Влияние естественных источников разгрузки подземных вод и природных газов на формирование сероводородной зоны Черного моря

Автор: Г.Л. Корюкин (Научно-производственный геоэкологический центр, г.Сочи)

  

Проблема формирования сероводородной зоны  Черного моря уже более века привлекает внимание исследователей. Однако, не смотря  на имеющийся, казалось бы неопровержимый информационный массив данных по гидрохимии Черного моря и значительные временные ряды наблюдений полученные  в разные годы за почти столетний период  исследований, проблема эта по-прежнему остается одной из самых дискуссионных, а порой порождает самые  пессимистические прогнозы  о неизбежной гибели экосистемы моря.

В связи с разработкой проекта транспортировки природного газа через Черное море по газопроводу Россия – Турция, проблема сероводородной зоны получила новое развитие в связи с возможностью аварийных выбросов углеводородородных газов (УВГ), которые  якобы будут являться «детонатором»  сероводородного взрыва всего   Черного моря.

Следует отметить, что все эти опасения экологов  основываются на биохимической концепции образования Н2S путем бактериальной сульфат – редукции и минерализации  органического вещества в условиях застойного  гидрологического режима  и специфической стратификации вод Черного моря, имеющих ограниченную (мощностью слоя 100-125 м) аэробную кислородную “зону-жизни” и занимающую 87% объема воды моря -  анаэробную сероводородную зону “дождей-трупов” ( мощностью более 2000 м). Основные положения этой концепции  были сформулированы  Е.М. Брусиловским (1992) и Н.Д.Зелинским (1893),  в последствии  существенно дополненные Л.К.Осницкой (1949), С.В.Бруевичем (1953), В.Г.Дацко (1959), Б.А.Скопинцевым (1975), Ю.И.Сорокиным (1982) и др.

Считается, что биохимические процессы  интенсивно протекающие  в воде и донных осадках Черного моря  в условиях ограниченной аэрации  водной толщи  очень сбалансированы  и любое  внешнее воздействие на эти процессы  способно нарушить сложившееся природное равновесие.

Однако полученные в последнее время геолого-геофизические данные о широком развитии грязевого вулканизма на дне Черного моря и наличии  многочисленных выходов субмаринных разгрузок  УВГ на подводном склоне, с учетом геодинамических представлений  о дегазации недр в Азово-Черноморском регионе  позволили нам рассмотреть новую точку зрения на проблему формирования анаэробной зоны акватории.  

В настоящее время  имеется достаточно много геолого-геохимических данных, доказывающих значительную роль акваториальных систем Мирового океана в переносе вещества и энергии из глубинных очагов Земли  к поверхности,   осуществляемых, как правило, через "базальтовые окна", рифтогенные зоны, через глобальные системы глубинных разломов, уходящие своими корнями в мантию.   При этом дегазационные процессы земных недр в большинстве  случаях проявляются в придонных горизонтах водной толщи  и донных осадках в виде субмаринных разгрузок подземных вод и природных газов, которые сопровождаются аномальными геохимическими, биохимическими и биологическими  «взрывами» и в основном  определяются активностью сейсмотектонических деформаций и проницаемостью земной коры.

Одним из  ярких примеров  аномального природного явления  на нашей планете является Черное море,  расположенное в  зоне депрессии между альпийскими поясами складчатости.

Со времени образования  бассейна ( 4.5 млн.лет назад), происшедшего на конечном этапе формирования альпийской складчатой области, в результате различных глубинных тектонических  процессов, протекавших в мантии и земной коре, обусловивших конседиментационное погружение Черноморской впадины,  ее максимальная глубина и мощность осадочного чехла составили более 15 км. В морфологии земной коры впадины  прослеживается утонение гранитного слоя до 18-20 км и формирование «базальтового окна».    Что способствует проникновению в придонные воды потока геотермического тепла, величина которого составляет около 2 х 10-6 кал/см2 в секунду (Н.Н.Сысоев,1961), а его мощность обеспечивает конвекцию в нижнем придонном слое воды мощностью до 500 м со скоростью порядка 10-11 см/сек ( Ю.А.Владимирцев,1962). 

