Геохимия, 2022, T. 67, № 10, стр. 961-977

ВВЕДЕНИЕ

Органическое вещество (ОВ) и углеводородные газы (УВГ) донных отложений морей и океанов являются важнейшими компонентами осадочной оболочки Земли. Знание закономерностей их распределения и накопления важно не только в теоретическом плане, для понимания процессов седиментогенеза и диагенеза, но и имеет непосредственное отношение к палеогеографическим и палеогеохимическим исследованиям, а также – к оценке минеральных ресурсов, прежде всего нефти и газа.

Оценка перспектив нефтегазоносности новых территорий базируется в настоящее время на осадочно-миграционной теории образования УВГ, в основе которой лежит ОВ, рассматриваемое в рамках этой теории в качестве материнского – для газа и нефти. Согласно существующим представлениям о наличии фильтрационно-диффузионного массопереноса УВГ из залежей в перекрывающие их отложения, газогеохимические показатели донных осадков являются прямыми признаками нефтегазоносности недр (Старобинец и др., 1993; Яшин, Ким, 2007; Abrams, 2017).

Первые сведения об органической насыщенности и составе УВГ донных осадков Восточно-Сибирского моря (ВСМ) получены сотрудниками НИИГА при проведении геохимических исследований на попутных судах ММФ СССР в период 1975–1981 гг.¹¹.

Наиболее полные сведения по геохимии донных отложений шельфа ВСМ и Северного Ледовитого океана (СЛО) в последующие годы приведены в работах (Романкевич и др., 1982; Галимов, Кодина, 1982; Данюшевская и др., 1990; Кошелева, Яшин, 1999; Романкевич, Ветров, 2001; Геология…, 2003; Ветров и др., 2008; Yamamoto et al., 2008; Yamamoto, Polyak, 2009; Stein et al., 2009; Гусев и др., 2012, 2013; Шакиров и др., 2013; Астахов и др., 2013; O’Regan et al., 2017; Петрова и др., 2018; Astakhov et al., 2019; Севастьянов и др., 2019, 2020).

Целью исследований являлось изучение особенностей распределения ОВ, химического и газового состава плейстоценовых отложений центральной части внешнего шельфа ВСМ, континентального склона и котловины Подводников СЛО. Прикладная задача заключалась в газогеохимической оценке перспектив нефтегазоносности района исследований. Актуальность работы обусловлена не только слабой изученностью района, но и приоритетом научных исследований в Арктической зоне Российской Федерации.

МЕТОДЫ И МАТЕРИАЛЫ

Объектом исследований являлись керны донных осадков длиной 45–500 см, отобранные гидростатическими трубками в ходе проведения российско-китайских экспедиций на НИС “Академик М.А. Лаврентьев” в 2016 году (рейс LV-77, станции 23-31) и 2020 году (рейс LV-90, станции 4, 5). Всего в районе исследований выполнено 12 станций, на глубинах моря 57–2567 м. Исходя из целевых задач работы, для опробования плейстоценовых осадков использовался средний и нижний горизонт кернов (табл. 1).

Изучение водно-физических свойств и гранулометрического состава осадков осуществлялось в лаборатории геохимии осадочных процессов ТОИ ДВО РАН. Определение плотности и влажности выполнено методом режущего кольца и термостатно-весовым методом, гранулометрического состава – методом лазерной дифрактометрии с использованием лазерного анализатора размера частиц Analyzette 22 NanoTec (Fritsch).

Определение химического элементного состава и ОВ, отобранных донных осадков, осуществлялось в аккредитованном Аналитическом центре (лаборатория аналитической химии) ДВГИ ДВО РАН. Общий органический и неорганический углерод определялся методом ИК-детектирования на анализаторе ТОС-V (Shimadzu, Япония). Основные химические элементы (Si, Ti, Al, Fe, Mn, Mg, Ca, Na, K, P) определялись методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (IСP-AES) на спектрометре iCAP 7600Duo (Thermo Scientific Corporation, США). Микроэлементы (Li, Be, V, Сr, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se, Rb, Sr, Zr, Nb, Mo, Cd, Sn, Sb, Te, Cs, Ba, Hf, Ta, W, Tl, Pb, Vi, Th, U) и РЗЭ (Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) определялись методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (IСP-MS) на спектрометре Agilent 7700 (Agilent Technology, США). Для оценки достоверности результатов анализов использовался стандартный образец Геологической службы США MAG-1.

Изучение состава газов и газонасыщенности донных отложений осуществлялось методом поинтервального отбора проб осадка керна в герметические сосуды с последующей их дегазацией. В процессе опробования отобрано 18 герметических сосудов и проанализировано 54 пробы газа трех стадий дегазации (свд – свободное газовыделение, тд и твд – термо и термовакуумная дегазация). Методика опробования, дегазации, расчета состава газа и газонасыщенности изученных отложений соответствовала действующему нормативному руководству (Руководство…, 1985). Хроматографический анализ газа проводился в аттестованной Росстандартом лаборатории газогеохимии ТОИ ДВО РАН на хроматографах “Хроматэк-Газохром 2000” (ЗАО СКБ Хроматэк, Россия) и “КристалЛюкс-4000М” (ООО “НПФ “Мета-хром”, Россия) по оптимизированным для выполненных исследований методикам в соответствии с (ГОСТ 31371.3-2008).

