Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2020, № 3, стр. 36-44

ВВЕДЕНИЕ

Возобновление активной работы северного морского пути, проектирование и строительство новых терминалов по отгрузке сжиженного газа, новых линейных сооружений, добывающих скважин и сопутствующих инженерных сооружений на акватории арктического шельфа России требуют актуальных знаний о несущей способности грунтов на акватории шельфа. Несущая способность грунтов шельфа во многом определяется их состоянием. Поэтому актуальными представляются исследования, направленные на изучение многолетнемерзлых пород и газогидратов на шельфе морей Российской Арктики. Буровые работы на арктическом шельфе очень дороги, поэтому ведущими методами для решения геокриологических задач являются дистанционные геофизические технологии. Однако, широко применяемые стандартные подходы к интерпретации геофизических данных, часто не решают однозначно геокриологические задачи. Разработка новой методики геокриолого-геофизического анализа позволила изучить границы распространения талых, охлажденных и многолетнемерзлых пород, получить современные данные об их сплошности и состоянии, вероятности метанового “заражения” пород арктического шельфа, оценить распространение на арктическом шельфе газогидратных толщ, обосновать выделение на арктическом шельфе криогенной толщи.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ

На рис. 1 приведена карта фактического материала геофизических исследований, выполненных автором на арктическом шельфе в период 2006–2019 гг. в совместных экспедициях на северном полушарии. Здесь указаны пути: 1 – ледокола “Оден” в шведско-российско-американской экспедиции 2014 г., 2 – НИС “Виктор Буйницкий” в 2012 г., 3 – судна “Маршал Василевский” в 2015, 2016, 2017, 2018 гг., 4 – судна “Сапфир” в 2019 г., 5 – судна “Академик Мстислав Келдыш” в 2017, 2018, 2019 гг.

Рис. 1.

Карта фактического материала геофизических исследований, выполненных автором в период 2006–2019 гг.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

В результате многолетних исследований на арктическом шельфе автором предложен и апробирован комплекс для геокриолого-геофизического анализа, включающий электроразведку (методы зондирований становлением поля для изучения многолетнемерзлых пород (ММП) на шельфе, малоглубинных частотных зондирований для изучения ММП в транзитной зоне суша-шельф); инверсию геофизических данных в режиме фиксированных модельных удельных электрических сопротивлений по лабораторным испытаниям грунтов; буровые работы; моделирование тепловых полей; лабораторные испытания грунтов и термометрию c учетом “выстойки” скважин. Обоснование к применению комплекса для геокриолого-геофизического анализа при изучении многолетнемерзлых и газогидратных толщ на арктическом шельфе приводится в работе [3].

РЕЗУЛЬТАТЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНОГО АНАЛИЗА ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ДАННЫХ

Геофизические исследования методом зондирования становлением поля в ближней зоне (ЗСБ), выполненные как с акватории, так и с припайного льда в западной и восточной частях арктического шельфа России, зафиксировали существование горизонта высокого сопротивления (высокоомный слой), подтвержденного буровыми работами и термометрическими наблюдениями. Кровля этого слоя связана на шельфе Карского моря (приямальский участок, глубины моря 1–100 м) и моря Лаптевых (залив губы Буор-Хая, Хатангский залив, глубины моря 1–10 м) с ММП [4, 5, 10].

Детальные исследования, выполненные автором с припайного льда в заливах Байдарацкой губы, Шарапов Шар методом частотных зондирований (ЧЗ), позволили установить двухслойное строение ММП в транзитной зоне суша–шельф. Мощность современных “козырьков” ММП составляет не более 10 м, простирание до 100–200 м (рис. 2) [1]. Детальные 3D-геофизические исследования автора выявили заглубления сложной формы в кровле высокоомного слоя и сквозные нарушения в нем, к которым приурочены выходы подмерзлотных подземных вод на шельфе моря Лаптевых [9].

Рис. 2.

3D-модель состояния многолетнемерзлых толщ участка транзитной зоны суша–шельф Карского моря.

Важнейшей особенностью геоэлектрического разреза на шельфе Печорского моря является существование трех слоев с различными удельными электрическими сопротивлениями. Первый слой имеет мощность от 10 до 70 м с удельным электрическим сопротивлением (УЭС) – 0.3 Ом м. Под ним находится второй слой, имеющий мощность от 30 до 150 м и сопротивление 0.9–1.1 Ом м. Третий слой находится на глубине от 80 м и имеет мощность более 400 м, его сопротивление от 2.5 до 20 Ом м. Результаты исследований позволяют оценить сплошность наиболее высокоомного 3-го слоя в модели (рис. 3а). Для западной части Печорского профиля от полуострова Канин до острова Колгуев характерны редкоостровные проявления 3-го слоя в разрезе. Отдельные острова имеют простирание не более 1–5 км вдоль профиля, тогда как зоны отсутствия высокоомного слоя составляют 10–50 км. Далее на восток высокоомный слой прерывается на расстоянии 40–50 км в районе Поморского пролива и вновь появляется в районе полуострова Русский Заворот и продолжается с увеличением сплошности до пролива Югорский Шар. Для восточной части Печорского профиля характерно массивноостровное проявление 3-го слоя в разрезе. Отдельные острова имеют простирание от 10–50 км вдоль профиля, а зоны отсутствия высокоомного слоя составляют 1–7 км (см. рис. 3а).

