внимание такую цифру: из одного кубометра гидрата, извлечённого со дна морского, выделяется 164 кубометра газообразного метана! То есть речь идёт, с одной стороны, о скрытом в гидратах метана колоссальном энергетическом потенциале, а с другой стороны, об огромной опасности, которую эти гидраты могут представлять для климата планеты. К тому же нельзя не учитывать и те новые данные, что были получены в ходе экспедиции бурового судна «JOIDES Resolution» к острову Ванкувер. То, что гидраты метана залегают гораздо ближе к поверхности дна, чем считалось ранее, заставляет пересмотреть и климатологические прогнозы. Михаэль Ридель поясняет:

Что это реально означает? Глобальное потепление – это и потепление воды в мировом океане. Между тем, газогидраты крайне чувствительны к изменению температуры. Если бы они залегали в толще отложений на глубине 250 метров, то потепление добралось бы до них лишь через 8 тысяч лет. Но при глубине залегания всего в 60 метров это время резко, очень резко сокращается. В истории Земли уже имели место катастрофические выбросы метана в атмосферу в результате глобального потепления. Например, это произошло в конце последнего ледникового периода.