 В настоящее время установлено, что концентрация Н2S в водной толще  Черного моря  в пределах анаэробной зоны увеличивается с 0.3 мг\л ( на глубине моря  100-130 м ) до 9.5мг\л (на глубине моря 1500 м).  Затем значения содержаний Н2S выравниваются  и в глубоководных частях  моря достигают концентрации 10.2-14.7 мг\л (Ю.И.Сорокин,1982). Увеличение концентраций Н2S сопровождается значительным увеличением содержаний СН4, N2, СО2. 

Примечательно, что значения содержаний этих  геохимических компонентов растворенных  в водной толще Черного моря на несколько порядков превышают концентрации СН4, N2, СО2 в других акваториях РФ. Кроме того отмечается, что наибольшие значения содержаний Н2S,  СН4, N2, СО2, характеризующиеся средними квадратичными отклонениями и коэффициентами вариации контролируются крупнейшими разломами или крупными положительными структурами Черного моря (Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР,1992), а также грязевым вулканизмом и  флюидогенными деформациями (В.В.Кругляков и др.1995, А.Ю.Глебов, Р.П.Круглякова, 2001), что предполагает существование на морском дне  субмаринных разгрузок  глубинных  вод и природных газов, обусловленных общей дефлюидизацией Земли. Кроме того, отмеченные в придонных водах (на глубине 2000 м) в районах примыкающих к Анатолийскому побережью и северо-западному шельфу незначительные концентрации О2 в количестве 0.3-0.7 мл/л ( В.Я.Троцюк и др. 1998) никак не  вписываются в существующие представления об  анаэробной зоне Черного моря и свидетельствуют о существовании других источников его появления у дна..

Важной особенностью Черноморской впадины является циркумное обрамление ее новейшими орогенными сооружениями. По мнению В.А.Вигинского (2001) здесь прослеживается почти непрерывная меандрообразная Альпийско-Кавказская полоса орогенов, представленная симметрично построенными горными сооружениями, с обеих сторон обрамляемых молассовыми прогибами (Рис.1). В ареале Азово-Черноморского бассейна расположены Балканский, Карпатский, Крымский и Кавказский орогены, заложившиеся  на периферии континентальной части Еврозийской  плиты. Одной из важных особенностей выделенного орогенного пояса является  приуроченность к нему большого числа месторождений  подземных сероводородных вод, которые могут претендовать на роль  его геомаркеров. Причем указанные месторождения (Рис.1) располагаются эшелонировано вдоль южных и юго-западных периферийных частей  орогенного пояса и прослеживаются на всем протяжении от  Апшеронского полуострова (Сураханы, Шихово, Диаллы и др.), побережья Каспийского моря (Уйташ, Талги, Капчугай и др.), Кавказа (Далляр, Гори, Белая речка и др.), Черноморского побережья Кавказа (Супса,  Менжи, Сухуми, Гагра, Пицунда, Кудепста, Хоста,  Мацеста, Мамайка и др.), Крымского побережья (Чокрак, ист.Баксы, ист.Маякский, ист.Опукский, Феодосия, Саки, Евпатория и др.), Западного Причерноморья (Татарбурнары и др.) до  Предкарпатья и Карпат (Трускавец,   Завадово и др.).  Состав подземных вод преимущественно хлоридно-натриевый, кальциево-натриевый, сульфатно-хлоридный, гидрокарбонатно-хлоридный и др. Практически все перечисленные месторождения представлены как ультракрепкими и крепкими с содержанием Н2S + НS до 640 мг/л до слабо и средне сульфидных  до 15-70 мг/л. Глубина залегания вод от 70 м до 2370 м . Поземные воды в основном напорные, частично разбавленные  инфильтрационными. Крепкие сероводородные воды отличаются достаточно высокой газонасыщенностью. Состав газов - Н2S,  СН4, N2, СО2 (Г.Н.Плотникова,1977).

Месторождения подземных сероводородных вод выделенного орогенного пояса в большинстве случаев располагаются вблизи береговой зоны  Черного моря  и имеют многочисленные природные источники как на побережье так и возможно на подводном склоне, а их концентрации Н2S на несколько порядков превышают даже самые высокие значения содержания Н2S в водной толще моря.

