В пределах мелководных районов Печорского и Карского морей расположен целый ряд наиболее перспективных месторождений нефти и газа. К их числу относятся Приразломное, Варандей-море, Медынское-море, Южно- и Северо-Долгинское, Харасавэйское, Адер-Паютинское и пр. Кроме того, в указанных районах планируется строительство крупных гидротехнических сооружений, включая морские трубопроводы, отгрузочные нефтеналивные терминалы и др. Одноканальное сейсмоакустическое профилирование, проводившееся Государственным унитарным предприятием «Арктические морские инженерно-геологические экспедиции» (ГУП АМИГЭ) при инженерно-геологических изысканиях в рамках освоения указанных месторождений и строительства гидротехнических объектов, показало, что верхняя часть осадочного разреза данных районов отличается по своим сейсмогеологическим условиям от глубоководных районов Баренцева и Карского морей. В первую очередь это связано с особенностями истории геологического развития мелководных областей Печорского и Карского морей в позднем плейстоцене и определяется комплексом факторов, из которых важнейшими являются наличие в осадках свободного газа и многолетнемерзлых пород (ММП).

По мере совершенствования средств получения сейсмических изображений среды (в основном роста разрешающей способности) в сейсморазведке получил распространение подход, получивший название сейсмической стратиграфии [Кеннет, 1987; Шериф и Гелдарт, 1987; Шлезингер, 1998]. Он противопоставлялся прежнему подходу, сводившемуся к прослеживанию регулярных отражений, построению структурных карт и игнорировавшему внутреннюю структуру изучаемых толщ. При сейсмостратиграфическом подходе, напротив, существенная часть информации извлекается именно из особенностей внутренней структуры сейсмических комплексов, описываемой в терминах сейсмофациального анализа. Теоретические расчеты и, главным образом, практика показали правомерность и плодотворность геологической интерпретации тонких особенностей внутренней структуры сейсмических изображений, анализируемой по тем же принципам, как и зарисовка реального геологического разреза. Таким образом, можно сказать, что сейсмостратиграфия не столько вносит новые идеи в практику интерпретации сейсмических данных, сколько систематизирует приемы интерпретации высокоразрешенных изображений, используемые геологами-практиками.

При одноканальном непрерывном сейсмоакустическом профилировании (НСП), оперировавшем на один-два порядка более высокими частотами, такой подход сначала на интуитивном уровне, а позже сознательно, использовали всегда [Гриценко, 1986]. При этом однако в сейсмоакустике, имеющей дело с верхней нелитифицированной частью разреза и в особенности на полярных шельфах достаточно быстро установились пределы применимости сейсмостратиграфического подхода, необходимость его коррекции. Можно отметить как минимум три группы причин, приводящих к принципиальным отличиям объекта исследований НСП в рассматриваемом регионе от объекта, изучаемого классической сейсморазведкой.

1. Для формирования плейстоценового разреза большей части региона - его мелководной части - решающую роль играли такие процессы, как глубокое промерзание во время регрессий и процессы таяния мерзлоты при трансгрессиях моря, а также, возможно, формирование и распад материковых ледников. Поскольку в геологическом масштабе времени эти процессы происходили совсем недавно (менее 20 тыс. лет назад, зачастую первые тысячи лет), их влияние на современное состояние геологического разреза очень велико.

2. Широкое распространение ледово-морских и ледниковых отложений, имеющих зачастую неслоистую структуру и не содержащих классических признаков трансгрессивно-регрессивных ритмов. Внутренние границы внутри этих отложений часто не связаны ни с перерывами в осадконакоплении, ни с изменением литологического состава.

3. Толщи однородных морских глинистых осадков (илы, глины), находящихся на ранних стадиях диагенеза, приобретают специфическую внутреннюю структуру, отражающую в основном темп диагенеза этих осадков.

Все эти причины приводят к необходимости очень осторожного и ограниченного применения сейсмостратиграфических принципов в рассматриваемом регионе и делают крайне сомнительной возможность протягивания сюда стратиграфических комплексов, выделенных в глубоководных районах, не затронутых процессами субаэрального промерзания.

