Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 503, № 2, стр. 142-147

ВВЕДЕНИЕ

Керченско-Таманская грязевулканическая провинция является крупнейшей на территории современной России – более сотни грязевых вулканов, десятки из которых демонстрируют признаки разномасштабной активности. Несмотря на хорошую геологическую изученность территории, глубинные механизмы грязевулканической деятельности, неразрывно связанные с процессами холодной дегазации Земли, все еще остаются предметом фундаментальных научных исследований [19, 20]. Многообразие форм и масштабов проявления грязевого вулканизма [9], его генетическая связь с нефтегазоносностью, вопросами региональной геоэкологии и безопасности крупнейших инженерных сооружений в значительной степени определяют актуальность и практическую значимость исследований этого, безобидного на первый взгляд, природного феномена [12, 15, 18].

ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ

Грязевой вулкан Джау-Тепе расположен в центральной части Керченского полуострова, близ села Вулкановка (рис. 1).

Рис. 1.

Карта-схема Керченского полуострова: 1 – грязевой вулкан Джау-Тепе; 2 – действующие или активные на территории полуострова грязевые вулканы; 3 – неактивные грязевые вулканы.

Вулканическая постройка представляет собой несколько асимметричный конус с уплощенной вершиной высотой около 60 м над современным рельефом. Морфогенетически она может быть отнесена ко второму типу [17]: конусовидная, состоящая из перекрывающихся покровов грязе-брекчий общей площадью около 1.5 км² и сформированная за счет периодического поступления на поверхность полужидких глинистых масс. Склоны вулкана прорезаны глубокими оврагами, а с северо-восточной стороны имеется паразитический грифон. В тектоническом отношении грязевой вулкан расположен в центральной части юго-западной равнины – восточном периклинальном замыкании Туакского антиклинория [14], на своде широтно ориентированной Вулкановской антиклинали [19], грязевулканическая постройка насажена на западную центриклиналь вдавленной синклинали, в которой на поверхность выведены отложения от чокрака до сармата [2].

Достаточно богата и разнообразна эруптивная история Джау-Тепе, с 1864 по 1942 г. были отмечены семь эпизодов активизации, некоторые из них – интенсивные пароксизмы с выбросами брекчии на высоту до 50 м и возгоранием газа. При этом известны случаи однократных, относительно спокойных грязевулканических излияний в 1982 и 2004 г. Общий объем изверженных продуктов грязевого вулкана Джау-Тепе оценивается в 55 млн. куб. м (110 млн т) [19].

В советское время в окрестностях Джау-Тепе были выполнены многократные геолого-геофизические и сейсморазведочные работы с целью определения перспективности Вулкановской нефтегазоносной площади [13]. Так, разведочным бурением было выявлено геологическое строение антиклинальной структуры, в ядре которой обнажаются нижнемайкопские глины, а крылья сложены нерасчлененной толщей глин средне- и верхнемайкопского возраста (рис. 2).

Рис. 2.

Геологический разрез грязевулканической постройки Джау-Тепе вдоль близширотного профиля [14]: 1 – сопочная брекчия; 2 – глины сланцеватые; 3 – сарматские известняки. N₁³s₁₊₂ – сарматский ярус; N₁²krg – караганский горизонт; N₁²tsch – чокракский горизонт; N₁¹mk₃, Pg₃mk₂, Pg₃mk₁ – майкопская серия.

Видно, что строение антиклинали симметричное, а углы падения крыльев невелики. Одной из скважин, пробуренной на борту вдавленной синклинали, вскрыты известковистые глины среднего сармата с прослоями грязевулканических брекчий, подстилаемых батисифоновым горизонтом верхнего майкопа (нижнего миоцена). В стратиграфическом разрезе, главным образом, представлены отложения майкопской серии, до глубины 1 км – глинами жирными слоистыми в нижнем миоцене и глинами песчанистыми в олигоцене мощностью 1 км [13].

МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ И ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Вслед за развитием пассивных способов сейсморазведки [Горбатиков, 2006], в начале двухтысячных годов были получены новые данные о корневых питающих системах отдельных грязевых вулканов Таманского полуострова, что позволило связать особенности их глубинного строения с характером грязевулканической деятельности и построить ряд непротиворечивых геолого-структурных моделей [3, 11, 16].

Рассмотрим результаты площадных геофизических исследований, выполненных с участием авторов в 2015–2019 гг. методом низкочастотного микросейсмического зондирования [4], представляющим собой пассивный поверхностно-волновой способ сейсморазведки и наиболее хорошо зарекомендовавшим себя в деле изучения субвертикальных флюидонасыщенных неоднородностей земной коры [5, 8, 10, 14, 16].