Установленные значения показателей молекулярной массы УВ-фракции (М_УВ) и коэффициента “влажности” К_вл использовались в работе как индикаторы генетических особенностей УВГ различных газоматеринских источников. Показатель М_УВ (г/моль) представляет из себя суммарную величину, средневзвешенных масс индивидуальных компонентов углеводородной фракции С₁–С₅ (Велев, 1981; Гресов, 2011). Значения коэффициента “влажности” рассчитывались по формуле (Abrams, 2005):

Для определения генезиса газов в работе использованы данные масс-спектрометрии изотопных отношений (IRMS) δ¹³С-СН₄, δ¹³С-С₂Н₆ и δ¹³С-CO₂ (Гресов и др., 2016, 2020а), установленные в лабораториях ДВГИ ДВО РАН, ВСЕГИИ и Университета Хоккайдо на масс-спектрометрах Finnigan MAT-253, Deltaplus XL (с приставкой GC Combustion III), выполненные по аттестованным и оптимизированным для исследований методикам (Velivetskaya et al., 2015).

Статистическая обработка результатов выполнена с использованием программного пакета “STATISTICA” 10.0. Оцифровка и интерпретация результатов исследований производилась в программном комплексе ESRI®ArcGIS с помощью модуля Geostatical Analyst по методу обратных взвешенных расстояний (IDW).

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

В геоструктурном отношении район исследований (рис. 1) представлен Северной структурной террасой, поднятиями Лонга и Кучерова, Ломоносово-Менделеевской флексуро-разломной зоной и прогибом Вилькицкого, в пределах которого сформировался Предвосточносибирский осадочный бассейн (котловины Подводников СЛО).

Рис. 1.

Структурно-тектоническая карта (Государственная…, 2015, 2016) и схема геохимического опробования района исследований: 1 – Предвосточносибирский осадочный бассейн (Хаин и др., 2009). 2 – геоструктуры: 1 – прогиб Вилькицкого, 2 – поднятие Кучерова, 3 – Ломоносово-Менделеевская флексуро-разломная зона, 4 – поднятие Лонга, 5 – Северная структурная терраса. 3 – тектонические нарушения: а – установленные, б – предполагаемые. 4 – изолинии мощности осадочного чехла, км. 5 – изобаты, м (-200 м – верхняя граница континентального склона). Донные станции и их номера: 6 – газового и геохимического опробования LV-77, LV-90. 7 а – датировки возраста осадков, станции 20GC, 23GC, 24GC проект SWERUS-C3 “IB Oden” (O’Regan et al., 2017), АФ-07-29 (Гусев и др., 2013); б – литолого-химического и биохимического опробования АФ-07-29, 08-06, 08-07, 08-08 (Петрова и др., 2018). I–I и II–II – газогеохимические профили.

Исследуемый район ВСМ и СЛО почти круглогодично покрыт ледовым покровом, и лишь в летне-осенний период эпизодически освобождается ото льда, что определяет труднодоступность проведения научно-исследовательских работ.

Суммарное направление движения вод района предопределяется взаимодействием постоянных и дрейфовых течений, создающих сложную схему их движения. Среди последних главенствуют тихоокеанские течения, поступающие с юго-востока со стороны Берингова пролива, и лишь на северо-западе проникают атлантические воды со стороны Новосибирских островов (Кошелева, Яшин, 1999).

Течения западной части района исследований, встречаясь с потоком распресненных вод Индигирки (рис. 2), создают общее выносное движение к северу, неся значительную массу взвешенного вещества (Романкевич, Ветров, 2001; Севастьянов и др., 2019). Развитие течений Арктического бассейна ограничено материковым склоном, прижимаясь к которому, оно увлекает воды на север и северо-запад – в сторону Гренландского моря, становясь элементом системы трансарктических течений. Течения в котловине Подводников образуют круговое движение вод, вероятно, с застойной зоной в ее центре (Атлас Арктики, 1985; Государственная…, 2015).

Рис. 2.

Схематическая карта течений (Атлас Арктики, 1985) и распределения содержаний С_карб (а) и С_орг (б) в осадках района исследований (в %); изобата –200 м – бровка шельфа.

Внешний шельф района исследований представлен субгоризонтальной и сменяющей ее наклонной равниной, осложненной островными поднятиями Жаннетты и Генриетты. Однообразие равнины нарушается выступом Де-Лонга и сетью подводных долин, преимущественно параллельных между собой (Гусев и др., 2012). Окраинно-шельфовая зона ВСМ представлена территорией внешнего шельфа и бровки шельфа, ограниченной изобатами –100 и –200 м. Начиная с глубин 300 м, уклоны возрастают. Максимальные уклоны начинаются с отметок 500–700 м, достигая значений 0.07°. В котловине Подводников глубины моря превышают 2500 м. Верхняя терраса и подножье котловины трассируется на глубинах 1200–2000 и 2100–2400 м (Казанин и др., 2017).

