Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 499, № 2, стр. 91-96

Исследования сейсмоакустических аномалий, потенциально связанных со скоплениями свободного газа в верхней части разреза осадков Печорского моря, были проведены авторами во время экспедиций Геологического института РАН и Института океанологии РАН в 38-м рейсе НИС “Академик Николай Страхов” в 2018 г. по системе полигонных и маршрутных галсов и продолжены в 41-м (2019 г.) и 49-м (2020 г.) рейсах [8, 9, 14]. Для Печорского моря характерна высокая степень изученности сейсмоакустическими методами. В ходе этих исследований установлены факты газонасыщенности в слабоконсолидированных породах верхней части разреза [5–7, 10]. Скопления свободного газа приурочены преимущественно к зонам мерзлоты в области глубин моря 50–70 метров и мельче. Сопоставление данных сейсмоакустической съемки высокого разрешения с данными глубинной сейсморазведки показало [14], что свободный газ сначала аккумулируется под подошвой глинистых толщ юрского возраста на глубинах от 400 до 700 м, поступая из триасовых комплексов. Локальные нарушения флюидоупора при тектонических смещениях приводят к дальнейшему подъему газа в четвертичные отложения и формированию приповерхностных скоплений, из которых, при деградации мерзлоты и механических процессах нарушения целостности пород, происходят выбросы в водную толщу из приповерхностных скоплений. Эти выбросы обнаруживаются в виде аномалий типа “яркое пятно” на сейсмоакустической записи и звукорассеивающих объектов над дном. Было показано, что эти аномалии часто расположены над разломными зонами. Разгрузка газов в водную толщу из триасовых комплексов также была обнаружена в северном обрамлении Баренцева моря в 25-м рейсе НИС “Академик Николай Страхов” [13] в областях с отсутствием юрского флюидоупора. Газовые скопления на небольшой глубине под дном и их прорыв в водную толщу, в пределах Арктических шельфов России, представляют опасность для инженерной и навигационной деятельности. Систематическое картирование этого явления является необходимым элементом при подготовке района к промышленной эксплуатации. В настоящей статье представлены результаты выделения и интерпретации всех аномалий типа “яркое пятно” по данным 38-го рейса НИС “Академик Николай Страхов” в пределах акватории Печорского моря (рис. 1). Сбор данных был осуществлен профилографом EdgeTech 3300 с сигналом типа CHIRP в диапазоне частот от 2 до 12 кГц.

Рис. 1.

Пространственное распределение сейсмоакустических аномалий типа “яркое пятно” в Печорском море по данным 38-го рейса НИС “Академик Николай Страхов”. Элементы тектоники района показаны по данным [3].

Пространственное распределение аномалий типа “яркое пятно” в Печорском море показывает наличие нескольких компактных групп, которые расположены в разных структурных блоках в пределах маршрута судна (см. рис. 1). Восточная группа аномалий сосредоточена в Вашуткино-Талотинской надвиговой зоне [14], где по данным [11] к уровню подошвы мезозойских комплексов по разломам могут быть подняты ордовикские соли. В этой зоне существует благоприятная обстановка для миграции флюидов по эшелонированной системе взбросов, которые, при проникновении в верхнюю часть разреза осадков в первые десятки метров под дном моря, формируют скопления, проявленные в разрезах в виде “ярких пятен”. Прорывы газа из таких скоплений могут представлять непосредственную опасность [1, 2]. Кроме поступления глубинных газонасыщенных флюидов по разломам, могут существовать и другие источники газов, например приповерхностные биогенные, но в нашей работе мы рассматриваем газопроявления в данных сейсмоакустики только в сравнении с тектоническим фактором.

Варандей-Гуляевский блок, на северо-западе которого расположен Приновоземельский прогиб (см. рис. 1), характеризуется еще одной компактной группой газовых аномалий записи. Практически все маршрутные разрезы между полигонами содержат “яркие пятна”. Мощность триасовых комлексов в этом блоке по данным [4] больше, чем на западе Печорского моря. Тектоническая раздробленность блока по данным [3] и разрезы МОВ ОГТ [14], содержащие аномалии записи в подошве мезозойских комплексов, подтверждают связь газовых аномалий в верхней части разреза с глубинными источниками в Варандей-Гуляевском блоке. “Яркие пятна” в Приновоземельском прогибе (рис. 1) могут быть связаны с повышенной трещиноватостью в разрезе из-за близости к фронтальной части надвиговой системы, проявленной взбросами и структурами сжатия [4].

