Рассматриваются результаты региональных геофизических исследований шельфа моря Лаптевых. Для достижения оптимального соотношения между разрешающей способностью и глубинностью изысканий сейсмоакустическое профилирование выполнялось в трехчастотном диапазоне. Обнаружены многочисленные потенциальные геологические опасности, включая активные разломы, многолетнемерзлые породы, покмарки, палеоврезы, борозды выпахивания.

Ключевые слова: море Лаптевых; потенциальные геологические опасности; шельф; сейсморазведка; геоакустические методы; газонасыщенные отложения; разрывные нарушения; газопроявления; покмарки; многолетнемерзлые породы; газогидраты; палеоврезы; ледовая экзарация.

ВВЕДЕНИЕ

Согласно нефтегеологическому районированию шельфа восточно-арктических морей России материковая отмель моря Лаптевых относится к перспективной нефтегазоносной провинции [Малышев и др., 2010; Сафронов и др., 2013]. В этой связи понятен интерес нефтегазодобывающих компаний к освоению углеводородных ресурсов этого моря. Между тем недра его шельфа остаются еще недостаточно изученными сейсморазведкой и поисково-разведочным бурением.

На сегодняшний день море Лаптевых - одна из самых слабо исследованных акваторий и в инженерно-геологическом отношении. Особенно это касается изученности геологических опасностей (ГО) его бассейна. К ним авторы относят компоненты геологической среды, которые могут неблагоприятно воздействовать на экосистемы и инженерные сооружения или вызывать их разрушение [Миронюк, 2015]. Оценка геологических опасностей на ранних (предпроектных) этапах инвестиционного процесса выполняется с целью их выявления и описания на основе результатов региональных изысканий и обобщения информации из публикаций и фондовых материалов, составления реестра ГО, первичной оценки и установления приоритетных ГО с помощью экспертных оценок [Миронюк, 2014].

В настоящей статье рассматриваются результаты исследований геологических опасностей, выявленных в 2014-2015 годах с использованием сейсморазведочных и геоакустических методов в трех районах моря Лаптевых.

ИЗУЧЕННОСТЬ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ОПАСНОСТЕЙ МОРЯ ЛАПТЕВЫХ. КРАТКИЙ ОБЗОР

Рассмотрим геологические опасности, которые, судя по публикациям, будут представлять наибольшую угрозу для будущих инженерных сооружений на шельфе моря Лаптевых.

Землетрясения

В отличие от западно-арктических морей море Лаптевых характеризуется повышенной сейсмичностью, что обусловлено рифтогенным режимом его недр [Грамберг и др., 1990]. Первые сведения о землетрясениях в этом регионе относятся к 1927 году [Аветисов, 2000].

Согласно СП 14.13330.2014 и ранее изданным нормативным картам общего сейсмического районирования ОСР-97-В и -С [Уломов, Шумилина, 1999] интенсивность землетрясений на берегах и в пределах акватории моря Лаптевых может достигать 9-10 баллов при периоде повторяемости сейсмических событий 1 000 и 5 000 лет.

Потенциальную опасность могут представлять и вторичные эффекты землетрясений - сейсмогенные смещения по разломам, обнаруженным в море Лаптевых с использованием сейсмоакустического профилирования [Грамберг и др., 1990; Рекант, Гусев, 2009], разжижение грунтов и др.

В ряде публикаций приведены интенсивности землетрясений на шельфе моря Лаптевых до 7-8 баллов в эпицентрах (без указания периодов повторяемости). Магнитуда максимально сильного возможного землетрясения на шельфе оценивается величиной 5.8-6.2 [Аветисов, 2000; Шибаев и др., 2013].

Газопроявления

Помимо сейсмического уникален и газовый режим моря Лаптевых. Его бассейн является мощным источником метана, выделяемого в атмосферу региона [Космач и др., 2016; Сергиенко и др., 2012; Шахова и Семилетов, 2014; Юрганов, Лейфер, 2016; Юсупов и др., 2010; Fisher et al., 2011]. В водной толще моря были зафиксированы чрезвычайно высокие концентрации метана (до 700 нМ при средней концентрации этого газа в морях Российской Арктики 3.6-14.5 нМ). Кроме того, в имеющей аномально высокую сейсмотектоническую активность зоне сочленения хребта Гаккеля с Лаптевоморской плитой в диапазоне глубин 60-110 м обнаружены многокорневые гигантские факелы диаметром более 1 000 м. По данным непрерывною сейсмического профилирования (НСП), газ поднимается с глубины как минимум 65 м от уровня дна [Лобковский и др., 2015]. Предполагается, что указанные участки интенсивною газовыделения в виде фонтанов пузырьков (в том числе за счет разложения газогидратов) пространственно могут быть приурочены к сквозным таликам различного происхождения. В частности, существование сквозных таликов на шельфе моря Лаптевых (при глубине порядка 20 м), как показало математическое моделирование, возможно в зонах тектонических нарушений с высокими (80-100 мВт/м²) величинами теплового потока из недр Земли и вблизи таких зон [Лобковский и др., 2015; Малахова, 2014; Малахова, Голубева, 2016; Romanovskiy et al., 1998].