Сходство характерных акустических изображений, получаемых при НСП в Печорском море и Приямальской зоне Карского моря, а также опубликованных данных по другим арктическим акваториям было замечено давно. Сразу же возникшее предположение об однозначной связи этих изображений с субаквальной мерзлотой однако не подтвердилось. С другой стороны, генетическая связь их с районами, испытавшими на субаэральном этапе развития глубокое промерзание и оказавшимися под морем в результате последней трансгрессии, представлялась несомненной. Выяснилось также, что непосредственными факторами, оказывающими доминирующее влияние на формирование специфических акустических свойств разреза в таких районах, являются присутствие газа, а также криогенные и посткриогенные изменения структуры осадка. Накладываясь на литолого-стратиграфические элементы осадочного разреза и взаимодействуя с ними, указанные факторы формируют изображения, проинтерпретировать которые с помощью стандартных приемов чаще всего не удается.

Схема процесса, как представляется, такова. В мерзлом разрезе, оказавшемся под морем в результате повышения уровня, таяние сверху начинается сразу же, как реакция на изменившиеся условия; таяние снизу под влиянием глубинного теплового потока с некоторой задержкой на время (порядка сотен лет), за которое нижняя поверхность мерзлого слоя «узнаёт», что наверху условия изменились. Процессы микробиального распада органического вещества, идущие с большим газовыделением и характерные для начальных стадий диагенеза [Хант, 1982] в обычных условиях, не приводят к захоронению газа. В случае протаивающего мерзлого разреза, особенно в случае сингенетично промерзавших осадков, создаются условия для его захоронения. Выделяющийся газ (в основном метан) остается в виде защемленных пузырьков в глинистом осадке, образует небольшие полости или скапливается под ближайшей покрышкой, если материнский осадок обладает проницаемостью. При уплотнении осадка в ходе дальнейшего диагенеза следует ожидать нарастание тенденции к выжиманию газовых включений вместе с поровой жидкостью в проницаемые пласты, миграции газа внутри пласта, скапливанию в ловушках. При этом могут создаваться условия для формирования аномально высоких давлений в пласте. Деградирующий мерзлый слой оказывается перекрытым сверху и подстилаемым снизу газосодержащими породами, мощность которых определяется временем и скоростью таяния. Со временем полностью растаявший мерзлый слой замещается толщей газосодержащих пород.

Акустически такая толща фиксируется как неоднородно построенный массив с аномально высокими сжимаемостью и поглощением энергии излучения: наличие или отсутствие внутри него мерзлых пород обычно никак не сказывается на изображении. Акустические свойства газосодержащих жидкостей и грунтов изучались неоднократно и описаны в литературе. Однако в интересующем нас аспекте они чаще всего рассматривались как аномалия или помеха, и попыток содержательной интерпретации их изображений обычно не делалось.

Широкое распространение газосодержащих грунтов, бесспорно, сужает возможности интерпретации акустических изображений НСП, поскольку маскирует стратиграфическую и литологическую структуру разреза. Существует однако некоторая возможность типизации «акустических фаций», связанных с газосодержащими грунтами, их геологических интерпретаций. Кроме того, существует важная задача опознания среди этих фаций ситуаций, связанных с возможными скоплениями свободного газа, представляющими опасность при разведочном бурении и эксплуатации сооружений.

В пределах мелководных районов Печорского и Карского морей в верхней части разреза повсеместно развит мощный (100-150 м) покров неконсолидированных плиоцен-четвертичных отложений. Верхняя часть этого покрова (на глубину до 50 м ниже поверхности дна) представлена образованиями верхнего плейстоцена и голоцена. В составе верхнеплейстоценовых отложений выделяется три комплекса. Самый древний из них (mQ_III¹) представлен морскими глинисто-суглинистыми отложениями мягкопластичной полутвердой консистенции. Его мощность составляет в среднем около 30-50 м. Он коррелируется нами с казанцевской свитой севера Западной Сибири. Выше по разрезу развиты аллювиально-морские пески комплекса amQ_III². Состав песков от мелкого до пылеватого. Эти пески коррелируются нами с зырянским горизонтом. Мощность данного комплекса составляет около 15-25 м. Венчается разрез верхнего плейстоцена морскими отложениями комплекса mQ_III^3-4. Голоценовые осадки (mQ_IV) представлены в основном супесчаными и суглинистыми образованиями, которые местами замещаются тонкими песками. Мощность голоценовых осадков составляет в основном 1-2 м. В отдельных районах она возрастает до 5-6 м.

