За период с 2011 по 2014 г. в глубоководной части Северного Ледовитого океана (СЛО) были проведены три масштабных российских экспедиции, нацеленных на обоснование внешней границы континентального шельфа (рис. 1). Результаты экспедиций представлены в полевых отчетах [Курсин и др., 2012ф; Винокуров и др., 2013ф; Литвин и др., 2015ф; Фомина и др., 2016ф].

В этих экспедициях в связи со сложными ледовыми условиями сейсмические наблюдения МОВ ОГТ на большинстве профилей выполнялись с короткой приемной расстановкой 600 м. При такой методике определение скоростей традиционным перебором скоростей по общим глубинным точкам невозможно - на рассчитанных вертикальных спектрах скоростей не фокусируются максимумы когерентности из-за короткой длины годографа (недостаточной апертуры приема). Поэтому для определения скоростей продольных волн в осадочном чехле в этих экспедициях применялись сейсмические зондирования МОВ МПВ с использованием сонобуев, позволяющие получать годографы длиной до 25 км. Всего в трех экспедициях было выполнено более 150 зондирований МОВ МПВ.

Работы по аналогичной методике также проводились зарубежными организациями [Chian et al., 2015; Coakley et al., 2005, 2016; Mayer, Armstrong, 2008; Evangelatos, Mosher, 2016; Evangelatos et al., 2017; Jokat, Ickrath, 2007; Jokat, Schmidt-Aursch, 2007; Jokat, Ickrath, 2015]. Наиболее значительный объем зарубежных исследований СЛО сейсмическими методами MOB ОГТ и МПВ был выполнен на ледокольных судах Healy, Polarstern, Oden. Таким образом, применение зондирований МОВ МПВ можно считать признанной методикой для проведения сейсмических работ в сложных ледовых условиях, не позволяющих использовать длинные косы.

Обработка материалов зондирований по результатам каждой из экспедиций проводилась независимо друг от друга, силами различных организаций и по различной методике. Это позволило получить глубинные разрезы по отдельным профилям. Однако если рассмотреть результаты обработки зондирований статистически, то выясняется, что интервальные скорости по соседним и пересекающимся сейсмическим профилям, выполненным в разных экспедициях, плохо согласуются друг с другом. В каждом случае исполнители работ выбирали границы осадочных комплексов (скоростных слоев), исходя из собственных представлений о стратиграфической расчлененности осадочного разреза. В результате геологическая интерпретация статистических данных о скоростях в осадочных комплексах Арктического бассейна оказывается затруднительной. Дополнительно существует фундаментальная проблема нестыковки скоростей, полученных в результате обработки отраженных и преломленных волн. Кроме того, главным недостатком зондирований МОВ МПВ с использованием сонобуев является их односторонность (обусловлена технологией выполнения зондирований одновременно с профилированием МОВ ОГТ), то есть невозможность учета влияния наклонов поверхности фундамента и границ основных комплексов на значения интервальных скоростей. Для нивелирования этого недостатка необходимо учитывать рельеф границ, наблюдаемый на разрезах МОВ ОГТ, то есть необходимо согласовывать данные зондирований МОВ МПВ с данными МОВ ОГТ, собранными короткой (600 м) косой.

Все это привело к невозможности построить единую скоростную модель осадочного чехла, которая также согласовывалась бы с данными перебора скоростей по общим глубинным точкам на профилях, отработанных с длинной сейсмической косой. В связи с этим актуальной задачей стала разработка единого комплексного подхода к определению скоростей в глубоководной части Арктики. Он заключается в моделировании интервальных скоростей для целевых осадочных комплексов, которые распространены повсеместно в рассматриваемом регионе, соответствуют единой сейсмостратиграфической модели осадочного чехла и основаны на согласовании данных МОВ МПВ и МОВ ОГТ.

Такая согласованная скоростная модель сама по себе должна являться существенным элементом для понимания геологических процессов, происходивших в Арктическом регионе, - скорость продольных волн является важнейшей петрофизической характеристикой, она напрямую связана с литологическим составом горных пород и с их плотностью. Кроме этого, она может быть использована для пересчета в глубинный масштаб любых вновь полученных временных сейсмических разрезов в регионе. В случае получения новых данных о скоростях предусматривается возможность корректировки модели в соответствии с вновь полученными данными.