Многолетнемерзлые породы и газогидраты

По условиям формирования многолетнемерзлых пород (ММП) шельфы морей Лаптевых, Восточно-Сибирскою и Чукотского относятся к внеледниковым [Гаврилов, 2008], а собственно криолитозона считается субмаринной [Шполянская, 2015]. На этих шельфах ярус ММП мощностью от 100 до 400-700 м предположительно (по данным моделирования) имеет сплошное распространение от побережья до изобат 50-60 м, а глубже - прерывистое и островное. В настоящее время считается, что во время последнего криохрона (15-18 тыс. лет назад) и гляциоэвстатической регрессии Мирового океана на осушенной территории внеледникового шельфа происходило накопление отложений, названных ледовым комплексом (ЛК), или лессово-ледовой (едомной) формацией. В поздне- и послеледниковое время в условиях трансгрессивною этапа развития шельфов указанных морей субаэральные осадки на дне фациально замещались молодыми морскими отложениями. На равнинах, заливавшихся морем, начиналось растепление и таяние ММП. в том числе за счет геотермических потоков. Считается, что мерзлые толщи плейстоценового возраста не успели полностью протаять к концу голоценового климатического оптимума (8.0-4.5 тыс. лет назад), образовав зону реликтовых мерзлых толщ, постепенно деградирующих в настоящее время. Имеются данные об островах в море Лаптевых, сложенных отложениями едомной формации и исчезнувших или разрушающихся в настоящее время под воздействием термоабразии. При этом на месте таких островов формировались обширные мелководья (банки), подверженные «донной термоабразии» [Гаврилов и др., 2006; Конищев, 2009; Романовский, Тумской, 2011]. По мнению Н.А. Шполянской, субмаринная криолитозона представляет собой сложное образование, которое помимо реликтовой мерзлоты с преимущественно полигонально-жильными льдами, вероятно, включает новообразованную (при глубинах моря 0-2,5 м), новообразованную сингенетическую (40-250 м) и спорадическую (более 250 м) мерзлоту [Шполянская, 2015]. Именно с субаквальным сингенетическим промерзанием отложений B.C. Якушев связывает образование газогидратов в приповерхностных осадках арктических морей (на глубине всего 20-200 м) [Якушев, 1989].

Предположения о мощности многолетнемерзлых пород и зонах стабильности газогидратов на шельфе моря Лаптевых по результатам моделирования противоречивы [Малахова, 2014; Малахова, Голубева, 2016]. В отсутствие данных глубокого бурения, при котором была бы вскрыта подошва ММП, разные авторы, основываясь на результатах математического моделирования, оценивают мощность субаквальных мерзлых пород значениями от 100 до 900 м [Малахова, Голубева, 2016; Романовский, Тумской, 2011].

Расчеты динамики субаквальной мерзлоты на шельфах морей Восточной Арктики до 2100 года с учетом атмосферного воздействия дали следующие величины: расчетная мощность ММП в зависимости от глубины моря - до 590 м, мощность зон стабильности газогидратов метана на шельфе 770-870 м (нижняя находится глубже толщи мерзлых пород, а верхняя на глубине 120-220 м от уровня дна, внутри субмаринной криолитозоны [Малахова, Голубева, 2016]).

По данным сейсмоакустического профилирования (наличие яркого приповерхностного рефлектора) и бурения в восточной части шельфа моря Лаптевых (где глубина моря составляет 35,5-48,0 м), кровля многолетнемерзлых пород предположительно находится на глубине 1-20 м от уровня дна [Касымская, 2012]. Близкие значения указаны и в работе М.Н. Григорьева [2011]. При бурении до глубины 200 м у острова Котельный кровля ММП была обнаружена на глубине 0 20 м от уровня дна [Григорьев, 2011], а их подошва вскрыта не была. По данным других специалистов, отражающий рефлектор, предположительно являющийся кровлей субаквальных мерзлых пород, на шельфе с глубинами моря от 15 до 40 м залегает под 10-15-метровым слоем осадков, опускаясь до 60 м от уровня дна во впадинах и поднимаясь до 1-2 м на банках Васильевская и Семеновская (в восточной части моря Лаптевых) [Рекант и др., 2009]. В то же время при бурении скважины в 30-40 км к востоку от дельты реки Лена в зоне Усть-Ленского рифта многолетнемерзлые породы не были обнаружены вплоть до глубины 53 м.