На большей части площади Печорского и Приямальского мелководий осадки верхней части разреза практически повсеместно насыщенны свободным газом. Также в них отмечаются признаки криогенных и посткриогенных преобразований (рис. 1). Зона распространения грунтов такого типа занимает большую часть площади Печорского моря и значительную площадь шельфа Карского моря.

В пределах мелководных зон Печорского и Карского морей зона развития газонасыщенных грунтов, испытавших промерзание в течение позднего плейстоцена, ограничивается изобатами 50-70 м (см. рис. 1). Глубже указанных отметок явления, связанные с газонасыщением и промерзанием, постепенно исчезают. На общем фоне сложных сейсмогеологических условий Печорского моря, связанных с загазованностью донных грунтов и криогенным воздействием на осадочный разрез в позднем плейстоцене, отмечаются отдельные зоны, не затронутые указанными явлениями. Наиболее крупная из таких зон отмечается у восточного побережья о. Колгуев. Сейсмогеологические условия этой зоны достаточно просты. Толщи развитых здесь донных грунтов практически не содержат свободного газа. Вероятно, в течение регрессивных этапов позднего плейстоцена здесь сохранялся реликтовый бассейн или же имела место крупная речная долина (дельта), что препятствовало промерзанию осадков и не привело к их последующему насыщению свободным газом.

Наиболее широко развитые и зачастую определяющие инженерно-геологические условия акватории Баренцево-Карского региона глинисто-суглинистые осадки комплекса mQ_III^3-4 отличаются слоистой акустической структурой. Наиболее четкой слоистостью обладают интервалы разреза, где рассматриваемые осадки имеют наиболее тонкий состав и находятся в недоуплотненном состоянии (рис. 2). При огрублении состава акустическая слоистость разубоживается.

Тонкая акустическая слоистость, наблюдаемая в рассматриваемых осадках, обусловлена высокой корреляцией по латерали тонких флюктуаций свойств. Такая корреляция характерна для высокооднородных сред, таких, например, как различного вида вязкие жидкости. При уплотнении в результате переориентации частиц и текстурных элементов корреляция отдельных тонких слойков нарушается, что вызывает «разрушение» тонкослоистой акустической структуры. В случае латерального огрубления состава осадок также теряет однородность, что вызывает разубоживание акустической слоистости.

Другие сейсмостратиграфические комплексы четвертичной толщи отличаются отсутствием слоистой акустической структуры. Отдельные элементы слоистости отмечаются лишь в голоценовых осадках, где их мощность обычно превышает разрешающую способность сейсмоакустического профилирования. Типичные акустические фации, характерные для районов, испытавших промерзание в течение позднеплейстоценовых регрессий, представлены на рис. 3.

На рис. 3а (Приразломная площадь) показано акустическое изображение разреза верхнеплейстоценовых и голоценовых отложений, содержащих свободный газ. В левой части временного разреза свободный газ прорывает подошву глинистых отложений комплекса mQ_III^3-4 и частично насыщает слагающие его осадки. При этом происходит постепенная потеря корреляции границы, связанной с подошвой глинистых отложений mQ_IV. Потеря корреляции этой границы обусловлена экранированием соответствующего интервала разреза вышележащими осадками, содержащими свободный газ.

В правой части временного разреза газосодержание контролируется подошвой слабопроницаемых глинисто-суглинистых отложений mQ_III^3-4. Здесь наблюдаются достаточно редкие газовые прорывы, которые не затрудняют прослеживание границ внутри толщи mQ_III^3-4 и границ между комплексами mQ_III^3-4 и amQ_III². В отложениях mQ_III^3 - 4 наблюдаются нечеткие элементы акустической слоистости. Нечеткий характер слоистости связан с тем, что значительная часть разреза отложений mQ_III^3-4 на Приразломной площади переуплотнена. В верхней части разреза выделяется мощный (до 3-5 м) горизонт относительно грубых грунтов «бронирующего слоя». Акустическая структура песков на приведенном временном разрезе полностью экранируется свободным газом, который контролируется подошвой относительно слабопроницаемых глин mQ_III^3-4 играющих в этом случае роль покрышки.

