Актуальность работы связана с необходимостью проведения фундаментальных исследований газовых гидратов с использованием актуальных знаний и комплексного подхода для понимания процессов, происходивших в прошлом, и перспектив разработки, а также изменения климатических трендов в будущем.
Геологические процессы, такие как седиментация, диагенез, компакция, тектоника, гидротермальные процессы и другие, оказывают значительное влияние на формирование и изменение структуры осадочного чехла и размещение нефтегазоносных скоплений. Кроме того, эти процессы влияют на формирование пористости и проницаемости пород-коллекторов, что является ключевым параметром для накопления углеводородов. Палеоклиматические условия также могут оказывать влияние на характеристики нефтегазоносных месторождений, так как они влияют на развитие органического вещества и процессы его преобразования в углеводороды. Аспекты формирования и разрушения газовых гидратов слабо охарактеризованы и не учтены при моделировании процессов, происходящих в фанерозойском эоне, хотя их роль могла иметь важное, возможно, ведущее значение на рубежах периодов и эпох, отражающих глобальные перестройки планеты. Вопрос существования и влияния газовых гидратов в геологическом прошлом не изучен. По мнению авторов статьи, значение газовых гидратов к настоящему моменту недостаточно изучено и недооценено, в этой связи разработка вопросов, связанных с изучением зон образования и разрушения палеогазогидратов, является перспективным вопросом для исследований [1].
В криолитозоне, где возможна одновременная стабильность газовых гидратов и льда, процессы льдообразования и гидратообразования в горных породах оказывают существенное влияние на их физические свойства, особенно на фильтрационные характеристики, определяющие массоперенос. Изучение этих характеристик в льдо- и гидратосодержащих породах имеет как научное, так и практическое значение, в частности для:
• оценки эмиссии природных газов в Арктике. Исследование газопроницаемости мерзлых и оттаивающих пород критически важно для понимания выбросов природного газа в арктических регионах;
• геохимической разведки углеводородов: анализ результатов газогеохимической съемки в районах распространения многолетнемерзлых пород (ММП) требует учета влияния гидратов на фильтрационные свойства пород;
• добычи газа из гидратных залежей: понимание фильтрационных свойств гидратосодержащих пород необходимо для разработки эффективных технологий добычи газа из гидратных месторождений;
• разработки традиционных газовых месторождений в криолитозоне. В арктических регионах и зонах распространения ММП, где продуктивные горизонты залегают близко к подошве ММП и зонам стабильности гидратов и характеризуются низкими пластовыми температурами, извлечение газа может приводить к снижению температуры в призабойной зоне скважин до температур, вызывающих гидратообразование. Это требует тщательного анализа фильтрационных свойств.
Для комплексного анализа фильтрационных свойств пород криолитозоны необходимы экспериментальные исследования, охватывающие различные фазовые состояния поровой влаги: вода, лед, смесь вода-лед, смесь вода-лед-гидрат и смесь вода-гидрат.
Газовые гидраты, как известно, представляют собой неустойчивые твердые соединения газа с водой переменного состава клеточного типа, которые существуют в строго определенных термобарических условиях, которые в общем виде описываются формулой М*nН₂O, где М — молекула газа, n — число молекул воды. Формируются они путем включения молекул газа в полости кристаллической решетки молекул Н₂O в особых для каждого компонента газа термодинамических условиях. Образовывать такие соединения могут исключительно инертные газы, при этом возможно формирование различных по структуре соединений (кубические, тетрагональные и др.).