В данной работе подробно рассмотрена методика построения согласованной скоростной модели осадочного чехла и фундамента и представлены результаты ее применения на сейсмических профилях в Евразийском бассейне. Полученные данные о глубине залегания акустического фундамента вдоль сейсмических профилей стали основой для актуализации карты мощности осадочного чехла, включенной в состав частичного пересмотренного Представления России относительно ВГКШ РФ в СЛО.

Методика создания согласованных скоростных 2D-моделей осадочного чехла и фундамента

В качестве инструментария для построения скоростной модели использовались средства программного обеспечения SMT Kingdom Suite 8.5, ProMAX/SeisSpace v. R5000.8.3.0 и SeisWide 4.6.5.

В основе предлагаемой методики лежит анализ скоростей распространения продольных волн в пределах осадочных комплексов, выделенных в соответствии со сейсмостратиграфической моделью, принятой в частичном пересмотренном Представлении России относительно континентального шельфа РФ в СЛО.

На первом этапе работы на временных сейсмических разрезах МОВ ОГТ с помощью программного обеспечения SMT Kingdom Suite 8.5 интерпретировались основные несогласия, осадочные комплексы и поверхность акустического фундамента.

На втором этапе в местах постановки зондирований МОВ МПВ средствами ProMAX рассчитывались вертикальные спектры скоростей по широкоугольным отраженным волнам на записях зондирований МОВ МПВ.

Для каждого зондирования создается отдельная база геометрии. При этом значения офсетов считываются из заголовков сейсмотрасс зондирований. При бинировании кратность задается равной 1. Предварительно на записях зондирований верхним мьютингом вырезаются рефрагированные волны. При этом принципиально важно, чтобы на спектрах в процессе пикирования кривой RMS-скоростей выбирались максимумы когерентности, по времени совпадающие с границами основных комплексов осадочного чехла и поверхности фундамента. Для контроля пикировки должны быть включены опции визуализации интервальных скоростей комплексов и сейсмограмм МОВ ОГТ после ввода соответствующих кинематических поправок (контроль спрямления рефлекторов, соответствующих границам основных комплексов и поверхности фундамента).

В 2014 г. в котловине Подводников был получен уникальный сейсмический материал в пределах эталонного участка на профиле AR1401 (см. рис. 1), который позволил обосновать корректность предлагаемой методики создания скоростных моделей на основе независимых сейсмических исследований. На упомянутом участке были проведены сейсмические наблюдения МОВ ОГТ с длиной косы 4500 м в комплексе с пятью зондированиями МОВ МПВ, которые обеспечили регистрацию отраженных и преломленных волн по системе общей точки приема на расстоянии от 15 до 25 км.

Для данного участка были дополнительно рассчитаны спектры скоростей в рамках стандартного графа обработки данных МОВ ОГТ с сейсмической косой 4500 м. Сравнение данных показало очень хорошую сходимость результатов скоростного анализа, выполненного по сейсмическим данным МОВ ОГТ и по широкоугольным отраженным волнам зондирований МОВ МПВ, - расхождения составили не более 0,1 км/с (рис. 2), что лежит в пределах погрешности метода. Таким образом, была обоснована корректность методики скоростного анализа отраженных волн по материалам зондирований МОВ МПВ.

На третьем этапе с использованием полученных по отраженным волнам зондирований МОВ МПВ кривых RMS-скоростей средствами ProMAX осуществлялся пересчет временного разреза МОВ ОГТ в глубинный. На основе последнего определялась начальная глубинная скоростная 2D-модель вдоль профиля, отработанного с короткой косой.