В ходе площадных геофизических исследований вулканическая постройка и прилегающие территории были охвачены сеткой из 56 пунктов регистрации микросейсм с шагом 250 м, при этом опорная точка располагалась на удалении 8 км [14]. Проведена обработка массива экспериментальных данных, с использованием авторского программного комплекса Microseism Data Processor (MDP) [7]. Обработка и построение вертикальных геофизических разрезов для каждого пункта наблюдений, в соответствии с технологией низкочастотного микросейсмического зондировании сводилась к тому, что для каждой частоты зарегистрированного спектра вертикальной компоненты микросейсмического шума рассчитывались значения его интенсивности относительно опорной точки с последующей привязкой по глубине. При этом частота f связана с глубиной залегания неоднородности h и скоростью фундаментальной моды волны Рэлея V_R(f) соотношением h = k V_R(f)/f, где k – коэффициент глубинной привязки [6]. Разрешающие способности метода по оценке [6] составляют по горизонтали (0.25–0.3)λ, а по вертикали (0.3–0.5)λ.

Таким образом, были построены вертикальные геофизические разрезы контрастности сейсмических скоростей для каждой измерительной точки по отношению к опорному пункту вдоль отдельных профилей, а также объемная модель флюидопроводящих структур – системы питания грязевого вулкана (рис. 3).

Рис. 3.

Объемное представление результатов площадных геофизических исследований методом низкочастотного микросейсмического зондирования на грязевом вулкане Джау-Тепе. Увеличение интенсивности реакции среды (теплые тона) соответствует пониженным значениям скоростей поверхностных (Sv) волн и соответствует основным флюидонасыщенным структурам. Уменьшение реакции (холодные тона) свидетельствует о наличии непроницаемых консолидированных пород, для наглядности на рисунке показаны частично прозрачными.

Полученные результаты позволяют оконтурить флюидопроницаемые структуры, уверено транслируемые на глубины 1500–2500 м и обеспечивающие доставку грязевулканического материала к дневной поверхности. Непосредственно под вулканической постройкой на глубинах до 1 км вероятнее всего залегает приповерхностный грязевулканический резервуар [14]. Новые данные позволяют ограничить его нижнюю границу на глубине ~750 м. Далее вглубь определяется флюидопроницаемая зона концентраций деформаций, являющаяся одним из условий формирования грязевого вулкана, наряду с наличием пластичных глинистых толщ [1] (рис. 4).

Рис. 4.

Принципиальная схема генерации грязевых вулканов положительных форм Керченско-Таманской области [1]. 1 – пластичные глинистые толщи; 2 – относительно хрупкие осадочные породы; 3 – флюидопроницаемые зоны концентрации деформаций; 4 – потенциальный грязевулканический резервуар; 5 – формирующиеся структуры глиняного диапиризма; 6 – вулканическая постройка.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Большинство грязевых вулканов Керченско-Таманской грязевулканической провинции приурочены к антиклинальным структурам, осложненным разрывными нарушениями. Последние, в период активизации, являются агентами доставки вещества на дневную поверхность. Различия состава и реологических свойств в отдельных слоях осадочных толщ определяют условия формирования сложной многоуровневой системы грязевулканических резервуаров и проводящих каналов, и всей грязевулканической корневой системы вулкана. Таким образом, необходимыми и достаточными условиями для формирования грязевых вулканов, помимо наличия нелитифицированных глинистых толщ, являются: высокое пластовое давление, которое достигается при погружении глин на определенную глубину, зоны концентрации деформации, выраженной системой активных разломов, а также присутствие сосредоточенных потоков глубинных флюидов (водорода, метана и других газов). Характер деятельности каждого конкретного грязевого вулкана во многом определяется особенностями строения питающей его системы перетока глубинных флюидов.

На вулкане Джау-Тепе впервые проведены площадные геофизические исследования методом микросейсмического зондирования, которые позволили с высокой точностью оконтурить в геологической среде субвертикальные флюидопроводящие неоднородности, ассоциированные с грязевулканическим резервуаром и проводящим каналом.

По полученной модели можно сделать вывод, что флюидопроницаемая зона концентраций деформаций уверенно транслируются до глубин 2.5 км и более, что позволяет говорить о глубинном грязевулканическом резервуаре, и не противоречит представлениям о закономерностях формирования крупных грязевых вулканов с положительной формой рельефа.

В целом глубинное строение Северо-Вулкановской площади было достаточно хорошо изучено сейсморазведкой МОГТ [13], кроме сводовой ее части, что естественно объясняется наличием субвертикального грязевулканического канала, недоступного для классической сейсморазведки. Таким образом, новые знания, полученные в ходе обработки данных площадного геофизического эксперимента, дополняют и расширяют наши представления о глубинном строении исследуемой территории. Впервые получено объемное представление о пространственной конфигурации субвертикальных флюидопроницаемых структур, обеспечивающих систему питания грязевого вулкана Джау-Тепе.

Несмотря на нетипичный состав газовой фазы, глубинное строение Джау-Тепе не обнаруживает радикальных отличий от родственных, как по геологическому строению, так и по тектонической позиции грязевых вулканов Тамани. В этой связи заслуживает внимания обобщенная модель генерации и транспортировки флюидонасыщенного вещества в питающих системах грязевых вулканов [1].

Полученные результаты расширяют наши представления об условиях формирования глубинных флюидопроводящих структур в западной части Керченско-Таманской грязевулканической провинции и призваны содействовать решению комплексной проблемы оценки эндогенных опасностей в южных регионах России.