По данным (O’Regan et al., 2017) установлено, что в пределах внешнего шельфа (поднятие Лонга, рис. 1) возраст донных осадков станции 20GC (глубина моря 115 м, длина керна 83 см) в интервале 56–58 см составляет 12.04 тыс. радиоуглеродных лет; 72–81 см – 12.52–13.21. Аналогично для осадков станций 23GC и 24GС континентального склона (глубина 508 и 964 м, длина керна 406 и 405 см) на глубине 177 и 192 см от донной поверхности – 37.0 и 46.3 тыс. лет (cal years BP). Исходя из материалов (Гусев и др., 2013), верхние 47 см керна осадков станции AФ-07-29 (рис. 1), расположенной на бровке шельфа, представлены голоценовым мягкопластичным алевропелитом, нижний интервал керна 47–191 см – серым тугопластичным твердым полусухим пелитом. Радиоуглеродный (AMS ¹⁴C) анализ по раковине моллюска Portlandia arctica (Gray) в интервале 130 см показал запредельную датировку осадков – >44 тыс. лет. В этой же работе для датирования возраста осадков также применялся метод избыточного ²³⁰Th. Установленный возраст осадков интервала 47–52 см станции AФ-07-29 по данным этого метода составил 181 тыс. лет.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Литолого-геохимические исследования

Основная часть позднеплейстоценовых донных отложений внешнего шельфа (станции 23, 31, 32, 4, 5, рис. 1) представлена восстановленными серыми, темно-серыми или черными алевропелитовыми осадками. Здесь же в осадках отмечен запах сероводорода и уплотненные комки черного цвета с аморфными сульфидами железа (гидротроилита). Окисленные светло коричневые, коричневые, бурые и зеленоватые пелитовые отложения, характерные для всей глубоководной части СЛО, появляются лишь на бровке шельфа (станция 30), континентальном склоне и котловине Подводников. В кернах станций 26, 28, 29 установлены до девяти пачек разноокрашенных разновидностей и до шести явно видимых перерывов осадконакопления с признаками переотложения осадков в верхней части разреза. Исходя из данных глубины опробования осадков (табл. 1) и результатов датировки (Гусев и др., 2013; O’Regan et al., 2017), все изученные отложения донных станций характеризуются позднеплейстоценовым возрастом формирования. Исключение составляют осадки станции 30, возраст которых, предположительно, относится к раннеголоцено-позднеплейстоценовому времени.

Плейстоценовые отложения внешнего шельфа и континентального склона в интервале опробования 0.8–3.1 м относятся к алевритопелитовому типу осадков cо средним содержанием алевритовой фракции 51 и 56% соответственно. Уменьшение среднего содержания алевритовой фракции от 42 до 46% установлено в осадках котловины Подводников и бровки шельфа в интервале опробования 0.4–3.2 м, где наблюдается доминирование пелитовой фракции (табл. 2). Среднее содержание псаммитовой фракции в осадках составляет на внешнем шельфе 2.5%, бровке шельфа – 0.6, континентальном склоне и котловины Подводников – 0.4% (табл. 2). Каменный материал в изученных плейстоценовых отложениях представлен незначительным количеством гравия и гальки: в пределах 0.1–1.0% и повторяет в районе исследований характер распределения повышенных содержаний псамитовой фракции.

Таблица 2.

Результаты определения средних значений гранулометрического состава, водно-физических свойств и содержания биогенных компонентов в плейстоценовых осадках района исследований

Показатели	Окраинно-шельфовая зона		Континентальный склон	Верхняя терраса, котловина
	внешний шельф	бровка шельфа
№/№ станций	4, 31, 32	5, 23, 30*	24, 25, 29	26, 27, 28
Глубина моря, м	57–100	104–140	248–370	1365–2565
Интервалы опробования, см	60–310	40–110	100–320	380–475
Гранулометрический состав и водно-физические свойства осадков
Пелит, %	46.7	53.0	43.2	57.8
Алеврит, %	50.8	46.4	56.4	41.8
Псаммит, %	2.5	0.6	0.4	0.4
Естественная влажность, %	26.2	27.5	29.0	37.3
Естественная плотность, г/см3	1.79	1.77	1.82	1.60
Плотность сухого осадка, г/см3	1.30	1.30	1.29	1.01
Медианный диаметр, мкм	4.65	3.88	5.29	3.33
Содержание биогенных компонентов, %
Скарб	0.07	0.07	0.05	0.03
Сорг	0.72	0.75	0.25	0.20
Собщ	0.79	0.82	0.30	0.23

* Данные станции 30 отнесены к условно представительным.

Установлено, что содержание псамитовой фракции плейстоценовых отложений коррелируется прямой связью с показателями С_карб (0.50) и естественной плотности осадков (0.63), содержаниями Ca (0.55), Ba (0.62), Si и Sr (0.69); обратной (–0.5…–0.6) – Y, P, Sc и пелитовой фракции, (–0.6…–0.7) – Mn, Zn, Al, Fe, Mg, Ti и влажности осадков.

Содержание алевритовой фракции связано прямой корреляционной связью (0.5–0.6) с содержанием в осадках Ce, Al, Cu и С_карб, обратной (–0.5…–0.6) – Na и глубиной моря, (–0.71) – показателями титанового модуля и (–0.96) – пелитовой фракции.

Содержание пелитовой фракции характеризуются прямой корреляционной связью (0.5–0.6) с глубинами моря и опробования, Na, Fe, Zn и значениями алюмосиликатного (0.6) и титанового (0.77) модулей; обратной – с содержаниями Si (–0.71).