Наиболее полная сводка данных об особенностях криолитозоны арктического шельфа Восточной Сибири приведена в работе А.В. Гаврилова [2008]. Им установлено, что, судя по данным бурения, донного опробования и сейсмоакустических исследований, глубина кровли реликтовых шельфовых ММП варьирует в пределах 0-86 м, при этом все участки наиболее глубокого залегания кровли субмаринных ММП приурочены к отрицательным тектоническим структурам (грабенам).

Следует заметить, что сходство проявлений наличия многолетнемерзлых пород и газонасыщенных осадков в сейсмических волновых полях может приводить к неправильным оценкам геологического строения того или иного участка морского дна. Так, сопоставление данных бурения с полученным сейсмоакустическим временным разрезом показало, что акустический рефлектор, прослеживавшийся на глубине около 5 м от уровня дна и интерпретировавшийся как вероятная кровля ММП, в действительности соответствует литологической границе между голоценовыми алеврито-пелитовыми илами и подстилающей их пачкой переслаивающихся газонасышснных песков и алевритов верхнего неоплейстоцена [Сергиенко и др., 2012].

Ледовая экзарация

С использованием двухчастотного гидролокатора бокового обзора «Гидра» (производства НПФ «Экран») обнаружены многочисленные следы выпахивания дна моря Лаптевых ледяными образованиями в широком интервале глубин - от прибрежных до 90 м [Дмитриевский и др., 2013; Лобковский и др., 2015]. Глубина борозд может достигать 4.5 м, длина 1.2 км. Согласно обобщенным данным [Огородов, 2014] предельная глубина, на которой возможна экзарация дна этого моря современными торосистыми образованиями, составляет 30-40 м. Наибольшая интенсивность экзарации происходит на глубине 20-25 м, а максимальная глубина борозд составляет 1.5-2.0 м (для сравнения: в Печорском море экзарация прослеживается до глубины 20 м, а в море Бофорта, где образуются торосы высотой до 12 м, - до 60 м) [Hequette, Barnes, 1990]. В этой связи можно заключить, что глубокие борозды, обнаруженные в море Лаптевых на глубинах до 90 м и более, являются реликтовыми и образованы палеоторосами, палеоайсбергами или их обломками. Некоторыми авторами отмечается, что в настоящее время ледовая экзарация в арктических морях усиливается [Никифоров и др., 2016].

Субаквальный рельеф

Современная и реликтовая морфоскульптура дна зачастую осложняет условия, а в некоторых случаях препятствует строительству морских объектов на предварительно выбранных площадках (трассах). По данным дистанционных методов с использованием гидролокатора бокового обзора и непрерывного сейсмоакустического профилирования предполагается, что морфология кровли ММП в море Лаптевых осложнена реликтовыми формами микро- и мезорельефа. К ним следует отнести: затопленные террасы [Гаврилов и др., 2006], палеоврезы [Семенов, Шкатов, 1971], булгунняхи (pingo) [Romanovskiy et al. 1998], термокарстовые и аласные котловины [Касымская, 2012], полигональный микрорельеф [Дударев, 2016], останцы ледовых комплексов, захороненные бары [Никифоров, 2006] и др. Анализ публикаций показал, что успех выявления указанных форм в значительной степени определяется выбором соответствующей технологии геофизических исследований и густоты сети сейсмоакустических профилей, а также подтверждением геофизических данных результатами бурения.

Методики исследований геологических опасностей

Как показано в предыдущем разделе, к числу наиболее характерных геологических опасностей, подлежащих обязательному исследованию на всех дальнейших этапах изысканий, являются: разрывные нарушения, многолетнемерзлые породы, газопроявления, проявления экзарации (борозды выпахивания), другие положительные и отрицательные формы микро- и мезорельефа. С учетом имеющегося опыта выявления и картирования геологических опасностей [Гайнанов и Токарев, 2016; Миронюк, Клещин, 2010; Рыбалко и др., 2015; Шматков и др., 2015; Шматков, Токарев, 2014] и предписаний [Дзилна, Ульст, 1983; СП, 2004] была составлена программа проведения региональных инженерно-геологических исследований, включающих следующие виды геофизических работ:

