Выделения водорода в нефелин-сиенитовых массивах: возможные следствия и приложения

Нивин В.А.

Геологический институт Кольского НЦ РАН, Апатиты, Россия

В последние два десятилетия возрастает интерес к проявлениям, геохимии и природе эндогенного водорода, обусловленный необходимостью понимания его роли в процессах магмо-, петро- и рудогенеза и формирования промышленных месторождений углеводородного сырья, в подготовке и реализации землетрясений и убыли общего содержания стратосферного озона. Предпринимаются попытки установить связь эманаций литосферного водорода с различными неблагоприятными и опасными природными и природно-техногенными явлениями и процессами с целью поисков их газо-геохимических индикаторов и предвестников. И, наконец, в свете перспектив водородной знергетики, усиливается внимание к природному Н₂ как потенциальному первичному энергоресурсу. Не смотря на многочисленные исследования, обозначенные выше научные вопросы все еще остаются предметом дискуссий, а прикладные – недостаточно разработанными. В числе причин такого положения можно назвать разнообразие возможных источников глубинного водорода, множественность факторов, влияющих на его выделение, пространственная рассредоточенность эмиссии и отсутствие длительных режимных наблюдений.

Отличающиеся высокими для магматических комплексов содержаниями восстановленных газов Хибинский и Ловозерский щелочные массивы на Кольском полуострове - одно из немногих мест, где известны относительно концентрированные выделения водорода. Для газов самопроизвольных (свободных, спонтанных) выделений (ГСВ) в этих массивах характерно сочетание фильтрационного (струйного) и диффузионного истечения из пород. Иногда наблюдается пробулькивание пузырьков газа через воду, редко фиксируются интенсивные кратковременные выбросы газа и промывочной жидкости из буровых скважин. Если в газах, окклюдированных во флюидных включениях минералов, доминирует метан, а Н₂, наряду с этаном, всегда в подчиненном отношении, то в ГСВ водород часто (при диффузном выделении – в большинстве случаев) является преобладающим компонентом. Обычно генерация углеводородов в значительной степени или полностью связывается с процессами формирования массивов, тогда как для спонтанно выделяющегося водорода предполагаются разные источники, вплоть до ядра Земли. ГСВ свойственны пространственные и временные вариации состава, избыточного давления и интенсивности выделения. Пространственная локализация газопроявлений определяется главным образом структурой и тектоникой массивов, а изменения характеристик газовыделения во времени обусловлены, по-видимому, совокупным влиянием таких факторов, как космические, геодинамические, сейсмические, гидрогеологические и техногенные.

За более чем полувековую историю исследований газов в рассматриваемых массивах, молекулярному водороду уделялось значительно меньше внимания, чем метану и его гомологам. Между тем, в силу более высоких реакционной способности, подвижности и распространенности Н₂, изучение его эманаций во многих отношениях оказывается важнее. Так, будучи горючими и взрывоопасными, ГСВ при определенных условиях могут накапливаться в атмосфере рудничных горных выработок и тем самым серьезно нарушать технологический цикл и создавать угрозу здоровью и жизни горнорабочих. Поэтому на подземных рудниках, отрабатывающих связанные со щелочными массивами месторождения минерального сырья приходится вводить и соблюдать специальные мероприятия газового режима, в частности, вести постоянный контроль содержания горючих компонентов в рудничном воздухе. Присутствие в смеси этих компонентов молекулярного водорода не только снижает взрывоопасный порог их концентраций в атмосфере горных выработок, но и мешает определению метана наиболее распространенными переносными газоанализаторами типа интерферометров.

При разработке Хибинских апатито-нефелиновых и Ловозерских редкометальных месторождений, характеризующихся, как и массивы в целом, неравномерным распределением тектонических напряжений, а также существенной природной и наведенной сейсмичностью, столкнулись также с проблемой оценки напряженно-деформированного состояния пород и прогнозирования динамических проявлений горного давления, особенно наиболее опасных из них - горных и горно-тектонических ударов и мелкофокусных техногенных землетрясений. Установленные в ходе лабораторных экспериментов и натурных наблюдений взаимосвязи газометрических и геомеханических особенностей породного массива свидетельствуют о перспективности изменений параметров выделения газов, в первую очередь, водорода, как индикаторов и предвестников упомянутых геодинамических явлений (Nivin et al., 2001; Нивин и др., 2009).