Рис. 3.

2D-модель геокриологические модели арктического шельфа: а – Печорского моря, б – Карского моря, в – моря Лаптевых.

Геоэлектрический разрез шельфа Карского моря имеет принципиально похожее строение и фиксирует слой высоких сопротивлений на глубинах от 50 до 400 м на шельфе. Для шельфа Карского моря характерно прерывистое распространение высокоомного слоя. На протяжении 100–200 км участков профиля, где высокоомный слой непрерывен, встречаются участки профиля длиной 10–50 м с его отсутствием. Исследования показали, что преобладающий уровень удельных электрических сопротивлений на шельфе Карского моря для высокоомного слоя значительно ниже и составляет около 7–10 Ом м, чем на шельфе Печорского – 15–20 Ом м (см. рис. 3б). В целом, на Карском шельфе высокоомный слой имеет более низкий уровень удельных сопротивлений, более представителен, имеет большую сплошность и отсутствует полностью в западной части и частично в восточной части участка профиля, пересекающего Байдарацкую губу. Анализ меридиональной геоэлектрической модели через шельф моря Лаптевых позволил установить существование на шельфе сплошного высокоомного слоя от пролива Вилькицкого до пос. Тикси с характерными сопротивлениями 5–20 Ом м. Исключением является относительно узкий (до 10 км) участок в районе губы Буор-Хая, где высокоомный слой прерывается. В районе губы Буор-Хая мощность высокоомного слоя составляет 700–800 м. В проливе Вилькицкого мощность высокоомного слоя сокращается до 100–200 м. Подошва высокоомного слоя в районе Тикси отмечена на глубинах 700 м, далее погружается до 1000 м и в проливе Вилькицкого поднимается до 500–600 м.

Важной особенностью распределения удельных электрических сопротивлений высокоомного слоя является существование протяженных участков вдоль профиля от 5 до 100 км, где удельные электрические сопротивления уменьшаются до 5–6 Ом м. К интересным особенностям полученного разреза можно отнести:

– наличие зоны пониженных сопротивлений, простирающейся вдоль береговой линии; в период летних работ с акватории в ней зафиксированы аномально высокие концентрации метана;

– увеличение мощности высокоомного слоя в сторону шельфа. Если на береговом участке мощность высокоомного слоя составляет 700 м, то при движении на север до глубин акватории 10 м его мощность возрастает до1000 м (см. рис. 3в).

Геокриолого-геофизический анализ тепловых моделей для шельфа морей Лаптевых, Карского и Печорского и геоэлектрических моделей (см. рис. 3) позволяет сделать следующие выводы. Мощности многолетнемерзлых пород по данным тепловых расчетов не превышают 600–700 м, тогда как мощности высокоомных слоев достигают 1000 м на шельфе моря Лаптевых. Следовательно, подошва высокоомного слоя в геоэлектрических моделях не всегда связана с подошвой ММП на арктическом шельфе.

Одно из возможных объяснений продолжения высокоомного слоя вглубь – существование под ММП толщ газогидратов, известных на канадском арктическом шельфе по данным сейсморазведки по эффекту “двойного дна” в исследованиях Hunter [12] и MacAulay [13]. Для части профилей, где подошва высокоомного слоя залегает выше подошвы ММП по результатам моделирования, автор интерпретирует высокоомный слой как многолетнемерзлые породы. На участках профиля, где по результатам теплового моделирования подошва высокоомного слоя залегает ниже подошвы ММП, природа нижних горизонтов высокоомного слоя не ясна. Возможно, высокоомный слой на больших глубинах связан с наличием газовых гидратов. Близкие значения удельных электрических сопротивлений для ММП и газовых гидратов не позволяют пока технологиям электроразведки зафиксировать эту границу. По данным В.И. Мельникова [6], зона стабильности газовых гидратов начинается с 200 м для Карского моря, а по данным Е.М. Чувилина, Г.С. Типенко, И.А. Комарова [2, 7], с 500 м для моря Лаптевых.

Таким образом, в результате электромагнитных исследований на шельфе морей Российской Арктики фиксируется кровля ММП и подошва криогенногидратной толщи (многолетнемерзлых пород или газогидратов). Выделение данной толщи как единого объекта оправдано с точки зрения общих физических свойств многолетнемерзлых пород и гидратов газов. Поскольку будущие исследования шельфа будут в основном выполняться с помощью дистанционных геофизических методов, то выделение криогенногидратной толщи на арктическом шельфе приобретает особую актуальность.

Обобщая результаты исследований по методике комплексного геолого-геокриологического анализа, автор выполнил типизацию многолетнемерзлых пород арктического шельфа РФ.

В типизации учитываются 3 уровня по условиям формирования ММП:

− геолого-географические условия (глубина акватории, влияние теплого и пресного стока рек, тектонический режим);

− изменение радиационно-теплового баланса с широтой;

− изменение атмосферных условий с долготой.