Хорейверский блок отличается наименьшей встречаемостью акустических аномалий (рис. 1). Его фундамент согласно [3, 4] сложен относительно жестким массивом земной коры, являющимся стабильной антиформой древней платформы. Тектоническая раздробленность проявлена меньше всего, что, по всей видимости, является причиной минимального распространения “ярких пятен”, маркирующих газовые скопления. По данным [14] в северной части блока на границе с Мурманско-Куренцовским блоком проявлены интенсивные акустические аномалии, расположенные в депрессии амплитудой в первые десятки метров. Они могут быть интерпретированы как скопления свободного газа в отложениях палеорусел [6]. Другим вариантом интерпретации их генезиса является связь с растворением и последующим обрушением (коллапсом) кровли соляного диапира, которое согласно [12] теоретически может иметь место в данном районе, если допустить распространение ордовикских соляных отложений на запад от Варандейско-Гуляевского блока.

К юго-востоку от о. Колгуев в Печоро-Колвинском блоке проявлена плотная группа аномалий (см. рис. 1), связанная с локальными тектоническими нарушениями. В восточной части этой группы аномалии сконцентрированы около разломных зон и субмеридионального Колвинского мегавала. Отдельной группой выделяются аномалии в центральной части Печоро-Колвинского авлакогена, также сконцентрированные около разломной зоны (см. рис. 1). В 49-м рейсе НИС “Академик Николай Страхов” для исследования этой группы были заложены дополнительные галсы. На субширотном разрезе четвертичных осадков, пересекающем разломную зону (рис. 2), выделяется депрессия глубиной до 10 м и шириной до 2 км, имеющая также небольшое центральное поднятие. Морфология дна и характер проседания рефлекторов по краям депрессии аналогичны аномалиям, связанным с процессами над соляными протрузиями [12]. По периферии депрессии наблюдаются широкие вертикальные акустические осветления записи, разделяющиеся в верхней части на так называемые “трубы” шириной около 50 м. Эта форма записи связана с поступающим вверх по разрезу газонасыщенным флюидом, который в приповерхностной части скапливается в небольших локальных ловушках, образуя в волновом поле субгоризонтальные аномалии типа “яркое пятно” с увеличенной по сравнению с окружающими рефлекторами интенсивностью отраженного сигнала. Под эти аномалии высокочастотный сигнал проходит с резкой потерей энергии и практически не позволяет получить отражения в среде с первичной литологической структурой, нарушенной процессами дегазации и флюидопотоком.

Рис. 2.

Субширотный разрез четвертичных осадков в Печоро-Колвинском авлакогене по данным 49-го рейса НИС “Академик Николай Страхов” (ИО РАН, ГИН РАН, 2020), полученный профилографом с сигналом CHIRP в диапазоне частот 2–12 кГц (положение разреза показано на врезке).

Выклинивание рефлекторов на западном фланге депрессии на глубине около 12 м под дном показывает, что выброс газонасыщенного флюида мог проходить в два этапа. Сформированное на первом этапе проседание было засыпано осадочным материалом с несогласным залеганием на бортах депрессии, которая при повторном выносе флюида с осадочным материалом к поверхности просела уже вместе с несогласно залегающим комплексом. На восточном борту такого не наблюдается (см. рис. 2). Это может указывать на то, что повторный выброс проходил в западной части депрессии и таким образом сформировал в ней сложную хаотичную структуру рефлекторов. Положение депрессии над разломом указывает на возможность постоянного притока флюидов вверх по разрезу и вероятность новых выбросов газа в водную толщу. На образцах повторных разрезов над “яркими пятнами” в море Лаптевых по данным [16] видно, что скорость продвижения газовых фронтов, создающих эти аномалии сейсмоакустической записи в приповерхностных слабоконсолидированных осадках, может составлять от 2 до 8 м в год. Эти значения очень велики и указывают на необходимость картирования подобных зон с проведением обязательных повторных промеров на наиболее опасных участках шельфа.

