Гидраты метана на дне Чёрного моря — что это за лёд, где он лежит и сколько метана в нём

В 1974 году в «Докладах Академии наук СССР» вышла заметка Ефремовой и Жижченко об обнаружении кристаллогидратов газов в донных осадках, всего три страницы, с 1179-й по 1181-ю. Работы о Чёрном море ссылаются на неё как на начало: мысль, что гидраты есть и здесь, появилась в 1972 году в рейсе научного судна «Московский университет».

Лежит ли на дне горящий лёд? Лежит, с поправками. Лёд настоящий: вода и метан, сложенные в кристаллы, и от огня он горит. Найден он в донных осадках и в брекчии грязевых вулканов, а держится только глубже примерно семисот метров. Прогнозные ресурсы метана в таких гидратах российской части моря в 2025 году оценили в 120,5 триллиона кубометров, а вилка расчёта тянется от 36,7 до 361,9.

Белый гидрат газа под карбонатным выступом на дне северной части Мексиканского залива, глубина 966 метров; вокруг мидии. Кадр не из Чёрного моря (фото: USGS, Wikimedia Commons, Public domain)

Кристаллы воды с метаном внутри

Гидрат метана выглядит как лёд и держится как лёд, пока вокруг давление и холод. Молекулы воды складываются в клетки, в каждой заперта молекула газа, и в кубометре такого вещества помещается около 160 кубометров метана. Плотность у него примерно 900 килограммов на кубометр, то есть он легче воды: оторвавшийся от грунта кусок пошёл бы вверх. Наверху гидрат разлагается на воду и газ. Поднесённое пламя поджигает метан, с куска капает вода, и американская геологическая служба называет такой гидрат льдом, который горит. Под водой пламени нет, поэтому горящим он становится только на поверхности, в лаборатории или на палубе научного судна.

Белые куски гидрата метана вперемешку с серым осадком в металлической пробоотборной трубе, поднятой со дна Северного Ледовитого океана с глубины около 2400 метров (фото: USGS, Wikimedia Commons, Public domain)

Ниже семисот метров

Давления и холода должно хватать одновременно. В океанских осадках, по данным американской геологической службы, гидрат встречается глубже 500 метров. Чёрное море для него тёплое: у дна около девяти градусов, и порог уходит ниже. Выходы газа со дна, сипы, на склоне у днепровской палеодельты в основном лежат мельче 725 метров. Авторы статьи в журнале Marine Geology за 2006 год связали эту границу с пределом устойчивости чистого метанового гидрата при 8,9 градуса у дна, а в рейсовом отчёте немецкого судна METEOR порог назван чуть глубже, 750 метров. Мельче гидрат не держится, и газ там выходит пузырьками: про такие выходы в журнале есть отдельный разбор.

Белый гидрат метана тонкими слоями в сером осадке, найденный на глубине около 1200 метров у берегов Орегона, США (фото: Wusel007, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0)

У Сочи шельф кончается на глубине 110–130 метров, семьсот метров лежат дальше, на склоне. Под пляжем, под буйками и под днищем прогулочного катера или яхты горящего льда нет: на обычном выходе вдоль берега под килем несколько десятков метров.

Найден и только заподозрен

Следы гидрата бывают косвенными и прямыми. Косвенный след сейсмический. В 1985 году на разрезах Туапсинского прогиба в Чёрном море впервые распознали BSR, отражающий горизонт, который повторяет рельеф дна, но лежит под ним. Он возникает на границе осадков с гидратом и осадков с газом в порах. Сам гидрат на разрезе не виден, виден только его след.

Прямые находки пришли позже. В 1988 году в XXI рейсе НИС «Евпатория» в прогибе Сорокина обнаружили и подробно изучили скопления гидратов у диапиров, то есть у выдавленных вверх пластичных глин. В 1988–1989 годах экспедиция МГУ на НИС «Феодосия» нашла гидраты в отложениях грязевых вулканов глубоководной котловины. В прогибе Сорокина, в Туапсинском прогибе и в центре моря гидрат сидит в основном в брекчии майкопского возраста, в обломках глины, которые выдавили грязевые вулканы.