Выполненные нами исследования в пределах Сочинского месторождения подземных сероводородных  вод, расположенного на Кавказском побережье и шельфе Черного моря,   позволили установить значительный вклад природных источников этого месторождения  в сероводородного заражения прибрежной части акватории.

Следует заметить, что формирование указанного  месторождения по-видимому связано с восходящей миграцией сероводородных компонентов по глубинным тектоническим нарушениям  из более глубоких горизонтов к поверхности.  О чем свидетельствует резкое увеличение концентрации Н2S, температуры воды и  ее минерализации вниз по вертикальному разрезу осадочного чехла. Так на глубине 600 м подземные воды имеют: концентрацию Н2S – 100 мл/л, температуру воды – 300С, минерализацию – 5 г/л, на глубине 1600 м (соответственно): 300 мл/л, 400С, 15 г/л, на глубине 2600 м (соответственно):  450мл/л, 500С, 20 г/л.   

В результате выполненных исследований установлено существенное влияние глубинного "сероводородного дыхания" на повсеместное заражение Н2S флюидами  поверхностных отложений, донных осадков и прибрежных речных и морских вод. В пределах береговой части месторождения значения содержаний Н2S превышают предельно допустимые концентрации (ПДК): по почвам – в 5-10 раз, по поверхностным водам – в 150-500 раз, по морской воде (у берега) – в 30 раз. Но наибольшее значение в стоке Н2S в море и  в формировании в прибрежных водах аномальных полей концентраций  имеют природные источники разгрузки подземных вод и  возможно их  субмаринные аналоги на подводном склоне. Дебит  природных родников по разным оценкам составляет от 500000 м3\сут до 2700 м3\сут, концентрация Н2S от 22.3 до 119 мл\л и выше, температура от 15 до 26оС. При этом количество природных источников разгрузки сероводородных вод вблизи побережья в этом районе достигает 6. Даже по самым приблизительным оценкам один источник сбрасывает в море более 116000 т Н2S в год.

Установленный ежегодный объем  природного сброса Н2S в воды Черного моря не значительный по сравнению с биохимическим продуцированием Н2S Однако, если предположить, что глубинная разгрузка  недр осуществляется  в том числе и через природные источники других месторождений сульфидных вод, а именно расположенных по всей южной  и юго-западной периферии выделенного орогенного пояса, который возможно контролирует  субмаринные выходы на континентальном склоне и в наиболее глубоких прогибах Черного моря  с  концентрации Н2S в подземных водах до 640 мл\л, то вклад в сероводородное заражение водной толщи акватории может составлять   более 10 7 т. в год.

Кроме того следует учитывать установленные прямые просачивания глубинных подземных  вод и природных газов в районах расположения грязевых вулканов и  флюидогенных деформаций. По данным А.Ю.Глебова, Р.П.Кругляковой и др. (2001) практически на всей акватории Черного моря существуют условия для естественного выделения природных газов из морского дна.

Последнее обстоятельство свидетельствует о том, что суммарное количество продуктов дегазации Земли  может превышать биохимическое продуцирование Н2S,  СН4, N2, СО2, а  в первоначальной истории формирования сероводородного заражения водной толщи моря глубинный поток вещества и энергии был доминирующим и возможно в периоды становления Черноморской впадины сыграл  «роковую» роль – вызвал массовую гибель древней экосистемы акватории, а уже на «кладбищах.трупов» и значительного количества органического вещества (ОВ) стали активно развиваться биохимические процессы.