В процессе исследований установлено, что средние значения естественной влажности осадков (W_о) закономерно возрастают от 26 до 37% в направлении “шельф–пелагиаль” и характеризуются высокой прямой корреляционной связью с глубиной моря (0.60); и обратной связью – с глубиной опробования (–0.51), содержанием С_карб (–0.60), псаммитовой фракции (–0.7) и значениями естественной (–0.73) плотности осадков. При этом показатели влажности характеризуется прямой корреляционной связью (0.5–0.6) с концентрациями в осадках Ag, Be, Ga, Ge, Rb, Nb, Cu, Sb; (0.6–0.7) – Li, Co, As, Sn, W, K, Cr, Y, U; (0.7–0.8) – P, Cs, Mo, Mg; (0.8–0.9) – V, Sc, Ni, Zn, Ti; Fe; (>0.9) – Al и алюмосиликатного модуля. Обратная корреляционная связь (–0.55) наблюдается между показателями влажности и концентрациями Ba, (–0.7…–0.8) – Sr, Ca и (–0.87) – Si.

Максимальными показателями естественной и сухой плотности донных отложений характеризуются осадки континентального склона, внешнего шельфа и его бровки, минимальными – котловины Подводников (табл. 2). Плотность осадков связана прямой корреляционной связью с содержанием псамитовой фракции, концентрациями Ca и Sr (0.52), Si (0.71) и обратной (–0.5…–0.6) – P, Cd, Ga, Rb, As, Ag, Ta, K, Cu, U и глубиной моря, (–0.6…–0.7) – Nb, Li, Be, Ge, Sn, Cs, Mg, Cr, W, Fe, Ti, (–0.7…–0.8) – V, Co, Mo, Ni, Al, а также показателями алюмосиликатного модуля и влажности.

Минимальные показатели медианных диаметров установлены в осадках котловины Подводников и бровки шельфа, максимальные – внешнего шельфа и континентального склона. Установлено, что изменчивость значений этого показателя определяется в основном вариациями гранулометрического состава (табл. 2).

Установлено, что плейстоценовые отложения окраинно-шельфовой зоны района исследований представлены бескарбонатными и слабокарбонатными осадками с содержанием С_карб – 0.03–0.16% (в среднем 0.07%), континентального склона – 0.02–0.09 (0.05) и котловины Подводников – 0.02–0.08% (0.03%). В целом, в распределении С_карб отчетливо выделяются зоны относительно повышенных содержаний в алевропелитах поднятия Лонга – 0.08–0.10% вдоль бровки внешнего шельфа (изобаты –200 м), 0.04–0.06 – Северной террасы и минимальных – 0.02–0.04% – в пелитах котловины Подводников. Линейно-площадной характер трансформации С_карб вдоль бровки шельфа обусловлен морфологическими и гидродинамическими особенностями района исследований в области соединения и смешивания тихоокеанских и атлантических вод (рис. 2а).

Установлено, что содержание С_карб плейстоценовых отложений характеризуется прямой корреляционной связью (0.5–0.6) с содержаниями псамитовой и алевритовой фракций, концентрациями Si, Sr, Ca; обратной – (–0.6…–0.7) – Al, Zn, Fe, содержанием пелитовой фракции, влажности осадков; (–0.7…–0.8) – с показателями алюмосиликатного и титанового модулей.

Максимальными содержаниями С_орг 0.6–0.9% характеризуются осадки внешнего шельфа с максимумом содержаний в северной части поднятия Лонга, минимальными – 0.2% и менее – котловины Подводников. Промежуточное положение занимают отложения континентального склона Северной структурной террасы – 0.4–0.6% (рис. 2б). Установлено, что содержание С_орг в осадках характеризуется прямой корреляционной связью с концентрациями Ва (R² = 0.7), Ca и Sr (0.51–0.54), обратной – с содержаниями Р, As (–0.83…–0.89), Ti, Fe (–0.61…–0.65), Sc, W, Mg, Li (–0.5…–0.54), глубинами моря и опробования (–0.63…–0.69).

В результате анализа распределения химического состава плейстоценовых осадков выделены четыре основные группы геохимических ассоциаций (табл. 3). Химические элементы первой группы (Sr, Ba и Si) характеризуются максимальными содержаниями в осадках внешнего шельфа, минимальными – котловины Подводников.

Таблица 3.  

