В последнее десятилетие Арктика привлекает все большее внимание, в первую очередь ввиду перспективности развития Северного морского Пути, который должен стать альтернативой Южному морскому пути через Суэцкий канал. Связанное с этим развитие инфраструктуры в регионе инициирует дополнительные исследования, в том числе направленные и на выявление залежей полезных ископаемых на Арктическом шельфе Северной Евразии.
Изучение геологического строения и газо(нефте)носности шельфов Баренцового, Печорского и Карского морей началось еще в прошлом веке и на данный момент они характеризуются наиболее высоким уровнем изученности среди морей российской Арктики [1]. Однако данных о строении и газо(нефте)носности Восточной части Арктического шельфа крайне мало.
Геолого-геофизические поисковые работы в Арктике имеют ряд особенностей, в первую очередь, связанных с коротким «полевым» сезоном. Таким образом, существует необходимость создания новых подходов для изучения этих обширных территорий с привлечением современных методов и технологий.
Благородные газы зарекомендовали себя как отличный инструмент для решения ряда геологических задач. В настоящее время они используются для изучения динамики природных систем, определения источников вещества, реконструкции условий и скоростей миграции газов и вод, взаимодействия системы океан-атмосфера [2-4]. К группе благородных газов относятся гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe) и радиоактивный радон (Rn). При нормальных условиях они представляют собой одноатомные газы с очень низкой химической реактивностью, что объясняет их высокую подвижность в природных средах. Наиболее высокой скоростью миграции среди них обладает гелий.
Геохимия благородных газов
Гелий имеет два стабильных изотопа: редкий 3He и намного более распространенный 4He. Большая часть 3He сохранившегося на Земле является первичным, унаследованным с момента образования планеты, и сконцентрирована в мантии. Вклад ядерных реакций (например, распад трития) в баланс изотопа 3He на Земле не значителен. Вклад ядерных процессов в баланс изотопа 4Нe, напротив, существенный. Радиогенный 4He образуется в результате распада 235U, 238U и 232Th и других альфа-радиоактивных элементов [5].
Изотопы гелия в природе, как правило, встречаются вместе с изотопами других благородных газов: 20Ne, 21Ne, 22Ne, 36Ar, 38Ar, 40Ar и др, которые также могут быть первичными, или образовываться в ходе ядерных реакций (распад 40K, (α, n) – реакции на 17,18O, 19F и др.; Рис.1). Вариации содержания урана и тория в горных породах, приводят к сдвигам изотопного состава благородных газов. При этом каждый резервуар характеризуется своим отношением этих изотопов. Так, например, отношение изотопов 3Не/4Не в земной коре (~10-8) на несколько порядков ниже, чем в воздухе (~1.34 x 10-6); а отношение 40Ar/36Ar наоборот значительно выше, чем в атмосфере (40Ar/36Arатм = 298.56 [6]).
РИС. 1. Схемы образования радиогенных изотопов благородных газов
В изотопной геохимии благородных газов к настоящему моменту времени установлено множество закономерностей, позволяющих определять источник поступающих газов, в том числе даже если происходит смешение нескольких резервуаров. Так, например, отклонения измеренных отношений 4Не/20Ne от воздушных (0.032 [7]) на порядок и более однозначно свидетельствует о том, что вклад воздушной компоненты в исследуемом газе несущественен. Отношение 21Neнукл/4Нерад (4.5 x 10-8 [8]) является своего рода геохимической константой. Изменение этого отношения говорит о существовании фракционирования (разделении изотопов) в ходе процесса миграции газов, что может быть использовано для соответствующих реконструкций.
Концентрации корового (радиогенного) гелия в природных системах, как правило, очень низкие (<0.05 ppm). Увеличение его концентрации выше воздушной (5.24 x 10-6 см3(4He)/см3) может быть связано со скоплениями природного газа, наличием зон высокой трещиноватости, разгрузки древних грунтовых вод, и в некоторых случаях может свидетельствовать о перспективности обнаружения золоторудных месторождений [3, 9-11].