Одной из актуальных проблем современности является глобальная убыль стратосферного озона и образование так называемых озоновых дыр - локальных снижений общего содержания озона (ОСО). Из всех гипотез, объясняющих причины разрушения озонового слоя Земли, больше других известна техногенно-фреоновая, а наиболее обоснованной представляется «водородная», суть которой заключается в том, что из определенных геологических структур происходят выбросы глубинных озоноразрушающих газов, в первую очередь, водорода и, меньшей степени, метана (Сывороткин, 2002). Как оказалось, самые значимые и постоянные озоновые аномалии совпадают с центрами такой дегазации планеты. Предполагается, что одним из таких центров как раз и являются Хибинский и Ловозерский массивы, эманациями водорода и метана с поверхности которых могут быть обусловлены периодически возникающие отрицательные аномалии поля ОСО над территорий Кольского полуострова и Белого моря. Организованный для проверки этого предположения мониторинг концентрации подпочвенного Н2 в Хибинах показал, что действительно во многих случаях наблюдается временная корреляция между интенсивностью газовыделения и региональным изменением ОСО (Сывороткин и др., 2008).

Отмечаемая время от времени загадочная массовая гибель рыбы в Сейдозере - достаточно крупном водоеме в центральной части Ловозерского массива – также может быть следствием резкого увеличения выделения водорода и метана на дне озера.

Выявить периодичность, закономерности и факторы временных вариаций выделения водорода возможно только путем проведения длительных непрерывных наблюдений. Наряду с Хибинским, такие наблюдения недавно начаты и в Ловозерском массиве, где отслеживается ход Н₂ в горной выработке подземного рудника. Характер вариаций газовыделения, достигающих порядка величины в течение суток, иллюстрируется рисунком.

Помесячный ход водорода в подпочвенной атмосфере Хибин (левая колонка) и в подземной горной выработке, Ловозерский массив (справа). У.е. – условные единицы.

При обработке хибинского временного ряда методом фликкер-шумовой спектроскопии установлены следующие периоды всплесков концентрации водорода: 60.9, 34.7, 13.9, 8.5, 7.2, 6.1, 4.9, 3.1, 2.9, 1.37 суток, 24.1 (основной) и 12 часов (Сывороткин и др., 2008). Эта периодичность большей частью связана, по-видимому, с неравномерностью вращения Земли вокруг собственной оси и действием лунно-солнечных приливов.

Дальнейшее наращивание и углубленный математический анализ хода молекулярного водорода в щелочных массивах Кольского полуострова, сопоставление их с данными других видов наблюдений, наряду с расширением сети пунктов мониторинга, приблизит нас к пониманию активно обсуждаемых вопросов и механизмов литосферно-атмосферных взаимосвязей, а также ускорит разработку водородометрических индикаторов и предвестников опасных геодинамических процессов, своевременный прогноз которых поможет снизить риски и минимизировать их вредные последствия.

Литература

Нивин В.А., Ловчиков А.В., Рахимов Р.Г. Первые результаты мониторинга хода водорода и сопоставления полученных данных с сейсмичностью на руднике «Карнасурт» (Ловозерское редкометальное месторождение, Кольский полуостров) // Труды VI Всероссийской Ферсмановской науч. сессии. Апатиты, 18-19 мая 2009 г. – Апатиты: Изд-во ООО К & М, 2009. С. 190-192.

Сывороткин В.Л. Глубинная дегазация и глобальные катастрофы. М.: ЗАО «Геоинформмарк», 2002. 250 с.

Сывороткин В.Л., Нивин В.А., Тимашев С.Ф. Мониторинг выделения водорода в Хибинских горах // Дегазация Земли: геодинамика, геофлюиды, нефть, газ и их парагенезы / Материалы Всероссийской конференции. – Москва, 2008.

Nivin V.A., Belov N.I., Treloar P.J. and Timofeyev V.V. Relationships between gas geochemistry and release rates and the geomechanical state of igneous rock massifs.// Tectonophysics, 2001. V. 336 (1-4), pp. 233-244.