Средние геохимические показатели плейстоценовых отложений района исследований

Показатели	Окраинно-шельфовая зона		Континентальный склон	Верхняя терраса, котловина
	внешний шельф	бровка шельфа
№/№ станций	4, 31, 32	5, 23, 30*	24, 25, 29	26, 27, 28
Глубина моря, м	57–100	104–140	248–370	1365–2565
Интервалы опробования, см	60–310	40–110	100–320	380–475
Средние концентрации химических элементов (мг/кг) и значений геохимических модулей
1. Sr, Ba, Si	199, 632, 302 400*	198, 626, 294 406	174, 579, 285 706	172, 556, 279 739**
2.1. Cd, Pb, Hg, Са 2.2. W, U	0.17, 23.1, 26, 6013 1.36, 2.22	0.22, 24.2, 30, 7862 1.72, 2.50	0.20, 23.0, 28, 4924 1.50 2.48	0.15, 21.6, 15, 4798 1.55, 2.25
3.1. Y, Cu, Zn, Ti 3.2. Ag, Tl, Ta, Ве, Nb, Zr. Lu, Tm, Tb, Ho, Eu, Yb, Er, Dy К	20.1, 23.3, 98, 3378 0.25, 0.61, 0.72, 2.42, 9.5, 114. 0.34, 0.34, 0.76, 0.83, 1.23, 2.3, 2.4, 4.1 25 608	21.0, 24.6, 105, 3547 0.23, 0.56, 0.69, 2.28, 9.3, 97. 0.32, 0.33, 0.70, 0.77, 1.19, 2.2, 2.3, 3.9 24 177	25.0, 30.9, 114, 4392 0.27,0.70, 0.83, 2.50, 11.8, 128. 0.39, 0.42, 0.83,0.89, 1.43, 2.6, 2.64, 4.5 27 222	23.3, 23.5, 113, 4218 0.26, 0.64, 0.80, 2.46, 11.4, 120. 0.36, 0.38, 0.84, 0.88, 1.42, 2.5, 2.52, 4.3 27 180
4.1. Мо, Cs, Со, Ni, Cr, Р, Mn, Mg, Fe 4.2. Sb, Hf, Sn, As, Th, Ga Sc, Li Gd, Sm, Pr, Nd, La, Ce Rb, V, Al	1.38, 6.9, 13.6, 31.2, 63, 700, 388, 10018, 38245 0.91, 2.2, 2.9, 14.5, 10.1, 19.5 12.8, 56.2 5.0, 5.8, 7.5 27.2, 31.4, 65 124, 129, 81938	2.18, 7.1, 13.8, 33.2, 69, 723, 542, 11617, 39878 0.74, 2.0, 2.7, 14.2, 9.6, 18,2 12.6, 48.8 4.8, 5.4, 7.0 27.0, 29.8, 60 111, 125, 80501	2.25, 7.3, 15.7, 37.3, 82, 810, 817, 12349, 47613 0.84, 2.4, 3.1, 18.3, 12.4, 21.1 15.3, 58.1 5.8, 6.6, 8.7 33.0, 29.9, 70 134, 148, 86393	2.85, 7.5, 17.0, 38.9, 85, 867, 1376, 12 747, 50 567 0.92, 2.43, 3.2, 22.5, 12.4, 21.2 15.5, 59.6 5.9, 6.7, 8.8 33.2, 36.1, 75 137, 169, 87 068
∑ РЗЭ	158	146	174	179
Al/Si	0.272	0.296	0.303	0.313
Mn/Fe, Mn + Fe/Ti	0.010, 11.0	0.015, 11.1	0.018, 11.3	0.029, 12.3
Средние значения концентраций газов (см3/кг) и газогеохимических показателей
СН4, cм3/кг	0.029	0.015	0.016	0.022
∑С2–С5, cм3/кг	0.0018	0.0016	0.0027	0.0026
МУВ, г/моль	19.2	20.2	23.3	22,1
Квл, ‰	26.7	32.5	50.2	48.4
δ13С-СН4, ‰	–42.4	–45.4	–40.4	–39.9
δ13С-С2Н6, ‰	–20.8	–21.5	–18.7	–18.3
СО2, cм3/кг	1.77	4.97	1.39	1.97
δ13С-СО2, ‰	–20.1	–21.4	–19.2	–19.8

Примечания. 305 236* – максимальные значения, 279 739** – минимальные.

Максимальные концентрации второй группы химических элементов наблюдаются в пределах бровки внешнего шельфа. В зависимости от распределения минимальных содержаний элементов группа подразделяется на две подгруппы. К первой подгруппе относятся Cd, Pb, Hg и Са, минимумы концентраций, которых установлены в осадках верхней террасы и котловины Подводников, второй – U и W – внешнего шельфа. Распределение концентраций Pb в плейстоценовых отложениях района исследований приведено на рис. 3г.

Рис. 3.

Распределение концентраций Cu (а), Zn (б), Ве (в) и Pb (г) в плейстоценовых осадках района исследований.

Максимум содержаний элементов третьей группы ассоциируется с осадками континентального склона и разделяется на две подгруппы. К первой подгруппе отнесены Y, Cu, Zn и Ti с минимальными содержаниями в пределах внешнего шельфа, второй – Ag, Tl, Ta, Ве, Nb, Zr и K, а также редкоземельных элементов (РЗЭ) – Lu, Tm, Tb, Ho, Eu, Yb, Er, Dy – бровки шельфа (табл. 3). Распределение концентраций Cu, Zn и Ве в осадках района исследований приведено на рис. 3а–3в.

Химические элементы четвертой группы характеризуются максимальными содержаниями в осадках верхней террасы и котловины Подводников, минимальными – в пределах окраинно-шельфовой зоны ВСМ. В зависимости от распределения минимумов концентраций элементов группа также подразделяется на две подгруппы (4.1 и 4.2). Первая подгруппа – Fe, Mg, Mn, Р, Cr, Мо, Ni, Cs, Со характеризуется минимальными концентрациями в осадках внешнего шельфа (рис. 4), вторая – Al, Sb, Hf, As, Th, Ga Sc, Sn, Li, Rb, V и редкоземельных элементов – Gd, Sm, Pr, Nd, La, Ce – его бровки (рис. 5).

Рис. 4.

Распределение концентраций Mn (а), Fe (б), Cr (в) и Ni (г) в плейстоценовых осадках района исследований.

Рис. 5.

Распределение концентраций As (а), Li (б), V (в) и РЗЭ (г) в плейстоценовых осадках района исследований.

Аналогичное распределение характерно для суммарных концентраций РЗЭ и средних значений титанового (от 11.0 до 12.3), алюмосиликатного (от 0.272 до 0.313) и железомарганцевого (от 0.010 до 0.029) модулей (табл. 3).