Идея поиска природных залежей с использованием изотопов благородных газов не нова. Гелиевая съемка широко использовалась в середине прошлого века и используется до сих пор для поиска и разведки урановых руд, месторождений, связанных с глубинными разломами, а также для выявления зон повышенной трещиноватости и оконтуривания полей залежей углеводородов на континенте [12, 13]. Аналогичный подход, дополненный измерением изотопных отношений и другими благородными газами, может быть применен и сейчас на региональном этапе изучения Арктического шельфа. К его очевидным преимуществам относятся относительная дешевизна и высокая экологичность.
Картирование Арктического шельфа по изотопам благородных газов
Концентрация гелия и других благородных газов в водах мирового океана существенно ниже, чем в атмосфере, и контролируется их равновесной растворимостью, которая зависит от температуры и солености [14]. Изотоп гелия 3Не чуть больше растворим в воде, что приводит к легкому сдвигу изотопного состава гелия в воде относительно воздушного (коэффициент изотопного фракционирования α ≈ 0.983 [15]).
Природные газы, как правило, обогащены благородными газами с сильно радиогенным изотопным составом [9]. Ввиду своей высокой подвижности 4He, 21Ne и др. мигрируют в придонные воды и образуют в них изотопные аномалии. Химическая инертность благородных газов исключает их сорбцию в придонных осадках даже при очень низких температурах. А высокие миграционные характеристики создают геохимический ареал рассеивания даже при отсутствии водной конвекции.
Регистрация изотопных аномалий благородных газов является более аккуратным подходом для оконтуривания геохимических аномалий. Это связано с тем, что растворимость в воде He, Ne, Ar и др резко увеличивается в присутствии смеси газов (метан, углекислый газ) по сравнению с растворимостью чистых газов. Поэтому прямое наблюдение вариаций концентрации гелия и др в воде может создать ложные аномалии, не связанные с поступлением газов из подземных источников (Рис. 2).
РИС. 2. Схематическое изображение изотопных аномалий благородных газов в придонных водах
Регистрация изотопных аномалий в подводных условиях значительно проще, чем в приповерхностных, так как фоновые концентрации благородных газов существенно ниже. Отклонение отношения 3Не/4Не, 4He/20Ne в сторону более радиогенную, свидетельствует о зоне разгрузки «коровых» газов. Сдвиг изотопного отношения 3Не/4Не в сторону обогащения изотопом 3Не свидетельствует о наличии глубинных разломов и связанной с ними возможной гидротермальной активностью.
Методические аспекты
Указанные исследования относятся к высоко технологичной области изотопной геохимии, поскольку требуется проводить точный изотопный анализ очень небольших образцов газов (порой до 10 -16 моля), применять прецизионные ядерные и изотопные методики и оборудование, а научные основы этого метода опираются на закономерности радиоактивного распада и изотопного фракционирования, особенности диффузии и концентрирования радионуклидов. Предприятия ГК Росатом имеют необходимый научный и технический потенциал развития методов изотопной геохимии до уровня практического применения. В качестве опыта подобного рода – анализ сверхмалых количеств изотопов в морской акватории - можно привести работы Радиевого института по обследованию глубоководного района аварии ПЛ «Комсомолец» и ПЛ «Курск», где удалось разработать методики отбора проб со дна океана и определить содержание радионуклидов в придонном слое на уровне десятых долей беккереля, работы по контролю содержания следов радиоактивных изотопов благородных газов в воздухе с целью контроля ядерных испытаний (система ARIX), обследования акватории Карского и Баренцева морей [16].
Освоенные методики и принципы детектирования сверхмалых количеств изотопов и радионуклидов при мониторинге морских акваторий могут быть развиты, и применены для анализа изотопного состава благородных газов во льдах и океанической воде Арктики с целью поиска природных залежей и долговременного прогнозирования процессов циркуляции водных масс и глубинных процессов на морском дне.