На рис. 3б изображена ситуация, характерная для многих нефтегазоперспективных структур Печорского мелководья (Восточно-Гуляевская, Медынская, Варандей-море и др.). Здесь на временных разрезах наблюдаются скачкообразные изменения акустической картины, связанные с отсутствием выдержанности свойств по простиранию и глубине отложений комплекса mQ_III^3-4, которые в значительной мере контролируют распределение свободного газа в осадочном разрезе.

На участках, где развиты мощные линзы переуплотненных слабопроницаемых глин комплекса mQ_III^3-4, газ сосредоточен у их подошвы. На участках, где эти линзы выклиниваются, газ насыщает вышележащие интервалы осадочного разреза.

Для указанных районов весьма характерны резкие смены структуры сейсмической записи в виде чередования участков, где осадки почти сплошь насыщены свободным газом, и акустических окон, где верхние интервалы осадочного разреза до подошвы толщи комплекса mQ_III^3-4 не содержат свободного газа.

На рис. 4 представлена сходная ситуация в пределах Байдарацкой губы Карского моря, где характерным является именно связь положения поверхности газовых включений с кровлей хорошо сортированных песков amQ_III². Газонасыщение вышележащих глин имеет спорадический характер и обусловлено прорывами газа из нижележащих песков. Прорыв свободного газа, приуроченный к наиболее вогнутой части тела отложений mQ_III^3 - 4, лишь частично осложняет прослеживание границ между комплексами и внутренней акустической структуры отложений mQ_III^3-4. Сама эта граница прослеживается весьма четко и продуцирует кратные волны.

В целом опыт проведения работ в мелководных зонах Печорского и Карского морей говорит о том, что с помощью акустического профилирования удается картировать отложения комплексов mQ_IV и mQ_III^3-4. Акустическая информация о нижележащих стратиграфических комплексах на большей части площади указанных регионов полностью блокирована отложениями, содержащими свободный посткриогенный газ.

Прослеживание границ комплексов mQ_IV и mQ_III^3-4 и их внутренней акустической структуры сильно осложняется наличием в этих осадках свободного газа, а также латеральными изменениями акустической структуры и свойств, связанных с флюктуациями свойств отложений mQ_III^3-4. Получаемые здесь структуры изображений обусловлены комплексом факторов, таких, как литология и свойства отложений, с одной стороны, и распределением свободного газа - с другой. Эти факторы формируют сложную картину, выделение составляющих которой требует тщательного анализа и не всегда возможно.

Цель акустических измерений в скважинах заключалась в корреляции изображений и свойств разреза и получении in situ данных об акустических скоростях (все оценки скоростей, использовавшиеся раннее, были расчетными, либо базировались на интерпретации данных поверхностного профилирования). Измерения в скважинах по методике ВСП были сделаны в четырех 30-метровых скважинах в Байдарацкой губе и в скв. 482 (92 м) в Печорском море. В качестве излучателя использовался электроискровой разрядник (спаркер) с энергией 1,5 кДж, прикреплявшийся к донной раме в 1,3 м от устья скважины и в 1,2 м над дном; число электродов разрядника подбиралось из расчета формирования максимума спектра в диапазоне 200-500 Гц. Прием осуществлялся 12-канальным зондом с шагом между каналами 0,5 м; шаг перемещения зонда по скважине - 4 м. Регистрация производилась на 24-канальную цифровую сейсмостанцию с шагом дискретизации 0,25 мс и записью на магнитную ленту кассетного регистратора с последующим копированием на жесткий диск персонального компьютера. При обработке вводились поправки по невязкам перекрывающихся каналов, производился монтаж сейсмограмм, частотная фильтрация и вычитание падающих волн, расчет средних и пластовых скоростей по годографу прямой волны. На рис. 5 представлены результаты, полученные в Байдарацкой губе, в достаточно однородных (с геологических позиций) условиях.

Акустические условия, напротив, крайне неоднородны. Наблюдаемые скоростные разрезы резко отличаются от «нормальных», характерных для регионов с непрерывным субаквальным режимом, не подвергавшихся промерзанию.