Известно, что газовые гидраты могут содержать катагенный и микробиальный газ. Газогидраты с катагенным газом должны быть распространены локально, в местах миграции этого газа в неглубокие слои через ЗСГ или в обычных газовых залежах, находящихся в ЗСГ. Катагенные газогидраты могут быть встречены только в районах нефте- и газоносных бассейнов. Микробиальный газ обычно распространен на небольших глубинах (0–300 м) и генерируется ферментативной переработкой микробами захороненного органического вещества. Поэтому микробиальный газ может формировать гидраты не только в пределах осадочных бассейнов, но везде, где есть захороненное органическое вещество и благоприятные условия для гидратообразования. Как было установлено в ходе неглубокого бурения и керноотбора из многолетнемерзлых пород, основная часть неглубоких метастабильных (реликтовых) гидратов сформирована микробиальным газом. Предполагается, что катагенные газогидраты приурочены к региональным газоносным горизонтам в местах их воздымания в интервал ЗСГ. Также они могут концентрироваться в местах миграции газа к дневной поверхности (морские грязевые вулканы и сипы, разломные зоны в мерзлоте).
Во многом не ясны до сих пор условия и механизмы образования газогидратных залежей в природе и их значение в геологическом масштабе времени. К настоящему времени наиболее проработанными являются следующие механизмы формирования ГГ.
Органическая теория предполагает, что источником метана в ГГ являются процессы разложения ОВ осадочных пород, где особое значение имеет деятельность бактерий, а неорганическая связана с поступлением к поверхности глубинных УВ газов, образующихся в процессах серпентинизации пород органической коры [2].
Газовые гидраты могут влиять на процессы осадконакопления, формируя специфические геологические структуры. Их присутствие может приводить к образованию диапиров (протрузий) и изменению пористости и проницаемости пород. Изучение морфологии морского дна показало, что наличие специфических структур указывает на места образования и разложения гидратов (например, пологие подъемы морского дна, «мульды»).
Ниже представлен возможный механизм формирования. Известно, что газовые факелы функционируют на шельфе и континентальных склонах материковых окраин. Формирование осадков происходит здесь главным образом за счет речного стока. Вместе с обломочным материалом реки выносят и большое количество органического вещества. Под действием силы тяжести накопленные массы осадков перемещаются к подножию континентального склона по долинам каньонов и накапливаются в виде турбидитовых конусов выноса. Иногда они сливаются и образуют обширные фены, где мощность отложений измеряется многими километрами. Вкупе это формирует огромные осадочные толщи (мощностью до 10–12 км), обогащенные органикой (до 25 %), которые, попав в благоприятные термобарические условия, начинают продуцировать углеводороды. Возникающий углеводородный поток мигрирует вверх из очага нефтегазообразования по восстанию пластов. Попав в благоприятные условия (ловушки, покрышки и др.), углеводороды накапливаются в залежи, а не перехваченный миграционный поток, достигнув морского дна, разгружается в виде газовых струй, факелов, грязевых вулканов и т. п. Также хорошо известна гипотеза о подземном субаквамаринном стоке, при этом ГГ рассматриваются продуктом циркуляции подвижного углерода биосферы через земную поверхность с участием вод климатического круговорота (А.А. Баренбаум и др.).
Образование твердого гидрата не происходит до тех пор, пока концентрация метана не превысит концентрацию насыщения. Только в определенных участках донных отложений концентрация метана настолько высока, что он начинает проникать в пустоты между частицами породы [2]. Картирование данных зон представляется важной задачей в вопросах исследования осадочных толщ.
По исследованиям последних десятилетий газовые гидраты являются обширно распространенным источником природного газа. Широкое их развитие установлено в акваториях и на суше в зоне развития многолетнемерзлых пород (ММП). В работе центральное место отведено субаквальным скоплениям газовых гидратов ввиду обширного развития акваторий в фанерозое, более понятного механизма их формирования и наиболее вероятного обнаружения следов их присутствия в осадочных толщах морского генезиса.
Установлено, что формирование субаквальных скоплений газовых гидратов в современных акваториях приурочено главным образом к глубоководному шельфу и океаническому склону при глубине воды от 200 м для умеренных и приполярных зон, в экваториальных — глубина их скоплений от 500–700 м.
Анализ современных скоплений газовых гидратов показал, что повышение температуры и изменение давления вызывают внезапное адиабатическое расширение газа, протекающее с поглощением тепла, а такие процессы, вполне вероятно, должны быть отражены в литологической характеристике и, возможно, особенностях гибели/захоронения фауны при ее присутствии в осадочных породах.