На четвертом этапе полученная по данным МОВ ОГТ и МОВ МПВ глубинная скоростная модель экспортировалась (c помощью специальной программы, разработанной в отделе морской сейсморазведки ФГБУ «ВНИИОкеангеология») в программное обеспечение SeisWide, средствами которой осуществлялось лучевое 2D-моделирование отраженных и рефрагированных волн зондирований МОВ МПВ. Начальная скоростная модель последовательно корректировалась после решений прямых сейсмических задач и сопоставления рассчитанных годографов с рефлекторами и рефракторами на наблюденных записях зондирований. При этом обращалось внимание на то, чтобы T₀ рассчитанных годографов отраженных волн, наложенных на записи зондирований, совпадали с временами границ основных комплексов и основания осадочного чехла на разрезе МОВ ОГТ.

На пятом этапе, в случае наличия на записях зондирований рефрагированных волн, связанных со слоями кристаллической коры (V* >6,0 км/с), их скорости сопоставлялись со скоростями коровых волн на записях ГСЗ и при необходимости корректировались.

На шестом этапе была разработана технология конвертации глубинных лучевых SeisWide-моделей в SEG-Y-файлы интервальных скоростей во временной области.

Для этого сотрудниками отдела морской сейсморазведки ФГБУ «ВНИИОкеангеология» был написан конвертер, позволяющий преобразовывать текстовый формат глубинной скоростной SeisWide-модели (файлы *.in) с задаваемым дискретом по горизонтальной оси X (номерам SP) и по вертикальной оси Z в формат, читаемый текстовым редактором программного обеспечения ProMax/SeisSpace 2D-v. R5000.8.3.0. Далее с помощью модуля ProMax/SeisSpace глубинные модели интервальных скоростей пересчитывались во временную область с задаваемым дискретом по шкале двойного времени пробега TWT (алгоритм пересчета основан на формуле Дикса). Затем модель экспортировалась в виде SEG-Yфайла интервальных скоростей во временной области для загрузки в программное обеспечение IHS Kingdom 8.5.

Используя средства Kingdom, на основе созданных согласованных скоростных 2D-моделей осадочного чехла и фундамента и разработанной технологии их преобразования в SEG-Y-файлы интервальных скоростей во временной области, временные разрезы МОВ ОГТ были преобразованы в уточненные глубинные разрезы.

Результаты

По описанной выше методике в Евразийском бассейне были переобработаны следующие профили, полученные в рамках экспедиции «Арктика-2011»: А03, А04, А05, А06, А10, А24, А26, А27, А28, А29, А30, А31, А32, А34, А35; и экспедиции «Арктика-2014»: 1407, 1409, 1439а.

На рис. 3 приведен пример типовой согласованной скоростной 2D-модели осадочного чехла и фундамента в котловине Нансена.

Индексы проинтерпретированных P-волн на записях зондирований МОВ МПВ в соответствии с сейсмостратиграфической моделью Евразийского бассейна (принята в частичном пересмотренном Представлении РФ относительно ВГКШ в СЛО): P_RUP - отраженная от регионального предмиоценового несогласия; P_RU - рефрагированная в комплексе ниже регионального несогласия; P_EoUP - отраженная от эоценового несогласия; P_EoU - рефрагированная в комплексе ниже эоценового несогласия; P_pCUP - отраженная от посткампанского несогласия; P_pCU - рефрагированная в комплексе ниже посткампанского несогласия (в верхнемеловом комплексе); P_ABP - отраженная от поверхности акустического фундамента; P_AB - рефрагированная в толще акустического фундамента; P_BP - отраженная от кристаллического фундамента континентальной коры (коры переходного типа); P_B - рефрагированная в кристаллическом фундаменте континентальной коры (коры переходного типа); P_LP - отраженная от кровли III океанического слоя; P_L - рефрагированная в III океаническом слое.

Анализ моделей показывает, что интервальные скорости P-волн основных комплексов осадочного чехла в котловине Нансена характеризуются следующими согласованными (то есть полученными по отраженным и рефрагированным волнам) значениями: 1,9–2,3 км/с в миоцен-четвертичном комплексе (RU - дно); 2,7–3,3 км/с в эоцен-олигоценовом комплексе (EoU - RU); 3,5–4,2 км/с в палеоцен-эоценовом комплексе (AB - EoU). В толще акустического фундамента (AB) котловины Нансена по рефрагированным волнам зафиксирован широкий диапазон интервальных скоростей, свидетельствующий об его гетерогенности, - от 4,3 до 5,0 км/с. Интервальные скорости в кристаллическом основании котловины, определенные также по рефрагированным волнам, изменяются от 6,1–6,6 км/с в окрестности континентального склона и его подножия до 6,9–7,1 км/с при приближении к хребту Гаккеля (в III океаническом слое).