Наиболее существенными особенностями являются:

широкое развитие скоростей, меньших 1,35-1,4 км/с, вплоть до 0,8-1,0 км/с;

отсутствие нормального роста скорости с глубиной в верхних частях (10-30 м) разреза, а зачастую и уменьшение скорости с глубиной;

большая изменчивость;

наличие высокоскоростных аномалий, связанных с ММП и интервалами кристаллизации икаита (гидрата карбоната кальция).

Широкое распространение скоростей (1,0-1,3 км/с и ниже) бесспорно свидетельствует о неполной водонасыщенности грунта, т.е. присутствии газа в порах, поскольку скорость меньше 1,35-1,4 км/с в полностью водонасыщенном двухфазном грунте физически невозможна [Акустика морских осадков, 1977]. В керне в этих интервалах отмечаются включения торфа, запах сероводорода, сколы и трещины, развившиеся вероятно по протаявшим ледяным шлирам; вмещающим грунтом часто (но не всегда) является песок. Нормальной зависимостью скорости от глубины в песчано-глинистом разрезе является непрерывный рост ее с глубиной, связанный с уменьшением пористости и увеличением жесткости скелета грунта по мере роста давления. В данном случае такая закономерность отсутствует, по крайней мере, в изученных ВСП верхних 10-30 м разреза.

Причиной этой аномалии безусловно являются особенности развития этих территорий: субаэральный этап с промерзанием («консервацией») разреза и формированием тундровых фаций и последующее затопление с протаиванием, захоронением свободного газа и мерзлых реликтов. Эти обстоятельства, действовавшие на обширной территории и имевшие региональный характер, и формируют наблюдаемые скоростные разрезы и акустические условия, фиксируемые при НСП в виде характерных изображений, не встречающихся за пределами этих территорий. Экраном, ниже которого акустическое излучение на частотах в сотни Гц и выше практически не проникает, повсюду в этих условиях является кровля газосодержащих грунтов, залегающая обычно на глубине менее 10 м. В условиях Байдарацкой губы это чаще всего торфсодержащие пески и супеси.

В скв. 15 в керне мерзлое состояние грунта не зафиксировано. Однако весьма вероятно, что повышение интервальных скоростей в интервале 12,5-21,5 м до 2,1 км/с на фоне скоростей меньше 1,4 км/с также связано с присутствием льда в суглинке. Дополнительными доводами, делающими такое предположение более чем вероятным, являются отрицательные температуры керна и положение скважины между двумя ранее обнаруженными мерзлыми массивами. Глубину до кровли ММП следует предполагать здесь таким образом: 12 м (скв. 15) и 17 м (скв. 20).

Мерзлое состояние грунта однако не единственно возможная причина аномально высоких значений акустической скорости в верхней части разреза. В скв. 40 надежно установлена связь интервала кристаллизации гидрата карбоната кальция (икаита) с интервальными скоростями 2,5-3,5 км/с (см. рис. 4). Наличие столь высоких скоростей практически однозначно свидетельствует о цементации песка в интервале 7-9 м (а не просто присутствии одиночных кристаллов). Об этом же свидетельствует и нахождение в керне агрегатов икаита, и трудности при внедрении пробоотборника. Правдоподобными являются предположения о такой же природе повышенных значений скорости в интервале 4-7 м в скв. 15 и 13,5-15 м в скв. 20. Увеличение скорости до 1,7 км/с в интервале 3-6 м в скважине 60 надежно увязывается с горизонтом галечника.

Несмотря на небольшой объем измерений можно считать установленным, что наблюдаемые различия определяются, главным образом, одним обстоятельством, а именно: наличием или отсутствием в новейшей истории территории субаэрального этапа. В областях, подвергавшихся осушению, промерзавших и затем оказавшихся в режиме субаквальной криолитозоны, главными факторами, определяющими величину акустической скорости, оказываются процессы, протекающие в деградирующей мерзлой толще и затопленных тундровых ландшафтах с торфом, растительными остатками и т.д. Эти процессы приводят к широкому распространению газосодержащих грунтов, захоронению мерзлых реликтов, вторичному минералообразованию, формированию специфических структурно-текстурных элементов. В этих условиях литологические отличия грунтов оказываются обычно лишь вторичным фактором, непосредственное влияние которого заметно меньше криогенных и посткриогенных факторов.