Проведя анализ климатических характеристик, возможно установить временные промежутки в прошлом, наиболее благоприятные для широкого развития газовых гидратов, обнаружить их взаимосвязь с глобальными перестройками среды обитания и органического мира в прошлые геологические эпохи.

Наиболее достоверно изучен процесс образования и разложения гидратов в естественных условиях при выбросах подводных грязевых вулканов, формирующих на поверхности дна вокруг жерла грязевого вулкана разномасштабные их поля с преимущественно метановой составляющей.
Установлено, что процесс гидратообразования — это практически единственный химический процесс, который характерен для широко распространенных в природе газов, молекулы которых имеют диаметр 0,8–0,92. В природе наиболее широко распространены газогидраты следующих природных газов: гомологи метана, H₂S, CO₂, O₂, N₂ и др. Важным аспектом является то, что данные газы отнесены к парниковым и оказывают влияние на климат планеты. С этим, вероятно, тесно взаимосвязаны изменения геохимических и климатических параметров, особенно учитывая актуальные данные о масштабах развития газовых гидратов в современных акваториях (рис. 1).

При моделировании процессов древней среды необходимо учитывать также состав древней атмосферы, поскольку он отличался от современной. В этой связи необходимо понимать, что в геологическом прошлом установить непосредственно газовые составляющие крайне затруднительно, но возможно установить факторы влияния, последствия образования и разрушения. При разложении ГГ могут происходить изменения минеральных компонентов породы.
Все природные газогидраты представляют собой метастабильную субстанцию, образование и разложение которой зависит от множества факторов, таких как температура и давление, состав газов и воды, свойства среды, определяемые осадками. При этом изначальное содержание ГГ, а также состав породы и колебания температур (глубины) могут меняться, а особую важность приобретают текстурно-структурные особенности пород.
Накопление отдельных компонентов природного газа в твердой фазе происходит уже на первых стадиях превращения органического вещества при его биохимическом преобразовании, если этот процесс осуществляется в зоне гидратообразования.
Важной особенностью является то, что верхняя граница зоны образования гидратов в акваториях всегда находится в толще воды, нижняя — непосредственно в разрезе пород. Исходя из термической характеристики глубоководных районов океана, а также из фактов накопления большей части осадочных пород и органического вещества в периферических районах океана, охватывающих шельф, континентальный склон и глубоководные желоба, следует считать наиболее перспективными зонами накопления газовых гидратов глубоководные шельфовые осадки и осадки континентального склона.
Установлено, что важным фактором процесса газогидратообразования является литолого-фациальный состав газопродуктивных пород [3]. При этом активность процессов газогидратообразования в недрах может изменяться в любую сторону, вплоть до их прекращения в зависимости от степени проницаемости отложений. Наиболее благоприятными считают условия для образования и накопления газогидратов, которые имеются в хорошо проницаемых чистых (без глинистых примесей) тонкозернистых песках. С увеличением примесей глинистых частиц отклонения в термодинамических параметрах газогидратообразования возрастают. В тяжелых глинах чем ниже влажность, тем меньше вероятность газогидратообразования, поскольку связанная пленочная вода, а также капиллярная и осмотическая вода в этих процессах практически не участвуют, а в тяжелых глинах с высокой влажностью гидратообразование происходит и при более мягких термодинамических условиях в сравнении с равновесными.
Выделяют три стадии жизни газовых гидратов: нуклеация (зародышеобразование), рост и разложение, которые зависят от термобарических условий. Термодинамическая стабильность газогидратов — это основное условие для образования и сохранения гидратов и, соответственно, важный критерий для выявления зон возможного гидратообразования. Нарушение термодинамических условий в системе приводит к разложению гидратов [4].

Механизм формирования газогидратных залежей определяется многими факторами: термодинамическим режимом разреза пород в регионе, интенсивностью генерации и миграции углеводородов, составом газа, степенью газонасыщенности и минерализации пластовых вод, структурой пористой среды, литологической характеристикой разреза, геотермическим градиентом в зоне гидратообразования и в подстилающих породах, фазовым состоянием гидратообразователей и др.