На рис. 4 приведен пример типовой согласованной скоростной 2D-модели осадочного чехла и фундамента в котловине Амундсена. Обозначение P-волн на годографе здесь аналогично обозначениям в котловине Нансена.

Анализ 2D-моделей показывает, что интервальные скорости P-волн основных комплексов осадочного чехла в котловине Амундсена характеризуются следующими согласованными (то есть полученными по отраженным и рефрагированным волнам и учитывающими рельеф границ) значениями: 1,8–2,3 км/с в миоцен-четвертичном комплексе (RU - дно); 2,4–2,7 км/с в эоцен-олигоценовом комплексе (EoU - RU); 2,8–3,5 км/с в палеоценэоценовом комплексе (pCU - EoU); 3,6–4,1 км/с в верхнемеловом комплексе (AB - pCU).

Комплекс верхнемеловых осадков выявлен не на всех моделях. Его мощность и скорости имеют тенденцию к увеличению в направлении Лаптевоморского шельфа до значений, при которых рефрагированная волна P_pCU уверенно выходит в первые вступления.

Сравнительный анализ интервальных скоростей P-волн одновозрастных (с точностью до привязки к магнитным хронам противоположных знаков) осадочных комплексов в котловинах Амундсена и Нансена показывает определенные закономерности. Если в миоцен-четвертичном комплексе скорости практически идентичны (1,8–2,3 км/с в котловине Амундсена, 1,9–2,3 км/с в котловине Нансена), то в эоцен-олигоценовом комплексе (2,4–2,7 км/с в котловине Амундсена, 2,7–3,3 км/с в котловине Нансена) и палеоценэоценовом комплексе (2,8–3,5 км/с в котловине Амундсена, 3,5–4,2 км/с в котловине Нансена) существенно отличаются.

Такие различия в значениях интервальных скоростей P-волн в домиоценовых комплексах чехла двух котловин Евразийского бассейна можно объяснить следующим образом.

Осадочное заполнение котловины Нансена шло по пути формирования проградационных призм в результате доминирующего сноса осадков с классической пассивной окраины - Баренцево-Карского шельфа - континентальной окраины Евразийской литосферной плиты. В противоположность котловине Нансена, доминирующим поставщиком осадков для котловины Амундсена была не классическая пассивная окраина, а погрузившийся в неогене комплекс Центрально-Арктических подводных поднятий - периферийный мегаблок Северо-Американской литосферной плиты. Описанные различия в поставщиках терригенных осадков могли повлиять на энергетические режимы осадконакопления в котловинах Амундсена и Нансена и, соответственно, на литологический состав отложений, на преобладание песчанистых или глинистых фаций.

Этим же можно объяснить и существенно меньшую (в ≈1,5 раза) общую мощность осадочного чехла в котловине Амундсена.

В толще акустического фундамента (AB) котловины Амундсена по рефрагированным волнам зафиксирован широкий диапазон интервальных скоростей P-волн, свидетельствующий о его гетерогенности, - от 4,2 до 5,2 км/с. В окрестности склона хребта Ломоносова AB, по-видимому, представлен метаосадочным комплексом, в океанической части котловины - II океаническим слоем.

Интервальные скорости P-волн в кристаллическом основании котловины Амундсена, определенные также по рефрагированным волнам, изменяются от 6,2–6,6 км/с в окрестности склона и подножия хребта Ломоносова (в кристаллическом фундаменте континентальной/переходной коры) до 6,9–7,1 км/с при приближении к хребту Гаккеля (в III океаническом слое).

В акустическом и кристаллическом фундаментах котловины Нансена зафиксированы близкие к вышеприведенным значения скоростей P-волн.

