Вопросы формирования, накопления и разрушения газовых гидратов (ГГ) имеют важнейшее значение в сфере поисков, разведки и разработки углеводородного сырья в связи с изменившейся структурой топливно-энергетического комплекса в сторону газопотребления. Существование гидратов природных газов в недрах Земли открыто немногим более полувека назад, хотя с техногенными гидратами человечество столкнулось значительно раньше. В настоящее время существование природных ГГ является объективной реальностью, при этом они могут образовываться как в атмосфере, так и на поверхности других планет, также в просторах Вселенной [1].
Исследование палеогеологических факторов, влияющих на образование крупных резервуаров нефти и газа, представляет собой сложную задачу для специалистов в области геологии и геофизики. Палеогеологические факторы включают в себя разнообразные аспекты, такие как эволюция осадочных образований, геологические процессы и условия древнего климата, которые все вместе определяют, как формируются и распределяются запасы углеводородов. Так как экономически целесообразно разрабатывать крупные месторождения, необходимо научно обосновать ключевые геологические характеристики для прогнозирования существования месторождений-гигантов и больших запасов углеводородов [2].
При благоприятном сочетании геологических, технических и экономических условий залежи верхней части разреза представляют ценность для промышленной добычи углеводородов. Исследование и разработка мегарезервуаров газовых гидратов являются одними из актуальнейших направлений, которые привлекают внимание ученых в последние годы. Месторождения-гиганты газогидратов представляют собой обширные и высокоэффективные запасы газогидратов, которые расположены в морских или многолетнемерзлых породах. Они являются потенциальными источниками метана. Месторождения такого масштаба имеют важное значение для энергетической безопасности стран, предоставляя доступ к альтернативным источникам энергии, важнейшими из которых в настоящее время являются крупные скопления ГГ.

Ниже приведены основные месторождения-гиганты газовых гидратов мира и их особенности.
1. Месторождение Берингова моря (США и Россия):

• находится на континентальном шельфе Берингова моря;
• содержит значительные запасы метана, но технологические и экологические вопросы все еще требуют решения.

2. Месторождение Мицубиси в Японии:

• один из первых в мире проектов по добыче газогидратов;
• Япония активно исследует газогидраты для снижения зависимости от традиционных источников энергии.

3. Месторождения у берегов Индии:

• индийские ученые обнаружили обширные запасы газогидратов в Коралловом море, что открывает новые возможности для энергетической автономии страны.

4. Месторождения в Южно-Китайском море:

• месторождения имеют большие потенциальные запасы и находятся в центре международных споров, что добавляет политический контекст к их разработке.

5. Квебекские газогидраты (Канада):

• интерес к пробной добыче газогидратов в этом регионе растет в связи с инновациями в технологиях добычи.

6. Промышленная добыча газогидратов из залежей в верхней части разреза на шельфе Нидерландов [3].

7. Проект разработки месторождения Peon на шельфе Норвегии.

8. Прогнозируемые месторождения в акваториях морей Лаптевых, Восточно-Сибирского, Чукотского, Карского и Бофорта, где установлено широкое распространение потенциально газонасыщенных объектов, в основном с верхними границами газонасыщения на глубинах
до 100–300 м от поверхности дна [4–9].

В России наличие ГГ подтверждено на месторождениях Бованенковском и Уренгойском. По косвенным признакам наличие ГГ предполагается на месторождениях Мессояхском и Заполярном, а также прогнозируется их наличие на побережье Средней Сибири в устье р. Оленек, в Западной Якутии на южной окраине Анабарской антеклизы, на Колымо-Индигирской низменности и на севере полуострова Чукотка. Стоит отметить, что акватории арктических регионов Восточной Сибири и Дальнего Востока нашей страны слабо изучены, и новые результаты изучения роли газогидратообразования в геологических процессах фанерозоя имеют большое научно-практическое значение.

Обширные залежи ГГ фанерозойского возраста распределены по всему миру неравномерно (рис. 1), но характеризуются специфическими особенностями в разных регионах.

Мировые запасы сланцевого газа оцениваются примерно в 20 000–21 000 трлн м³, и благодаря своей структуре единичный объем газового гидрата может содержать до 160–180 объемов чистого газа, так что разработка месторождений газогидратов из фанерозоя представляет собой перспективное направление в энергетической отрасли [10–13].
Развитие ГГ установлено в морских условиях и на суше в зонах развития многолетнемерзлых пород северных районов.
Морские распространения газогидратов связаны в основном с континентальными окраинами, где сосредоточены наиболее крупные залежи. Здесь происходит активное накопление органического вещества и создаются благоприятные термобарические условия. Примеры: побережье Северной и Южной Америки, восточное побережье Африки, шельфы Индии, Китая, Японии.
Газогидраты вечной мерзлоты связаны с Арктической и Субарктической зонами, где имеются обширные территории вечной мерзлоты, где недра содержат значительные запасы газогидратов. Примеры: Сибирь (Россия), Аляска (США), Канада.
Следует также отметить, что в высокогорных областях ГГ могут формироваться на значительных высотах.

Проведем сравнительный анализ двух основных геологических обстановок, благоприятных для образования скоплений газогидратов и разработки месторождений.
1. Глубоководные осадки на континентальных окраинах.
Преимущества:

• высокая концентрация органического вещества в донных отложениях, что обеспечивает постоянный приток метана;
• стабильные термобарические условия, способствующие длительному существованию газогидратов;
• обширные площади распространения потенциальных зон гидратообразования.