Диапазон скоростей, достоверно установленный для газосодержащих грунтов в Байдарацкой губе: 0,8-1,4 км/c, по-видимому, типичен для всего рассматриваемого региона. Высокие скорости (2,5-3,5 км/с) в интервале кристаллизации икаита зафиксированы впервые и свидетельствуют о развивающейся цементации грунта в этих интервалах. В пределах собственно ММП достоверно измеренные скорости 2,7-3,1 км/с относятся к ледогрунту. Скорости 1,8-2,2 км/с с большой вероятностью относятся к мерзлым суглинкам, однако это не подтверждено непосредственным наблюдением.

Таким образом, большая часть площади Печорского моря, включая районы таких нефтегазоперспективных структур, как Приразломная, Варандей-море, Полярная, Медынская, Южно-Долгинская и др., а также район строительства перехода трубопровода через Байдарацкую губу в Карском море находятся в весьма сложных сейсмогеологических условиях. Эти условия определяются наличием в осадочных разрезах свободного посткриогенного газа, образующегося при таянии многолетнемерзлых пород под покровом водной толщи и резкими изменениями свойств грунтов в разрезе и по латерали.

Анализ временных разрезов одноканального высокочастотного акустического профилирования позволяет картировать отложения комплекса mQ_III^3-4 и голоценовые осадки, которые во многом определяют инженерно-геологические условия Печорского мелководья и района Байдарацкой губы, а также позволяет на качественном уровне прогнозировать состав и свойства этих отложений.

В пределах указанного региона акустические изображения на временных разрезах, получаемых с помощью одноканального профилирования, формируются в результате воздействия целого ряда факторов, основными из которых являются стратиграфо-литологические особенности разреза и характер насыщения осадков свободным посткриогенным газом. Выявление полезной компоненты требует специфических приемов при визуальной интерпретации этих изображений.

Более глубокие горизонты осадочного разреза, залегающие под газонасыщенными грунтами, высокочастотным профилированием как правило не освещаются. Для картирования глубоких интервалов осадочного разреза, которые экранируются свободным газом, следует применять многоканальное профилирование в сейсмическом диапазоне частот. При этом следует иметь ввиду, что интервал разреза, сложенный газосодержащими грунтами, важный в практическом отношении, окажется чаще всего недоступным.

Необходимой составляющей в комплексе сейсмоакустических работ является вертикальное профилирование в инженерно-геологических скважинах, позволяющее увязывать результаты бурения и поверхностного профилирования, а также использовать корреляционные связи между показателями физико-механических свойств и акустическими характеристиками. Последнее может использоваться для прогноза свойств грунтов по данным сейсмического профилирования.

Для освещения интервала, сложенного газосодержащими грунтами, практически недоступного для изучения продольными волнами в приемлемом диапазоне частот, перспективны исследования по применению профилирования на непродольных сдвиговых волнах, мало чувствительных к присутствию газа.

ЛИТЕРАТУРА

1. Акустика морских осадков, 1977

2. Гриценко И.И. Сейсмостратиграфический анализ новейших отложений шельфовых зон по данным непрерывного сейсмоакустического профилирования // Кайнозой шельфа и островов Советской Арктики. Л., изд-во ПГО «Севморгеология», 1986. С. 46-49.

3. Кеннет Дж. Морская геология. Т.1 - М.: Мир, 1987.

4. Хант Дж. Геохимия и геология нефти и газа. - М.: Мир, 1982.

5. Шериф Р., Гелдарт Л. Сейсморазведка. - М.: Мир, 1987.

4. Шлезингер А.Е. Региональная сейсмостратиграфия. - М.: Научный мир, 1998.

Ссылка на статью:

Бондарев В.Н., Длугач А.Г., Рокос С.И., Костин Д.А., Лисунов В.К. Акустические фации посткриогенных обстановок мелководных районов Печорского и Карского морей // Разведка и охрана недр. 1999. № 7-8. С. 10-15.