Первая модель формирования газогидратных залежей была дана в работе «Об одном из возможных механизмов образования залежей природного газа» [5].
В зонах современного развития грязевого вулканизма наблюдается наличие восходящих потоков подземных вод совместно с углеводородами, при движении вверх вода растворяет глинистые породы и в виде грязевых масс выносит их на поверхность. Растекающиеся грязевые потоки формируют конусообразные вершины, высотой иногда в сотни метров. На вершине грязевого вулкана образуется воронкообразный кратер с уходящим на глубину каналом. Корни современных грязевых вулканов в ряде случаев лежат на больших глубинах (20 км и более), склоны грязевых вулканов сложены высохшими продуктами извержения вулкана (сопочной брекчией). Масштабы подобных древних процессов, вероятно, могли отличаться, но на картировании скопления подобного характера могут являться дополнительными признаками наличия скоплений газовых гидратов. Извержение грязевых вулканов сопровождается выделением углеводородных флюидов, т. е. между грязевыми вулканами и нефтегазоносностью недр имеется генетическая связь. Еще Иван Михайлович Губкин утверждал, что грязевые вулканы могут образовываться при разрушении залежей углеводородов.
При этом гидратные залежи, расположенные в МО (Мировом океане), слабо подвержены влиянию изменения температуры на поверхности Земли, однако сохранность их местоскоплений напрямую зависит от уровня МО, связанного с формированием крупных объемов льда и его растепления. Важным аспектом также является изменение положения полюсов в фанерозое и, соответственно, расположения климатических зон на поверхности планеты.
Изменение тренда современных температурных режимов во взаимосвязи с детальным изучением зон развития газовых гидратов также может служить моделью для описания процессов прошлых эпох и основой прогноза изменения климата.
При рассмотрении данного вопроса целесообразно опираться на весь арсенал геологической, биолого-палеонтологической, биостратиграфической, седиментологической, петрографо-минералогической и геохимической информации. Сложность заключается в том, что целенаправленных комплексных исследований до настоящего времени не проводилось. Вероятно, это связано с тем, что вопросы развития газогидратных скоплений разрабатываются сравнительно недавно и основной интерес, естественно, связан в первую очередь с возможностями промышленной разработки этих нестабильных, преимущественно углеводородосодержащих скоплений. При этом с позиции исторического аспекта в геологии интересны вопросы не столько содержания УВ, хотя вопросы скопления залежей и наличие гидратов могут дополнить современные модели исследований газового потенциала, сколько вообще присутствия гидратов в осадочных толщах, которое будет рассмотрено на примере Западной Сибири.
Западно-Сибирский осадочный бассейн был выбран, поскольку он может являться актуальным полигоном для данного рода исследований по ряду причин: наличие в его пределах газовых гидратов в ММП, развитых в северной части региона, и наличие структур в морской части региона с наличием потенциальных зон развития субаквальных газовых гидратов, а также сравнительно молодой возраст данной структуры вкупе с достаточной степенью изученности.
Также немаловажно, что Западная Сибирь представляет собой уникальный природный регион, существовавший как единый бассейн преимущественно морской аккумуляции начиная с юрского периода.
Однако следует отметить, что сложность состоит в отсутствии единого воззрения ученых на генезис и возраст отложений, представленных в пределах изучаемого бассейна.
Восстановление термической истории отложений при анализе развития древних гидратов имеет важное значение и может быть осуществлено на основе палеотектонических реконструкций и палеотемпературного моделирования.
Нахождение температурных минимумов, после которых зафиксировано увеличение температур, о чем свидетельствуют данные палеогеографических исследований.
Учитывая глубины морского бассейна в пределах изучаемого региона, образование газовых гидратов могло происходить в келловейский и волжский век (табл. 1).

Изучение палеогеографических схем конкретного региона с целью картирования возможных зон, благоприятных для скопления газовых гидратов.