Следует учитывать также и тот факт, что Альпийский тектонический пояс характеризуется  значительной  сейсмической активностью. Пространственное  расположение эпицентров землетрясений, расположенных в северной и северо-западной частях региона  свидетельствует о существовании интенсивных значительных напряжениях в Земной коре на границе Черноморской впадины с выделенным орогенным поясом, которые сопровождаются  землетрясениями, то есть “активность сейсмогенных зон обусловлена интенсивностью контрастных движений по границам литосферных плит” (Ш.А.Басенцян и др.,2001). Это  может свидетельствовать  о некоторой раскрытости недр и возможной активизации процессов разгрузки подземных термальных вод насыщенных Н2S из донных субмаринных источников. Как правило субмаринные источники разгрузки, в зависимости от мощности, температуры и концентрации веществ формируют в водной толще различных морей контрастные газогеохимические аномалии в виде  “столбов”(Г.Л.Корюкин, 1988, Р.А.Гусейнов,1991), которые  в периоды наибольщей активности “пронизывают”всю водную толщу от дна до поверхности, а в пассивные периоды “зависают” на определенном    горизонте. Можно предположить, что верхняя граница сероводородной зоны  Черного моря, имеющая  отчетливо выраженные максимумы, контролируется не циклоническими течениями, а глубиными разгрузками субмаринных источников (Рис.2), тяготеющих к периферийным частям выделенного орогенного пояса и региональным глубинным разломам.

Очевидно, что  в настоящее время  предполагаемое глубинное поступление Н2S и других природных газов в водную толщу Черного моря сбалансированы биохимическими процессами и последние играют ведущую роль в современном геохимическом перераспределении химических веществ в воде и донных осадках и  являются надежным “щитом” экосистемы  аэробной зоны-жизни, поэтому сведений о катастрофических выбросах природных газов над акваторий в  истории освоения моря в литературе не опубликовано. За исключением визувиально отмеченных над Черным морем "огненных столбов" пламени (высотой 0.5 км, шириной около 1.8 км, продолжительностью 5 секунд), которые были зафиксированы на постах: Лукулла, Севастополь, Евпатория) военными гидрографами Черноморского флота в конце двадцатых годов в период сильного землетрясения на полуострове  Крым (В.А.Поляков и др.1992).

Поэтому не следует исключать возможность «залповой разгрузки» недр  в периоды сильных землетрясений (8-9 баллов), эпицентры которых могут располагаться в пределах Черноморского бассейна. При этом в водную толщу  акватории  может локально инъекцироваться  такое количество вещества и энергии, которое способно привести к подъему границы слоя сосуществования О2 и Н2S  и нарушить сложившееся природное равновесие для какого-либо компонента экосистемы, что безусловно  может иметь негативные последствия  для всего Черноморского региона.

 

Литература

  1. Басенцян Ш.А., Бяков А. Ю. Геодинамические исследования в Черноморском регионе  Северного Кавказа. М. Разведка и охрана недр. № 8. 2001. с.55-58.
  2. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Том 4.Черное море. М. Гидрометеоизд.1992.с.220.
  3. Глебов А.Ю., Круглякова Р.П., Шельтинг С.К. Естественное выделение углеводородных газов в Черном море. М. Разведка и охрана недр. № 8. 2001. с.19-22.
  4. Вигинский В.А. Орогенез в Азово-Черноморском регионе.М. Разведка и охрана недр. № 1. 1999. с.2-10.
  5. Корюкин Г.Л. Геохимические методы поисков месторождений нефти и газа в условиях Баренцевоморского шельфа СССР. Автореферат диссертации. М. 1988. с.21.
  6. Кругляков В.В., Круглякова Р.П. Углеводородные газы в донных осадках Черного моря. М. Разведка и охрана недр. № 11. 1995. с.27-30
  7. Поляков В.А., Соляник А.Г. Практическая экология  и экологическая деятельность человека. Краснодар. Краснодар.книжное изд. 1992.с.230.
  8. Сульфидные воды СССР. Труды института курортологии и физиотерапии. М.1977.с.257
  9. Скопинцев Б.А. Формирование современного химического  состава  вод Черного моря. М. Гидрометеоизд. 1975. с.327.
  10. Сорокин Ю.И. Черное море. М. Наука.1982.с.216
  11. Сысоев Н.Н. Тепловые потоки дна Черного моря. ДАН СССР,1961, т.139, № 4.
  12. Троцюк В.Я., Берлин Ю.М., Большаков А.М. Кислород в придонных водах Черного моря. М. Океанология, 4. 1988. с.961.