Керн с газогидратом со дна озера Байкал: белые включения в сером иле, рядом рулетка. Кадр из озера, не из моря (фото: Иркутский научный центр СО РАН, Wikimedia Commons, CC BY 4.0)

Вилка почти в десять раз

Первые прикидки для глубоководной части в 1989 году дали 40–50 триллионов кубометров. Болгарские геологи в 2002 году получили 42–49. В 2016 году для всего моря посчитали методом Монте-Карло, многократным случайным розыгрышем неизвестных параметров, и вышло в среднем 71,8 триллиона, от 1,7 до 297,4.

Петербургские геологи из института имени Грамберга разбили российскую экономическую зону, 137 тысяч квадратных километров, на 2217 клеток и для каждой прогнали тысячу вариантов расчёта. Получилось три числа: 361,9 триллиона кубометров с вероятностью 5 процентов, 120,5 с вероятностью 50 и 36,7 с вероятностью 95. Чем крупнее число, тем меньше шансов, что столько наберётся, а от нижнего до верхнего почти десятикратный разрыв. Зона, где гидрат возможен, занимает 76 процентов площади, около 104 тысяч квадратных километров, и в среднем на квадратный километр приходится 1,2 миллиарда кубометров метана. Среди самых богатых участков авторы называют Туапсинский прогиб.

Две цифры не сходятся: российская часть выходит богаче, чем всё море по оценке 2016 года. Авторы объясняют разницу методом. Прежний расчёт был одномерным, один набор параметров на всю акваторию, а новый считает каждую клетку отдельно. Это прогнозные ресурсы, вычисленные по давлению, температуре, мощности осадков и содержанию органики. Опись найденного выглядела бы иначе: гидрат подняли в нескольких местах, остальное достроила модель.

Манипулятор подводного аппарата Victor 6000 держит кусок гидрата газа на дне у берегов Габона, глубина 3200 метров; вокруг мидии. Кадр не из Чёрного моря (фото: null, Wikimedia Commons, CC BY 4.0)

Система, которая ещё перестраивается

Осенью 2017 года немецкое судно METEOR шесть недель работало на веере Дуная в западной части моря. Донная буровая установка MARUM-MeBo200 вошла в осадки почти на 145 метров, побив прежние рекорды глубины. Район выбрали по данным прежних рейсов: гидрат и свободный газ сосуществуют там в верхних 50–150 метрах зоны устойчивости. Бурение показало неожиданное: свободный газ лежит в слоях, где по теории его быть не должно. Нижнюю границу устойчивости прежде определяли по тому же BSR, и для Чёрного моря этот способ не работает. Граница уже сдвинулась к более тёплым условиям в толще, а газ, который копится на её нижнем краю, не успел подняться следом. Учёные объясняют это низкой проницаемостью осадков.

Исследователи из GEOMAR и MARUM связывают это с историей моря после последнего ледникового максимума. Уровень поднялся, в бывшее почти пресное озеро вошла солёная вода, дно потеплело, и система приспосабливается до сих пор. Пресс-релиз об этой работе в переводе озаглавлен так: «В глубоком море последний ледниковый период ещё не закончился».

Зачем их считают

Первая причина — топливо. Гидраты больше полувека рассматривают как нетрадиционный источник углеводородов, и для этого разговора нужны триллионы кубометров. Вторая причина заметна меньше. При смене температуры или давления гидрат распадается, и кроме выхода метана это сказывается на устойчивости подводных склонов, отмечают в GEOMAR.

Образец гидрата газа из тестовой скважины Маллик, Канада (фото: USGS, Wikimedia Commons, Public domain)

Заметка 1974 года занимала три страницы. Статья 2025 года, где метан этих осадков впервые посчитали по сетке из 2217 клеток, занимает тринадцать, с 51-й по 63-ю, и о рейсе «Московского университета» в ней сказано осторожно: предположение.