Описанный геохимический подход позволяет многократно снизить затраты и время на геологоразведочные работы. Решение основано на возможности идентифицировать наличие и проницаемость глубинных разломов в земной коре, связанных с поясами рудных месторождений и ловушками углеводородного сырья, по изотопному составу гелия и других БГ, поступающих из недр Земли. Гелий и БГ поступают в земную кору, диффундируют через нее, а затем и в приповерхностные (придонные) слои воды, из мантии земли. Они имеют уникальный изотопный состав: гелий обогащен изотопом гелий-3, аргон обогащен изотопов аргон-36 и т.д., что позволяет четко идентифицировать глубинный источник этих газов. Гелий и БГ глубинных источников могут растворяться и накапливаться в углеводородных ловушках, что выражается в аномалиях их изотопного состава в придонном (приповерхностном) слое. Для количественной идентификации указанных изотопных аномалий и четкой геометризации участков для последующего поисково-разведочного и эксплуатационного бурения предполагается применить в качестве базовой конструкции установки для поиска следов радиоактивных БГ в воздухе типа ARIX, созданные в Радиевом институте. Подобные установки успешно используются в рамках международных проектов для выявления несанкционированной ядерной деятельности по следам БГ в воздухе на расстояниях в тысячи километров.
США, Канада, Норвегия и Дания осуществляют полномасштабный мониторинг арктических морей (более 50 000 точек) по изотопам благородных газов с использованием авиации, подводных лодок и полустационарных арктических станций. Российские исследования, которые могут быть проведены в этом направлении, позволят получить важные научные данные для стратегического планирования работ по освоению Арктики.
Литература
1. Скоробогатов, В.А., Кабалин, М.Ю., (2019) Западно-Арктический шельф Северной Евразии: запасы, ресурсы и добыча углеводородов до 2040 и 2050 гг. Neftegaz.RU 11.95, 36-50.
2. Schlosser, P., Winckler, G. (2002). Noble gases in ocean waters and sediments. Reviews in mineralogy and geochemistry, 47(1), 701-730.
3. Caracausi, A., & Paternoster, M. (2015). Radiogenic helium degassing and rock fracturing: A case study of the southern Apennines active tectonic region. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 120(4), 2200-2211.Danabalan, D. (2017). Helium: Exploration Methodology for a Strategic Resource (Doctoral dissertation, Durham University).
4. Zhang, W., Li, Y., Zhao, F., Han, W., Zhou, J., Holland, G., & Zhou, Z. (2019). Quantifying the helium and hydrocarbon accumulation processes using noble gases in the North Qaidam Basin, China. Chemical Geology, 525, 368-379.
5. Мамырин, Б. А., & Толстихин, И. Н. (1981). Изотопы гелия в природе. Энергоиздат. 222 с.
6. Lee, J.-Y., Marti, K., Severinghaus, J. P., et al., 2006. A Redetermination of the Isotopic Abundances of Atmospheric Ar. Geochimica et Cosmochimica Acta, 70(17): 4507–4512.
7. Kipfer, R., Aeschbach-Hertig, W., Peeters, F., & Stute, M. (2002). Noble gases in lakes and ground waters. Reviews in mineralogy and geochemistry, 47(1), 615-700.
8. Yatsevich, I., Honda, M. (1997). Production of nucleogenic neon in the Earth from natural radioactive decay. Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 102(B5), 10291-10298.
9. Якуцени, В. П. (1968). Геология гелия. Недра. Ленингр. отд-ние. 232 с.
10. Ballentine, C. J., O'Nions, R. K., Oxburgh, E. R., Horvath, F., & Deak, J. (1991). Rare gas constraints on hydrocarbon accumulation, crustal degassing and groundwater flow in the Pannonian Basin. Earth and Planetary Science Letters, 105(1-3), 229-246.
11. Yang, J. H., Wu, F. Y., & Wilde, S. A. (2003). A review of the geodynamic setting of large- scale Late Mesozoic gold mineralization in the North China Craton: an association with lithospheric thinning. Ore Geology Reviews, 23(3), 125-152.
12. Яницкий, И. Н. (1979). Гелиевая съемка. Недра. 96 с.
13. Актуальная геология (2019) http://www.actualgeology.ru/services/218/
14. Weiss, R.F. (1971) Solubility of helium and neon in water and seawater. J Chem Eng Data 16:235-241
15. Benson, B.B., Krause D (1980) Isotopic fractionation of helium during solution: A probe for the liquid state. J Solution Chem 9:895-909
16. Радиевому институту им. В.Г. Хлопина – 90 лет. – М., 2013. – 328 с.
Keywords: noble gases, isotopic composition, exploration, monitoring of the Arctic seas, hydrocarbon deposits