Актуализация карты мощности осадочного чехла

Первая из наиболее достоверных цифровых моделей мощности осадочного чехла СЛО была создана в рамках проекта по проблеме ВГКШ РФ в Арктике и опубликована в виде карты в 2012 г. [Каминский и др., 2012]. Она являлась результатом обобщения и последующего пересчета в равномерный грид (с размером ячейки 5×5 км) всей имеющейся к тому времени российской и доступной зарубежной сейсмической информации. Из-за недостаточности этой информации данная модель требовала уточнения, в первую очередь в районах, являющихся ключевыми для обоснования ВГКШ РФ. В последующие годы в этих районах были осуществлены новые полевые сейсмические исследования экспедиций «Арктика-2011», «Арктика-2012» и «Арктика-2014». На основе вновь полученных данных была создана обновленная цифровая модель и соответствующая ей карта мощности осадочного чехла СЛО [Смирнов и др., 2015ф], включенные в частичное пересмотренное Представление России относительно ВГКШ РФ в СЛО.

На основе разработанной методики (см. выше), после повторной обработки и оцифровки глубинных сейсмических разрезов МОВ ОГТ с учетом новых сведений о скоростных характеристиках осадочного чехла по 18 профилям в Евразийском бассейне было уточнено глубинное положение основных несогласий в осадочном чехле и поверхности акустического фундамента. Максимальные уточнения по глубине залегания акустического фундамента достигали 600 м для котловины Нансена и 800 м для котловины Амундсена, расхождения на хребте Гаккеля незначительны. В 2017 г. по полученным данным были созданы профили мощности отложений и актуализирована карта мощности осадочного чехла в Евразийском бассейне (рис. 5).

Несмотря на отсутствие принципиальных изменений в закономерностях распределения мощности осадочных образований, после актуализации детальность карты в Евразийском бассейне СЛО существенно повысилась.

Выводы. Проведенные российскими организациями в 2011–2014 гг. экспедиции в центральной части Северного Ледовитого океана позволили получить принципиально новые по качеству сейсмические материалы. Использование зондирований МОВ МПВ в комплексе с сейсморазведкой МОВ ОГТ дает возможность устанавливать закономерности скоростей распространения продольных волн в осадочном чехле и в фундаменте даже при использовании короткой сейсмической косы.

Описанная в статье единая методика создания согласованных скоростных моделей вдоль сейсмических профилей позволила рассчитать скорости распространения сейсмических волн вдоль 18 профилей в Евразийском бассейне в соответствии с сейсмостратиграфической интерпретацией, принятой в Заявке РФ на расширение ВГКШ в Комиссию по границам континентального шельфа. Использованный алгоритм лучевого моделирования обеспечил оптимальный учет формы рельефа границ и совместную обработку отраженных и преломленных волн. На основе полученных скоростных моделей временные сейсмические разрезы вдоль профилей были пересчитаны в глубинные. Эти данные послужили основой для актуализации карты мощности осадочного чехла, вследствие чего ее достоверность значительно повысилась.

Список литературы

Каминский В.Д., Супруненко О.И., Лазуркин Д.В., Поселов В.А. Проблемы изучения глубоководных нефтеперспективных осадочных бассейнов Евразийской континентальной окраины и ложа Северного Ледовитого океана // Горный журнал. 2012. № 3. С. 66–71.

Chian D., Lebedeva-Ivanova N. Atlas of sonobuoy velocity analyses in Canada Basin; Geological Survey of Canada, Open File 7661. https://doi.org/10.4095/295857. 2015. 55 p.

Coakley B., Kristoffersen Y., Hopper J. Cruise Report for Underway Geophysics Program HLY 05-03. University of New Hampshire. 2005. 84 p.

Coakley B., Brumley K. et al. Exploring the geology of the central Arctic Ocean; understanding the basin features in place and time // Journal of the Geological Society. 2016. Vol. 173. P. 967–987.

Jokat W., Ickrath M. Structure of ridges and basins off East Siberia along 81°N, Arctic Ocean // Marine and Petroleum Geology. 2015. Vol. 64. P. 222–232.

Jokat W., Schmidt-Aursch M.C. Geophysical characteristics of the ultraslow spreading Gakkel ridge, Arctic Ocean // Geophys. J. Int. 2007. Vol. 168. P. 983–998.