Разрез вдоль разломной зоны Печоро-Колвинского авлакогена (рис. 3) показывает, что вдоль нее существует газовый фронт, выраженный протяженной аномалией “яркое пятно”, становящейся непрерывной по мере приближения разреза к разлому. Отдельные газовые “трубы” шириной от 5 до 50 м около разлома сливаются в единую область акустического осветления записи, продолжающуюся на север авлакогена. Подъем газонасыщенных флюидов в рыхлых осадках носит дискретный характер и стремится к объединению в единый фронт по мере приближения к интенсивному глубинному источнику. Отметим, что головные части “труб” и “яркие пятна”, являющиеся кровлей скоплений газа, в вертикальном измерении также расположены на дискретных глубинах около отметок 90, 100 и 104 мс (см. рис. 3). Это, вероятно, указывает, что горизонты на этих глубинах обладают меньшей проницаемостью для флюидов и способны удерживать накопление газа вплоть до его проникновения далее вверх по разрезу по отдельным механическим нарушениям или под действием архимедовой силы. Очевидной является пространственная связь “ярких пятен” с разломными зонами. Не полностью очевидным является наличие современной активности вдоль этих разломов. По данным [15] в районе имеется несколько слабых событий с магнитудами от 1.5 до 2.5, но по сравнению с северными районами Баренцева моря их число слишком мало для получения надежных выводов.

Рис. 3.

Субмеридиональный разрез четвертичных осадков в Печоро-Колвинском авлакогене по данным 49-го рейса НИС “Академик Николай Страхов” (ИО РАН, ГИН РАН, 2020), полученный профилографом с сигналом CHIRP в диапазоне частот 2–12 кГц (положение разреза показано на врезке).

Сравнение положения группы “ярких пятен” и глубинного сейсмического разреза поперек разломной зоны авлакогена (рис. 4) показывает, что они группируются над разломной зоной, нарушающей комплексы нижнего карбона и более древние [4]. В этой части разреза кроме явного смещения осей синфазности, указывающего на вертикальные тектонические нарушения, наблюдаются локальные проседания фаз (см. рис. 4), которые встречаются при снижении скоростей сейсмических волн из-за наличия низкоскоростных флюидов в толще осадочных пород. Кроме того, там же наблюдаются вертикальная зона потери когерентности сигнала и смена полярности отражений, которые также указывают на присутствие флюидов (рис. 4). Разрез показывает, что наиболее раздробленными являются палеозойские комплексы, но при этом для свободного газа сохраняются пути миграции вверх до современного дна Печорского моря, где наблюдаются его скопления и прорывы в водную толщу [14].

Рис. 4.

Фрагмент разреза МОВ ОГТ 078602 (положение разреза показано на врезке). Желтым прямоугольником показано положение скопления “ярких пятен” в Печоро-Колвинском авлакогене, выявляемых по данным высокого разрешения, пересекаемых разрезом ОГТ, но не различимых на низких частотах. Прямоугольником показано положение особенностей волнового поля, описываемых в тексте.

Таким образом, пространственное распределение в приповерхностных осадках Печорского моря аномалий типа “яркое пятно”, являющихся индикаторами скопления газа, связано с системой разломных зон, нарушающих палеозойские осадочные комплексы и в ряде случаев мезозойские комплексы, формируя каналы для поступления газа вверх по разрезу. Скопления газа в четвертичных осадках могут быстро мигрировать вверх, вплоть до прорыва в водную толщу, что создает опасные последствия для инженерной и навигационной деятельности на акватории шельфа. Нарушение стабильности приповерхностных скоплений может происходить по многим причинам: механические воздействия, деградация мерзлоты, неотектонические движения и подъем под действием архимедовой силы при ее превышении сопротивления слоев, удерживающих газ. Газонасыщенные области осадков проявлены дискретно как по горизонтали в виде вертикальных зон осветления, сливающихся в единый фронт в зависимости от интенсивности глубинного источника газа, так и по вертикали – в зависимости от степени проницаемости слабоконсолидированных слоев четвертичных осадков. В районе также существует вероятность появления аномалий, связанных с обрушением надсолевых толщ.