Нефтегазоносность

Как указывалось ранее, показатели молекулярной массы УВ-фракции и коэффициента “влажности” являются индикаторами генетических особенностей УВГ различных газоматеринских источников. Исходя из установленных значений М_УВ, К_вл (рис. 6) и данных работ (Гресов, 2011, 2012; Гресов, Яцук, 2020б, 2020в), в плейстоценовых отложениях района исследований выделяются УВГ нескольких газоматеринских источников.

Рис. 6.

Распределение показателей М_УВ и К_вл УВГ плейстоценовых отложений донных станций газогеохимических профилей I–I, II–II (рис. 1): 1 – установленный интервал значений М_УВ и К_вл УВГ прогнозных газонефтяных залежей, 2 – нефтяных.

Для предполагаемых конденсатногазовых залежей – М_УВ – 17.2 г/моль и К_вл – 10.5% (станция 4) и твердых битумов поднятия Лонга – 17.6–17.9 и 15.2–16.4 (станция 5, 23), предполагаемых нефтегазовых залежей Северной структурной террасы, поднятия Лонга и подножья котловины Подводников – 19.4–20.2 и 28.6–35.6 (станции 24, 27, 31), газонефтяных – поднятия Лонга – 21.5–22.8 и 44.1–49.8 (станции 30, 32) и нефтяных – Предвосточносибирского осадочного бассейна и Ломоносово-Менделеевской флексуро-разломной зоны – 23.1–27.5 г/моль и 52.4–69.7% (станции 25, 26, 28, 29, см. рис. 1). Распределение значений показателей М_УВ и К_вл УВГ плейстоценовых отложений района исследований по газогеохимическим профилям I–I и II–II приведено на рис. 6.

Таким образом, основные перспективы нефтегазоносности связаны с осадочными отложениями северной части Северной структурной террасы, Ломоносо-Менделеевской флексуро-разломной зоны и Предвосточносибирского бассейна.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Повышенное содержание пелитовой составляющей в изученных осадках обусловлено подледно-морскими условиями седиментации, морфологией дна и особенностями гидродинамического режима (Павлидис, Щербаков, 2000), вследствие этого, основным процессом седиментации и накопления осадков является гравитационное осаждение глинистых частиц. Важно отметить, что при существующем объеме геологических данных не удается уверенно выявить соотношение денудационных и аккумулятивных составляющих гравитационных процессов на внешнем шельфе и континентальном склоне. В ходе их развития это соотношение менялось в зависимости от исторического положения береговой линии. На побережье ВСМ фиксируются четыре морских трансгрессии (миоценовая, позднеплиоценовая, средне–позднеплейстоценовая и голоценовая) и разделяющие их регрессии. В регрессивные этапы, когда береговая линия располагалась ближе к бровке шельфа, возрастал объем осадочного материала, вовлеченного в мутьевые потоки, увеличивалась и их эродирующая способность. При этом, в течение кайнозойского периода произошли основные климатические изменения от теплого и влажного климата в палеоцене–эоцене к умеренному в олигоцене–миоцене и суровому арктическому в четвертичном периоде, что безусловно повлияло на процессы седиментогенеза и распределение С_орг и С_карб в плейстоценовых отложениях (Дегтяренко и др., 1982; Павлидис, Щербаков, 2000; Геология…, 2003; Государственная…, 2015).

Основными источниками ОВ в ВСМ по данным (Ветров и др., 2008) являются первичная фотосинтетическая продукция – 15 млн т С_орг/год, продукты волновой абразии и термоабразии берегов – 2.2, речной сток – 1.9, эоловые поступления – 0.16 и подземный сток – 0.1 млн т С_орг/год. В работе (Sakshaug, 2004) вклад первичной продукции оценивается в два раза выше (30 млн т С_орг/год). В любом случае, автохтонное поступление ОВ значительно превышает объемы его привноса с материкового и островного обрамления ВСМ. Важно отметить, что в донных осадках соотношение аллохтонного и автохтонного ОВ существенно отличается от соотношения, поступающего в море ОВ вследствие различной устойчивости к разложению свежего морского ОВ и терригенного ОВ, потерявшего часть лабильных соединений, представленного более устойчивыми его компонентами (Ветров и др., 2008).

Наряду с вышеуказанными данными о значительном вкладе первичной продукции ОВ, содержания С_орг и С_карб в изученных осадках указывают на незначительную органическую насыщенность и низкую степень биогенного карбонатонакопления в плейстоценовых донных отложениях района исследований, что подтверждается данными (Петрова и др., 2018). Аналогичная картина наблюдается и в Чукотском море, где в поверхностных осадках и морских верхнечетвертичных отложениях содержание С_карб не превышает десятых долей процента (Астахов и др., 2013). Повышенные содержания С_орг в южной части района исследований, по-видимому, обусловлены выносным потоком взвешенного вещества р. Индигирки, максимальные – морфологическими и гидродинамическими условиями его накопления в пределах выступа островного архипелага и поднятия Лонга. Различия в условиях накопления в плейстоценовых отложениях С_орг и С_карб выражаются слабой взаимной корреляционной связью (R² = 0.29). В целом, в районе исследований отчетливо наблюдается закономерное уменьшение в осадках содержаний С_орг и С_карб в направлении “шельф–пелагиаль”. Данный факт соответствует общей геохимической закономерности распределения углерода в осадках, характерной для акваторий Арктического региона (Данюшевская и др., 1990; Романкевич, Ветров, 2001; Gusev et al., 2009; Астахов и др., 2013; Петрова и др., 2018; Севастьянов и др., 2020).