Недостатки:

• сложность доступа и высокая стоимость разработки месторождений на большой глубине;
• повышенный риск дестабилизации донных отложений при добыче газа;
• потенциальная угроза морской экосистеме в случае аварийных ситуаций.

2. Области вечной мерзлоты.
Преимущества:

• более простая и дешевая добыча в сравнении с морскими месторождениями;
• отсутствие влияния на морскую экосистему.

Недостатки:

• меньшие запасы газогидратов в сравнении с морскими осадками;
• высокая уязвимость вечной мерзлоты к изменениям климата, что может привести к дестабилизации газогидратов и выбросам метана в атмосферу;
• сложности доступа к месторождениям в отдаленных районах.

Каждая из рассмотренных геологических обстановок обладает своими преимуществами и недостатками с точки зрения перспектив добычи газогидратов. Выбор оптимальной стратегии освоения этого потенциального источника энергии требует комплексного учета всех факторов: палеогеологических, геологических, экологических, экономических и технологических.
Анализ современных ГГ показал, что повышение температуры и изменение давления вызывают внезапное адиабатическое расширение газа, протекающее с поглощением тепла. В естественных условиях гидратообразование и разложение описаны при выбросах подводных грязевых вулканов, формирующих на поверхности дна вокруг жерла грязевого вулкана разномасштабные поля метангидратов.
Аспекты изучения газовых гидратов лежат в плоскости изучения механизмов и условий их формирования, основанных на базовых принципах, применяемых в геологии, а именно — на принципе актуализма.
Установлено, что процесс гидратообразования — это практически единственный химический процесс, который характерен для всех распространенных в природе газов. В природе преимущественно встречаются газогидраты природных газов: гомологи метана, H₂S, CO₂, O₂, N₂ и др. Например, благородные газы более не вступают ни в какие реакции в природе, кроме гидратообразования. При моделировании процессов древней среды необходимо учитывать также состав древней атмосферы, поскольку, по имеющимся данным, он был иной. В этой связи необходимо понимать, что в геологическом прошлом установить газовые составляющие крайне затруднительно, можно лишь установить факторы влияния, последствия образования и разрушения. Следует различать газовые гидраты (при этом состав газа может быть различен) и метангидраты, в состав которых входит преимущественно метан. По понятным причинам основное внимание в настоящее время уделено именно изучению метангидратов, но исключать образование других гидратов не стоит, поскольку их образование могло также отражаться в процессах прошлых геологических эпох.
Все природные газогидраты представляют собой метастабильный материал, образование и разложение которого зависят от температуры и давления, состава газа и воды, от свойств пористой среды, в которой они образуются.

Установлено, что на процессы газогидратообразования в недрах влияет литолого-фациальный состав газопродуктивных пород [15]. 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 в хорошо проницаемых чистых 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.
Выявление временных промежутков, благоприятных для максимального развития газовых гидратов, дает возможность обнаружить их взаимосвязь с глобальными перестройками среды обитания и, как следствие, органического мира прошлого. При изучении данных аспектов наибольшее значение имеют субаквальные ГГ.
В современных акваториях Мирового океана (МО) зона гидратообразования начинается от дна океана и составляет несколько сотен метров. Субмаринные залежи приурочены главным образом к глубоководному шельфу и океаническому склону при глубине воды от 200 м для условий приполярных и от 500–700 м для экваториальных регионов. При этом гидратные залежи, расположенные в МО, 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.
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) (рис. 2).

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 [16].
Ниже представлен возможный механизм формирования. Известно, что газовые факела 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 неперехваченный 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 [18].
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. Картирование данных зон видится важной задачей в вопросах исследования осадочных толщ в прошлом.
Как отмечают С.Ш. Бык и другие [19], при исследовании кинетики гидратообразования целесообразно рассматривать отдельно два случая: гидратообразователь практически не растворим в воде (большинство неполярных газов); гидратообразователь хорошо растворим в воде (как правило, это летучие органические жидкости).
В первом случае основное влияние на скорость гидратообразования оказывает абсорбция гидратообразователя водой, т. е. процесс массопередачи, во втором — отвод теплоты от растущих гидратных образований, т. е. процесс теплопередачи. Для природных условий представляется более реальным первый, более сложный случай.
Известно, что распространение газовых гидратов в значительной степени связано с развитием многолетнемерзлых пород, большое значение имеет геокриологическое районирование этих территорий и акваторий. Данные о развитии ледниковых покровов могут быть положены в основу выделения перспективных зон, благоприятных для гидратообразования прошлого. На протяжении фанерозоя климатические пояса меняли свое положение, в связи с чем происходило чередование безледниковых эпох с эпохами континентальных оледенений.
Изучение палеогеографических обстановок фанерозоя позволяет выделить временные промежутки, которые характеризовались значительными колебаниями климатических характеристик. В этом вопросе необходимо обратить внимание на картирование и изучение зон формирования древних ледниковых отложений — тиллитов [20].
В отложениях фанерозойской эонотемы существовало широкое развитие ГГ в шельфовой зоне, дестабилизация которых могла привести к изменению химизма океанических вод, температурного режима и других факторов, на фоне которых можно объяснить этапы развития органического мира и дополнить недостающие звенья в восстановлении условий существования прошлого.