Fluid seepage on and offshore Western Greece

Abstract

The present thesis is an integrated geological, geochemical, and oceanographic study of the environmental impact of hydrocarbon rich fluid seepage occurring in two areas located in Western Greece, Katakolo Bay and Amvrakikos Gulf. Western Greece is particularly affected by hydrocarbon seepage processes related to the presence of underground oil and gas reservoirs. The seepage is just the natural, upward migration of fluids from these reservoirs. Environmental impacts of hydrocarbon rich fluid seepage include: (a) the emission of greenhouse gases to the atmosphere, (b) hypoxia in aquatic systems (c) degradation of geotechnical properties of ground, soil, and sediments and, (d) geohazard due to explosiveness and toxicity of gas. This work is focused on points (a), (b) and (c). (a) Methane (CH4), the primary component of natural gas, is a powerful greenhouse gas and its seepage to the surface is an important natural source of greenhouse gas for the atmosphere. The seepage may occur on land (on shore) or in the marine environment (offshore), always associated to the presence of tectonic faults, as documented in this work. Measuring the flux of methane (generally expressed in mg m-2 per day, or tonnes per day) is the key task for addressing its atmospheric impact. (b) Hypoxia (i.e., oxygen depletion) in aquatic environments is an important environmental phenomenon with strong implications for life and its biodiversity, and as a result, aquatic ecosystem goods and services. Well oxygenated water bodies result from a fragile balance between production, transport and consumption. Hypoxia can be induced by natural and anthropogenic factors, such as water circulation, high water temperature, stratification of the water column, and anthropogenic pressures such as pollution. Hydrocarbon seepage is an additional natural factor that is yet poorly studied; it is known in theory that oxygen dissolved in water is consumed to oxidize methane released from the seabed. Knowing the conditions that regulate this process is still elusive. (c) Pockmarks are cone shaped deep depressions that are the result of erosion/degradation of the marine sediments caused by escaping fluids from below the seafloor (Amfilochia Bay in this thesis). Pockmarks constitute evidence that may illustrate and justify submarine fluid flow. On land gas seepage may be the cause of degradation of ground conditions, such as asphalt deformation and cracking. This occurs because the asphalt and concrete pavement over a seepage site (Katakolo Harbour in this thesis) acts as a cap for gas that gradually accumulates below. When the gas pressure increases the asphalt and concrete may swell and crack. In this study gas emission and hypoxia are investigated through geochemical and oceanographic methods, also using modern instrumentation such as benthic observatories. Katakolo Bay and Amvrakikos Gulf represent two different environments, hosting different type of seepage, geology, and seawater current circulation: Katakolo Bay is an open sea environment, but it includes a semi-enclosed harbor area where water circulation is limited. Amvrakikos Gulf is a naturally semi-enclosed basin receiving limited input from the open sea. The specific objectives of this study were: • Assessment of seepage distribution in the two studied areas • Estimate overall emission of methane into the atmosphere • Monitor over time oxygen concentration in seawater in relation to seepage • Determine the mechanism of hypoxia evolution due to seepage. The thesis is divided in two parts: -theoretical evaluation, describing general theory of hydrocarbon seepage and its environmental impact, with specific reference to hypoxia in seawater;-experimental study reporting original, experimental data, some of them acquired in the framework of an EU funded project, HYPOX. The data include marine geophysical data, methane flux from the ground and from the seawater/seabed, methane and oxygen concentration in seawater from areal surveys and from a temporal monitoring in a selected site within Katakolo Port. A descriptive model of the seepage/hypoxia relationship is provided for the first time and can be used to study hypoxia in other marine environments.