Авторская типизация многолетнемерзлых пород шельфа позволила зафиксировать для различных районов шельфа 11 характерных особенностей, полученных как экспериментальными методами, так и расчетными методами: время формирования и деградации, распространение, литология, УЭС, сплошность, глубины кровли и подошвы, размеры зон деградации и зон непрерывного распространения ММП (рис. 4). На основе типизации ММП построена схема их распространения и мощности на арктическом шельфе РФ. Для этого использовались региональные геокриологические 2D-модели шельфа, построенные на основе геокриолого-геофизического анализа, детальные 3D-модели на шельфе Карского и Лаптевых морей, результаты буровых и термометрических исследований на опорных участках. Интерполяция границ твердомерзлых, пластичномерзлых, деградирующих и газогидратных толщ выполнена с учетом результатов теплового моделирования, границ и природных особенностей опорных районов, значений удельных электрических сопротивлений, полученных на арктическом шельфе.

Рис. 4.

Типизация многолетнемерзлых толщ арктического шельфа РФ.

При построении схемы учитывалось, что твердомерзлые породы характеризуются значениями УЭС 15 Ом м и более, а пластичномерзлые и деградирующие – 2.5–15 Ом м, в зависимости от района исследований, солености отложений и их литологического состава. Верификация УЭС для деградирующих многолетнемерзлых пород выполнена по экспериментальным измерениям метана в воздухе, акватории и породах арктического шельфа автора и коллег [11]. Новые результаты, полученные при геокриолого-геофизическом анализе на арктическом шельфе, позволили уточнить и дополнить представления о состоянии многолетнемерзлых толщ известные ранее по результатам математического моделирования [8]. Новые результаты исследований свидетельствуют о более широком распространении твердомерзлых пород, меньшем распространении пластичномерзлых пород и существовании в настоящее время обширных зон деградации (до 100 км в поперечнике) ММП на шельфе морей восточной Арктики. Аналогичные зоны деградации ММП обнаружены и на шельфе морей западной Арктики (рис. 5).

Рис. 5.

Схема распространения криогенногидратных толщ на шельфе морей Российской Арктики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате исследований установлены следующие закономерности формирования и распространения многолетнемерзлых пород на арктическом шельфе.

1. На арктическом шельфе зафиксировано существование горизонта высокого сопротивления (высокоомный слой), подтвержденного буровыми работами и термометрическими наблюдениями, кровля которого связана на шельфе Карского моря (приямальский участок, глубины моря 1–100 м) и моря Лаптевых (залив губы Буор-Хая, Хатангский залив, глубины моря 1–10 м) с многолетнемерзлыми породами.

2. Многолетнемерзлые породы в транзитной зоне суша–шельф имеют двухслойное строение. Мощность современных “козырьков” многолетнемерзлых пород составляет не более 10 м и простирание до 100–200 м.

3. Для западной части Печорского моря характерно редкоостровное распространение многолетнемерзлых пород. Отдельные острова многолетнемерзлых пород имеют размеры более 1–5 км по горизонтали и 150–300 м по вертикали. Для восточной части Печорского профиля характерно массивноостровное распространение многолетнемерзлых пород. Отдельные острова многолетнемерзлых пород имеют размеры 10–50 км и 200–300 м по вертикали. Кровля многолетнемерзлых пород на шельфе Печорского моря располагается в пределах 1–150 м, подошва – в пределах 300–400 м. Для шельфа Карского моря характерно прерывистое распространение многолетнемерзлых пород с зонами сквозной деградации многолетнемерзлых пород, достигающих горизонтальных размеров от 10 до 50 км. Кровля многолетнемерзлых пород на шельфе Карского моря располагается в пределах 1–150 м, подошва – 300–400 м. Для шельфа моря Лаптевых характерно прерывистое распространение многолетнемерзлых пород с зонами деградации многолетнемерзлых пород, достигающих горизонтальных размеров до 100 км. Кровля многолетнемерзлых пород на шельфе моря Лаптевых располагается в пределах 1–100 м, подошва – в пределах 400–600 м.

4. С помощью математического моделирования с учетом данных экспериментального исследования теплофизических свойств отложений подтверждено предположение о формировании многолетнемерзлых пород арктического шельфа в верхнем плейстоцене при его осушении и возможной значительной мощности криолитозоны, испытывающей в настоящее время преимущественно тепловую и химическую (концентрационную) деградацию, как кровли, так и подошвы.

5. По результатам геофизических работ и тепловых расчетов обосновано вероятное присутствие гидратных толщ газов значительной мощности до глубин 1000 м на шельфе морей восточного сектора Российской Арктики.

6. Проведена типизация неоднородности многолетнемерзлых пород, учитывающая строение, свойства и масштабный уровень исследуемых объектов.

7. Построена авторская схема криогенногидратных (многолетнемерзлых и газогидратных) толщ на шельфе морей Российской Арктики, отличающаяся распространением, состоянием, строением криолитозоны с изменением глубин залегания кровли, подошвы многолетнемерзлых и газогидратных толщ, а также обозначением зон современной деградации многолетнемерзлых толщ от известных ранее геокриологических карт.