• батиметрическую съемку многолучевым эхолотом (МЛЭ);

• гидролокацию бокового обзора (ГЛБО) с помощью низкочастотного и высокочастотного гидролокаторов:

• непрерывное сейсмоакустическое профилирование (НСАП) в двухчастотном варианте с глубиной проникновения 10-20 м и разрешающей способностью 0.5 м:

• двумерную сейсмическую заглубленную съемку сверхвысокого разрешения (ССВР) с глубиной проникновения 50-100 м и разрешающей способностью 1,0-1.5 м;

• двумерную сейсмическую съемку высокого разрешения (СВР) с глубиной проникновения 300-400 м и разрешающей способностью 3-5 м.

ХАРАКТЕРИСТИКА ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ОПАСНОСТЕЙ И КРИТЕРИИ ИХ ВЫДЕЛЕНИЯ

Анализ полученных данных позволил идентифицировать в море Лаптевых следующие основные геологические опасности: разрывные нарушения, газопроявления, многолетнемерзлые породы, палеоврезы (в том числе палеодолины), проявления ледовой экзарации. Приведем их характеристику и критерии выявления.

Разрывные нарушения

Опасность разрывных нарушении связана прежде всего с возможными сейсмогенными смещениями земной поверхности на участках расположения инженерных сооружений. Кроме того, разрывные нарушения и зоны повышенной проницаемости (трещиноватости) являются путями миграции флюидов, в том числе газа, вверх по разрезу, что может ухудшить несущую способность грунтов.

Морфологически разрывные нарушения обычно хорошо выражены на морском дне в тех местах, где минимальна интенсивность литодинамических процессов (эрозии и аккумуляции осадков). Наилучшие результаты при выявлении разрывных нарушений различной природы (сейсмогенных, флюидогенных, диагенетических, оползневых и др.) дают сочетания эхолотирования, ГЛБО и различных методов сейсморазведки.

При выделении разрывных нарушении на временных разрезах авторами использовались следующие признаки: разрыв или смешение осей синфазности, резкое изменение волновой картины (в том числе резкое изменение углов наклона осей синфазности), хаотический тип записи вдоль нарушения (зоны потери корреляции отражающих границ).

Критериями активных разломов, как известно, являются смещения голоценовых осадков и молодых форм рельефа. На наличие таких смещений указывают закономерно ориентированные линейные уступы, прослеживаемые при батиметрической съемке и ГЛБО. Наиболее опасны сейсмогенные разломы, являющиеся результатами выхода очаговых разрывов на поверхность. Их опасность связана с возможными горизонтальными и вертикальными смешениями земной поверхности. В море Лаптевых при максимальной магнитуде возможных землетрясений (М = 6.2) вертикальные смещения могут составить 2 м [Стром, 2000]. Наличие газа часто затрудняет выделение разрывных нарушений в зонах акустической тени или потери корреляции, что без буровых работ и пробоотбора не позволяет достаточно полно оценить инженерно-геологические условия строительства морских объектов.

В случае обнаружения разлома, выраженного в рельефе уступом, необходимо определить его природу, кинематику, максимальную амплитуду смешения, ориентацию и протяженность. Эта информация может быть получена только на этапе изысканий для подготовки проектной документации на основе результатов комплексного использования геолого-геофизических методов, включая обработку данных глубинной сейсморазведки.

В результате интерпретации полученных 2D временных разрезов авторами было выделено несколько тектонических нарушений как пликативного (флексуры), так и дизъюнктивного характера (рис. 1). В ряде случаев хорошо видно, как разрывное нарушение, фиксирующееся в нижней части разреза, выше переходит во флексуру. Амплитуда смещения по вертикали достигает 10-20 м (при принятой средней скорости распространения упругих волн в терригенных осадках 1 600 м/с). Характерна приуроченность к разломам газовых аномалий и субвертикальных зон снижения контрастности записи (зон осветления). Важно отметить, что на участках распространения разрывных нарушений отсутствуют признаки наличия многолетнемерзлых пород, вследствие чего резко возрастает глубинность исследований (при времени пробега сигнала до поверхности дна до 600 мс и более). Вероятно, это объясняется существенным усилением геотермических потоков в тектонически ослабленных зонах, приводящим к образованию сквозных таликов.