Evangelatos J., Funck Th. et al. The sedimentary and crustal velocity structure of Makarov Basin and adjacent Alpha Ridge // Tectonophysics. 2017. Vol. 696–697. P. 99–114.

Evangelatos J., Mosher D. Seismic stratigraphy, structure and morphology of Makarov Basin and surrounding regions: tectonic implications // Marine Geology. 2016. Vol. 374. P. 1–13.

Mayer L., Armstrong A. U.S. Law of the Sea cruise to map the foot of the slope and 2500-m isobath of the US Arctic Ocean margin. University of New Hampshire. 2008. 179 p.

Фондовая литература

Винокуров И.Ю. Проведение дополнительных комплексных геолого-геофизических исследований в центральной части Арктического бассейна с целью обоснования природы Центрально-Арктических поднятий, примыкающих к ним впадин и определения положения внешней границы континентального шельфа Российской Федерации / И. Ю. Винокуров, Т. С. Сакулина, Н. Е. Леонова и др. // Отчет ОАО «Севморгео» по объекту Гос. контракта № 15/08/20-14. СПб., 2013. Фонды ФГБУ «ВНИИОкеангеология».

Курсин С.Б. Проведение комплексных геофизических работ методом отраженных волн (МОВ ОГТ) на исследовательском судне с проводкой атомным ледоколом для определения мощности осадков, сейсмогеологического разреза осадочного комплекса и проведения внешней границы континентального шельфа Российской Федерации (ВГКШ) по критерию однопроцентной мощности в Арктике / С. Б. Курсин, К. Г. Ставров, В. Е. Сувернев и др. // Отчет ОАО «ГНИНГИ» по объекту Гос. контракта № 02/13/20-2. СПб., 2012. Фонды ФГБУ «ВНИИОкеангеология».

Литвин Е.С. Оценка перспектив нефтегазоносности российского континентального шельфа за пределами 200 миль в рамках подготавливаемой заявки в Комиссию по границам континентального шельфа, оценка неразведанных потенциальных ресурсов углеводородов в пределах заявки на основе сейсмических исследований МОВ ОГТ, ГСЗ / Е. С. Литвин, А. С. Васильев, А. И. Пыхалов и др. // Отчет ОАО «МАГЭ» по объекту Гос. контракта № 33/03/82-1. Мурманск, 2015. Фонды ФГБУ «ВНИИОкеангеология».

Смирнов О.Е. Оценка перспектив нефтегазоносности российского континентального шельфа за пределами 200 миль в рамках подготавливаемого Представления РФ в отношении внешней границы континентального шельфа (ВГКШ) в Арктическом бассейне / О.Е. Смирнов, В.А. Поселов и др. // Отчет ФГУП «ВНИИОкеангеология им. И. С. Грамберга по объекту Гос. контракта № 40/07/82-2. СПб., 2015. Фонды ФГБУ «ВНИИОкеангеология».

Фомина Е.А. Региональные сейсмические исследования МОВ ОГТ 2D на Арктическом континентальном шельфе с целью изучения особенностей геологического строения и перспектив нефтегазоносности / Е.А. Фомина, С.П. Павлов, Т.А. Кириллова и др. // Отчет ОАО «МАГЭ» по объекту Гос. контракта № 37/03/82-20. Мурманск, 2016. Фонды ФГБУ «ВНИИОкеангеология».

Ссылка на статью:

Буценко В.В., Киреев А.А., Безумов Д.В., Поселова Л.Г., Леонова Н.Е., Смирнов О.Е., Караев Г.Н., Жолондз А.С., Бруй Е.В., Табырца С.Н., Булаткина К.И. Согласованная скоростная модель и актуализированная карта мощности осадочного чехла Арктического бассейна на основе современной обработки новых сейсмических данных // 70 лет в Арктике, Антарктике и Мировом океане. Сборник научных трудов (под ред. В.Д. Каминского, Г.П. Аветисова, В.Л. Иванова). СПб.: ВНИИОкеангеология, 2018. C. 171-180.