В этом же направлении возрастает уровень трансформации РОВ, на что указывает снижение индексов нечетности CPI и OEP (табл. 4), а также увеличения относительного содержания литифицированных (термально зрелых) алифатических УВ (Lithis/Σn-alk) (Yamamoto, Polyak, 2009) и отношения Pr/Ph. В целом, характер распределения н-алканов в плейстоценовых осадках свидетельствуют о стабильности условий позднечетвертичного осадконакопления района исследований.

Фациальные обстановки седиментогенеза, в которых формировалось РОВ изученных отложений, могут быть охарактеризованы соотношением стеранов состава С₂₇–С₂₉ – маркеров сапропелевого и гумусового ОВ. По данным (Петрова и др., 2018), формирование РОВ осадков шельфа района исследований проходило преимущественно в прибрежных и мелководно-морских условиях (поднятие Лонга), и только РОВ осадков его бровки и верхней части континентального склона приближается к зоне открытого моря (Петрова и др., 2018). Необходимо отметить, что данные осадки содержат близкое по составу, уровню трансформации и содержанию термально зрелого РОВ гумусо-сапропелевого генезиса (С₁₇/С₂₇ = 0.6–0.8, CPI = 2.3–2.4, Litic/Σn-alk = 0.36–0.44), что может быть обусловлено терригенным стоком продуктов волновой и термоабразии берегов о-вов Генриетты и Жаннетты, и размывом отложений поднятия Лонга течениями.

Распределение концентраций химических элементов и их аномалий в плейстоценовых осадках района исследований определяется наличием геохимического источника их аккумуляции, гидродинамическими, морфологическими и батиметрическими условиями, особенностями процессов седиментогенеза и другими факторами, в т.ч. поступления в верхние части разреза гидротермальных флюидов. Источниками их поступления может являться Ломоносово-Менделеевская флексуро-разломная зона (рис. 1), крупные тектонические нарушения и их апофизы, характеризующиеся повышенными показателями теплового потока (Геология…, 2003).

В процессе настоящих исследований в ряду фаций внешний шельф–бровка шельфа –континентальный склон–котловина выделено четыре группы химических ассоциаций с максимумами концентраций отдельных макро и микроэлементов и геохимических модулей для каждого батиметрического подразделения. Первая (“кремнеземная” – по названию доминирующего химического макроэлемента) группа фаций обогащена Si, Sr и Ba, три остальные (“кальциевая”, “калий-титановая” и “алюминий-железо-магний-марганцевая”) – другими элементами (табл. 3, рис. 3–5).

Исходя из установленных значений М_УВ, К_вл, δ¹³С-СН₄, С₂Н₆ и СО₂, в изученных плейстоценовых отложениях доминируют эпигенетические УВГ, поступающие в осадки в процессе природной диффузии и миграции по зонам тектонических нарушений из подстилающих газоматеринских источников. Относительно низкие значения органической насыщенности и отрицательные температуры отложений на основной площади района исследований, вероятно, предопределяют образование незначительных объемов сингенетических УВГ в осадках (Севастьянов и др., 2019; Гресов и др., 2020а) идентифицировать которые из-за процессов их смешивания с миграционными газами достаточно сложно. Исходя из корреляционных отношений содержаний С_орг и СО₂ (R² > 0.5) предполагается, что часть его образовалась непосредственно в осадках, однако значения δ¹³С-СО₂ (табл. 3) указывают на доминирование в плейстоценовых осадках ее эпигенетической составляющей.

Незначительные объемы сингенетических УВГ могут также объясняться фактом исторического преобразования ОВ плейстоценовых осадков в период 12.1–181 тыс. лет. Эпигенетическую природу УВГ также подтверждают значения изотопного состава δ¹³С-VPDB метана и этана (табл. 3), характерные для термогенных УВГ (Whiticar, 1999), а также незакономерная изменчивость концентраций индивидуальных УВ углеводородной фракции (C₁–C₅), представленных в виде: Сn = Cn + 1, Сn > Cn + 1, Сn < Cn + 1 (Галимов, 1973). Данная специфическая особенность характерна для УВГ газонефтяных и нефтяных залежей угленефтегазоносных осадочных бассейнов Северо-Востока России (Гресов, 2011, 2012).

В плейстоценовых отложениях континентального склона и верхней террасы котловины Подводников (прогиба Вилькицкого и Ломоносово-Менделеевской флексуро-разломной зоны, Предвосточносибирского осадочного бассейна и Северной структурной террасы установлены миграционные УВГ с газогеохимическими показателями характерными для газонефтяных и нефтяных залежей Ленского, Верхнебуреинского, Анадырского, Сахалинского и др. нефтегазоносных бассейнов Востока России (Алексеев и др., 1981; Гресов, 2011, 2012). При этом, указанные геоструктуры характеризуются также наличием геологических признаков нефтегазоносности, в том числе:

– большим объемом слабодислоцированных осадочных пород и присутствием в составе осадочных толщ, обогащенных С_орг (Государственная…, 2015);

– глубиной погружения указанных геоструктур (4–10 км), достаточной для того, чтобы нефтепроизводящие толщи оказались в термобарических условиях главной зоны нефтеобразования;

– присутствием в осадочной толще природных резервуаров, состоящих из пород-коллекторов и перекрывающих их флюидоупоров, а также ловушек УВ, в которых возможно формирование залежей нефти и газа (Хаин и др., 2009; Галимов и др., 2013; Яшин, Ким, 2007; Ким и др., 2016; Казанин и др., 2017; Гресов и др., 2020а; Гресов, Яцук, 2020б, 2020в).