Η παρούσα διατριβή είναι μια ολοκληρωμένη γεωλογική, γεωχημική και ωκεανογραφική μελέτη των περιβαλλοντικών επιπτώσεων των διαφυγών ρευστών πλούσιων σε υδρογονάνθρακες που λαμβάνει χώρα σε δύο περιοχές που βρίσκονται στη Δυτική Ελλάδα, στον Κόλπο του Κατακόλου και στον Αμβρακικό Κόλπο. Η Δυτική Ελλάδα επηρεάζεται ιδιαίτερα από διεργασίες διαφυγών υδρογονανθράκων που σχετίζονται με την παρουσία υπογείων κοιτασμάτων πετρελαίου και φυσικού αερίου. Η διαφυγή είναι απλώς η φυσική, ανοδική μετανάστευση ρευστών από αυτά τα κοιτάσματα. Οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις των διαφυγών ρευστών πλούσιων σε υδρογονάνθρακες περιλαμβάνουν: (α) την εκπομπή αερίων θερμοκηπίου στην ατμόσφαιρα, (β) την υποξία σε υδατικά συστήματα, (γ) την υποβάθμιση των γεωτεχνικών ιδιοτήτων του εδάφους και των ιζημάτων, (δ) τις γεωλογικές επικινδυνότητες λόγω εκρηκτικότητας και τοξικότητας του φυσικού αερίου. Αυτή η διατριβή επικεντρώνεται στα σημεία (α), (β) και (γ). (α) Το μεθάνιο (CH4), το κύριο συστατικό του φυσικού αερίου, είναι ένα ισχυρό αέριο θερμοκηπίου και η διαφυγή του είναι μια σημαντική φυσική πηγή αερίων θερμοκηπίου για την ατμόσφαιρα. Η διαφυγές μπορεί να λαμβάνουν χώρα στην ξηρά ή στο θαλάσσιο περιβάλλον, που συνδέεται πάντα με την παρουσία ενεργών τεκτονικών ρηγμάτων., όπως τεκμηριώνεται και σε αυτή τη διατριβή. Η μέτρηση της ροής του μεθανίου (γενικά εκφράζεται σε mg m-2 ανά ημέρα ή σε τόνους ανά ημέρα) είναι η βασική μελέτη που οφείλουμε να κάνουμε ώστε να απευθυνθούμε στην επίδρασή του στην ατμόσφαιρα. (β) Η υποξία σε υδατικά περιβάλλοντα είναι ένα σημαντικό περιβαλλοντικό φαινόμενο με ισχυρές επιπτώσεις στη ζωή και τη βιοποικιλότητα. Τα καλά οξυγονωμένα υδατικά οικοσυστήματα βασίζονται σε μια εύθραυστη ισορροπία μεταξύ παραγωγής, μεταφοράς και κατανάλωσης οξυγόνου. Η υποξία μπορεί να προκληθεί από φυσικούς και ανθρωπογενείς παράγοντες, όπως η υδατική κυκλοφορία, η υψηλή θερμοκρασία νερού, η διαστρωμάτωση της υδάτινης στήλης και αμιγώς ανθρωπογενείς πιέσεις όπως η ρύπανση. Η διαφυγή υδρογονανθράκων είναι ένας πρόσθετος φυσικός παράγοντας που δεν έχει μελετηθεί ακόμη επαρκώς. Είναι γνωστό, θεωρητικά, ότι το στα υδατικά περιβάλλοντα, το διαλυμένο οξυγόνο καταναλώνεται για την οξείδωση του μεθανίου που απελευθερώνεται από τον πυθμένα. Η γνώση όμως των συνθηκών που ρυθμίζουν αυτήν τη διαδικασία είναι ακόμη ασαφής. (γ) Οι κρατήρες είναι βαθιές κοιλότητες σε σχήμα κώνου που είναι το αποτέλεσμα της διάβρωσης/υποβάθμισης των θαλάσσιων ιζημάτων και προκαλούνται από διαφυγή ρευστών από τον θαλάσσιο (και όχι μόνο) πυθμένα (π.