На основе изученных палеогеографических схем, используя принцип актуализма, широко применяемый в геологических изысканиях, стало возможным выделение зон уверенного субаквального гидратообразования в отложениях юрской системы.
Н.А. Ясаманов [6] реконструировал климатические условия отдельных веков юрского, мелового и палеогенового периодов для северной и южной зон Западной Сибири. Для реконструкций использована комплексная методика, в которой главная роль принадлежит данным литологии. Определение включает метод изотопной (по кислороду органогенных карбонатов) палеотермометрии и магнезиальный метод палеотермометрии (по отношению кальция к магнию в органогенном кальците).
В настоящее время результаты палеоклиматических реконструкций, восстанавливающие вековой ход изменения давления, влажности и температур на поверхности Земли, используются для различных аспектов, в том числе актуально использовать их для выделения перспективных зон образования газовых гидратов (рис. 2).

Глубокое море (с глубинами 200–400 м) располагалось на территории современных Карской и Антипаютинско-Тадебеяхинской мегасинеклиз. Трансгрессировавший на территорию Западной Сибири морской бассейн имел нормальную соленость вод, на что указывает состав аутигенных минералов отложений и разнообразная морская фауна — двустворки, фораминиферы, головоногие и брюхоногие моллюски. В этой части бассейна накапливались тонкоотмученные илы (аргиллиты абалакской свиты). Акватория глубоководной зоны была примерно 140 тыс. км².
После установлено, что происходили регрессивные процессы, способствовавшие дестабилизации гидратных скоплений, что, вероятно, повлияло на изменение биоразнообразия акватории.
Значительно позже, в волжском веке, позднеюрская трансгрессия в Сибири достигла своего максимума. Морская акватория в волжское время заняла территорию большой части Западно-Сибирской геосинеклизы. В пределах бассейна установлено преобладание интенсивного химического выветривания, которое может являться свидетельством изменения химизма вод в связи с активными процессами гидратообразования.
При этом биологическая продуктивность волжского Западно-Сибирского моря была исключительно высокой [7].
Общим для центральной глубоководной части Западно-Сибирского моря было преобладание биогенного осадконакопления, в осадках накапливались остатки углерод-водород, кремний и кальцийсодержащего фито- и зоопланктона.
Исследование влияния льдо- и гидратообразования на фильтрационные свойства горных пород показало, что, хотя влияние гидратов на проницаемость при положительных температурах достаточно изучено, влияние льдообразования и промерзания гидратосодержащих пород остается слабоизученным. В ходе экспериментальных исследований газопроницаемости песчаных и супесчаных грунтов при фазовых переходах поровой воды (вода-лед-гидрат) были получены следующие результаты [8]:
1. Установлено критическое значение степени заполнения пор льдом и водой (50–60 %), при превышении которого проницаемость резко снижается (на несколько порядков). При степени заполнения пор до 40 % разница в газопроницаемости мерзлых и талых образцов незначительна (менее 1 порядка), при более высоких значениях — разница составляет несколько порядков.
2. Влияние фазового перехода лед-гидрат на проницаемость мерзлых образцов: впервые установлена зависимость влияния коэффициента гидратности на газопроницаемость от начальной льдонасыщенности образцов: чем выше начальная льдонасыщенность, тем сильнее влияние гидратации.
3. Закономерности изменения газопроницаемости при фазовых переходах вода-лед-гидрат: в песчано-супесчаных породах с влагосодержанием 14–18 % переход 70–80 % поровой воды в гидрат снижает газопроницаемость на 1–2 порядка. Наблюдается влияние дисперсности (7 % каолинита снижают проницаемость более чем в 3 раза) и промерзания гидратонасыщенного образца (многократное снижение проницаемости).
4. Газопроницаемость мерзлых гидратонасыщенных пород при диссоциации гидрата: впервые количественно определена газопроницаемость мерзлых гидратонасыщенных пород при диссоциации гидрата. Установлено повышение газопроницаемости при неравновесных условиях, наиболее значительное для образцов с высоким начальным влагосодержанием.