Важно отметить, что плейстоценовые отложения района исследований в пределах распространения предполагаемых газонефтяных и нефтяных залежей (станции 25, 26, 28, 29, 30, 32) значительно обогащены Ni, Mo, V, Co, Cu, Sc, Y, Sb, Nb, Th, Cr, Ве, Ta, Pb, W, РЗЭ (рис. 3–5), среднее содержание которых в 1.2–3 раза превышают аналогичные их значения на других донных станциях. Данный факт на наш взгляд может быть обусловлен постседиментационными изменениями, связанными с поступлением в осадки термогенных флюидов предполагаемых газонефтяных и нефтяных залежей, что подтверждается аномальной углеводородонасыщенностью отложений >0.05 см³/кг (Яшин, Ким, 2007; Гресов и др., 2017), обусловленной наличием путей миграции УВГ. Результаты работы подтверждают высокий нефтегазоносный потенциал акватории ВСМ и указывают на возможность формирования парагенетических углеводородных и геохимических ассоциаций в донных осадках Северной террасы, Ломоносово-Менделеевской флексуро-разломной зоны и Предвосточносибирского осадочного бассейна.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Плейстоценовое осадконакопление в пределах внешнего шельфа ВСМ, континентального склона и котловины Подводников связано поступлением терригенного осадочного материала, обогащенного смешанными продуктами абразии пород восточной и западной питающих провинций. Наряду с терригенным стоком, значимая роль в процессе осадконакопления, по-видимому, принадлежит процессам субаквального размыва и переотложения продуктов денудации коренных пород геологических образований о-вов Генриетты, Жаннетты и отложений поднятия Де-Лонга.

Гранулометрический состав и водно-физические свойства плейстоценовых донных осадков определяется подледно-морскими условиями седиментации, морфологией дна, глубиной моря, геохимическими особенностями терригенных источников и гидродинамическим режимом района исследований.

Плейстоценовые донные отложения представлены бескарбонатными и слабокарбонатными осадками. Линейно-площадной характер трансформации С_карб вдоль бровки шельфа обусловлен волновой и термоабразией пород побережья о-вов Де-Лонга, а также морфологическими и гидродинамическими особенностями района исследований в области соединения и смешивания тихоокеанских и атлантических вод.

Повышенные содержания С_орг в осадках южной части района исследований обусловлены выносным потоком взвешенного вещества из палеодолины р. Индигирки, максимальные – в северной – морфологическими и гидродинамическими особенностями его накопления в пределах поднятия Де-Лонга в области доминирования атлантических вод. Минимальные значения С_орг установлены в осадках котловины Подводников. Установленная закономерность уменьшения в осадках содержаний С_орг и С_карб в направлении “шельф–пелагиаль” соответствует общей геохимической закономерности распределения углерода в осадках, характерной для акваторий Арктического региона.

Молекулярный состав ОВ свидетельствует о значительном уровне трансформации РОВ осадков, стабильности условий плейстоценового осадконакопления и смешанном составе сапропелево-гумусового и гумусо-сапропелевого РОВ, сформированного в прибрежных, мелководно-морских и морских условиях.

Исследование химического состава плейстоценовых отложений позволило выделить четыре основные группы геохимических ассоциаций с максимальными концентрациями элементов в определенных батиметрических структурах, связанных прямыми и обратными связями с гранулометрическим составом, влажностью и плотностью осадков, глубинами моря и опробования и другими факторами, в т. ч. предполагаемого поступления в верхние части разреза гидротермальных флюидов.

В составе УВГ плейстоценовых отложений доминируют эпигенетические газы, поступающие в процессе природной диффузии и миграции по зонам тектонических нарушений из подстилающих газоматеринских источников. Относительно низкие значения органической насыщенности на основной площади района исследований, а также процессы исторического преобразования ОВ в период 12.5–181 тыс. лет предопределяют образование незначительных объемов сингенетических УВГ в осадках.

Формирование состава эпигенетических УВГ подчиняется правилам аддитивности, т.е. последовательного накопления эпигенетических УВГ с доминированием газовой фазы и газогеохимических показателей более газонасыщенного газоматеринского источника.

В донных отложениях Предвосточносибирского осадочного бассейна, Ломоносово-Менделеевской флексуро-разломной зоны установлены УВГ с газогеохимическими показателями газонефтяных и нефтяных залежей, характерными для аналогичных залежей Ленского, Верхнебуреинского, Анадырского, Сахалинского нефтегазоносных бассейнов.

Полученные результаты подтверждают высокую нефтегазоперспективность района исследований и представительность прямого метода газогеохимического поиска залежей нефти и газа. Район исследований нуждается в проведении дополнительных комплексных нефтегазопоисковых исследований.

Авторы выражают благодарность А.С. Астахову, Р.Б. Шакирову и Ю.П. Василенко за поддержку в проведении экспедиционных морских исследований, В.В. Калинчуку за помощь в отборе проб донных осадков, а также А.В. Алаторцеву за подготовку проб для проведения химических анализов осадков.

Газогеохимические и аналитические исследования выполнены в рамках Гостемы ТОИ ДВО РАН № 0211-2021-0006 “Газогеохимические поля Мирового океана, геодинамические процессы и потоки природных газов, влияющие на формирование геологических структур с залежами углеводородов и аутигенной минерализации” (121021500055-0).