χ., ο Κόλπος της Αμφιλοχίας σε αυτή τη διατριβή). Οι κρατήρες αποτελούν στοιχεία που μπορούν να επεξηγήσουν και να δικαιολογήσουν τη διαφυγή ρευστών σε υδατικά περιβάλλοντα. Στην ξηρά, η διαφυγή αερίου μπορεί να είναι η αιτία υποβάθμισης του εδάφους, όπως παραμόρφωση της ασφάλτου και ρωγμές. Αυτό συμβαίνει επειδή η άσφαλτος και το τσιμεντένιο οδόστρωμα πάνω από μια περιοχή διαφυγών (π.χ., το Λιμάνι του Κατακόλου σε αυτή τη διατριβή) λειτουργεί ως επικάλυμμα για το υποκείμενο αέριο που σταδιακά συσσωρεύεται. Όταν η πίεση του αερίου αυξάνεται, η άσφαλτος και το τσιμέντο μπορεί να διογκωθούν και να σπάσουν. Σε αυτή τη διατριβή οι εκπομπές αερίων και η υποξία διερευνώνται μέσω γεωχημικών και ωκεανογραφικών μεθόδων, επιπλέον χρησιμοποιώντας σύγχρονα όργανα όπως βενθικά παρατηρητήρια. Ο κόλπος του Κατακόλου και ο Αμβρακικός Κόλπος αντιπροσωπεύουν δύο διαφορετικά περιβάλλοντα, που χαρακτηρίζονται διαφορετικούς τύπους διαφυγών, γεωλογία και κυκλοφορία θαλασσινού νερού: το Κατάκολο είναι ένα περιβάλλον ανοικτής θάλασσας, αλλά περιλαμβάνει μια ημίκλειστη περιοχή λιμανιού, όπου η κυκλοφορία του νερού είναι πιο περιορισμένη. Ο Αμβρακικός Κόλπος είναι μια φυσικά ημίκλειστη λεκάνη που δέχεται περιορισμένη εισροή θαλασσινού νερού από την ανοιχτή θάλασσα.Οι συγκεκριμένοι στόχοι αυτής της μελέτης ήταν: • Η εκτίμηση της κατανομής διαφυγών στις δύο περιοχές μελέτης. • Ο υπολογισμός των συνολικών εκπομπών μεθανίου στην ατμόσφαιρα. • Η παρακολούθηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ των συγκεντρώσεωνς οξυγόνου και μεθανίου (που προέρχεται από υποθαλάσσιες διαφυγές) στο θαλασσινό νερό. • Ο προσδιορισμός του μηχανισμού ανάπτυξης της υποξίας λόγω διαφυγής μεθανίουΗ διατριβή χωρίζεται σε δύο μέρη:- Μία θεωρητική αξιολόγηση, που περιγράφει τη γενική θεωρία των διαφυγών υδρογονανθράκων και τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις τους, με ειδική αναφορά στην υποξία στα θαλάσσια οικοσυστήματα.- Την πειραματική μελέτη που περιλαμβάνει πρωτότυπα, πειραματικά δεδομένα, μερικά από τα οποία αποκτήθηκαν στο πλαίσιο του έργου HYPOX (EC Grant 226126, ENV.2008.4.1.2.1) που χρηματοδοτήθηκε από την Ευρωπαϊκή Ένωση. Τα δεδομένα περιλαμβάνουν θαλάσσια γεωφυσικά δεδομένα, δεδομένα ροής μεθανίου από το έδαφος και από το θαλασσινό νερό/πυθμένα, τη συγκέντρωση μεθανίου και οξυγόνου στο θαλασσινό νερό από επιτόπιες έρευνες και από χρονική παρακολούθηση σε επιλεγμένη τοποθεσία στο Λιμάνι του Κατακόλου με τη χρήση βενθικού παρατηρητηρίου. Στην παρούσα διατριβή, παρέχεται για πρώτη φορά ένα περιγραφικό μοντέλο της σχέσης μεταξύ διαφυγών μεθανίου και υποξίας και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μελέτη της υποξίας και σε άλλα θαλάσσια περιβάλλοντα.