Газопроявления

В процессе строительства на шельфе скважин и других сооружений могут возникнуть аварийные ситуации, обусловленные наличием в верхней части разреза приповерхностного газа, в том числе газовых карманов с повышенным пластовым давлением. При их вскрытии в процессе бурения происходят неконтролируемые газовые выбросы, опасные для буровых судов, платформ, подводных добычных комплексов, сопровождающиеся образованием крупных котлованов [Миронюк, Отто, 2014].

При выбросе газа в естественных условиях нередко образуются покмарки («газовые кратеры»), которые также представляют определенную опасность для гравитационных и заякоренных буровых платформ, а также могут вызывать провисание подводных трубопроводов.

Кроме газовых карманов в осадочном чехле акваторий могут присутствовать и другие акустические аномалии - «трубы», «колонны», «покровы», «мутность», «осветление» и др. [Карнаух и др., 2011].

Газонасыщенные отложения в море Лаптевых, как и в других морях, чаще всего проявляются на временных разрезах в виде резкого увеличения амплитуд отражений отрицательной (обратной по отношению к донному отражению) полярности, вызванного возрастанием коэффициента отражения. Кроме того, могут наблюдаться: частичное или полное экранирование газонасыщенными интервалами нижележащей части разреза, сильно нарушенная или хаотическая волновая картина, потеря высокочастотных составляющих спектра отраженного сигнала, запаздывание регистрации отражений от нижележащих границ. Пример сейсмического разреза по данным ССВР, на котором выявляются газонасыщенные отложения, приведен на рис. 2. Выделенные места выхода газа в водную толщу были сопоставлены с сейсмическими данными и материалами съемки МЛЭ. В результате было установлено, что в большинстве случаев такие места приурочены к покмаркам или другим особенностям рельефа, связанным с газонасыщенностью отложений, и коррелируют с повышенным содержанием газа в разрезе.

С точки зрения авторов, сейсмическое изображение поверхности газонасыщенных отложений имеет много общего с изображением кровли многолетнемерзлых пород. Обе эти поверхности характеризуются повышенными амплитудами отражении, неровным рельефом, краевыми дифракционными эффектами, могут располагаться резко дискордантно по отношению к отражениям от геологических слоев. При высокочастотных сейсмоакустических исследованиях (например, с использованием профилографа) обе они почти всегда являются акустическими фундаментами, что не позволяет изучить нижележащую часть разреза. Единственным надежным критерием, позволяющим идентифицировать насыщенность отложений газом, является отрицательная полярность отражения от их кровли (то есть обратная по отношению к полярности отражения от дна), что связано с резким снижением скоростей волн в газонасыщенных интервалах разреза. В многолетнемерзлых же породах скорости упругих волн, наоборот, выше фоновых, а полярность отражений от их кровли является положительной.

Кроме газа, концентрирующегося в отдельных слоях и образующего амплитудные аномалии типа «яркое пятно», в изучаемом районе фиксируются признаки вертикальной миграции газа к поверхности дна как в виде отдельных струй (колонн) или локальных пламевидных областей, так и в виде подъема на более высокие гипсометрические уровни всего газового фронта. В последнем случае по мере подъема газа происходит его концентрация в отдельных слоях разреза, сопровождающаяся на сейсмических профилях возрастанием амплитуд и сменой полярности отражений.

Дополнительным картировочным признаком аномального газонасыщения разреза является наличие активных покмарок (округлых и эллиптических), выявляемое как путем НСАП, так и с помощью ГЛБО и МЛЭ. Последний метод при обработке данных с помощью программного обеспечения Fledermaus (разработанного компанией QPS) позволяет также фиксировать выходы газа в водную толщу (рис. 3). На изученных площадях были закартированы как одиночные покмарки, так и их скопления (в ряде случаев приуроченные к бороздам выпахивания) (рис. 4). Покмарки следует отличать от термокарстовых воронок, которые широко распространены на дне моря Лаптевых и от замкнутых депрессий тектонической или эрозионной природы.

На некоторых участках фиксируется еще один тип флюидогенного рельефа дна, предположительно связанный с вертикальной миграцией флюидов, - отдельные округлые в плане буфы («домы» [Judd, Hovland, 2007]) диаметром в среднем 15-20 м и высотой около 0.5-2.0 м. В отдельных местах они приурочены к участкам, имеющим признаки газонасыщенности по сейсмическим данным. Образование такого поднятия, вероятно, вызвано локальным увеличением порового давления при вертикальной миграции двухфазного («газ - жидкость») порового флюида и представляет собой стадию, непосредственно предшествующую образованию покмарки. Источником дополнительных объемов жидкости и газа, как отмечалось выше, является прежде всего деградация мерзлых грунтов. В качестве косвенного подтверждения этого на рис. 5 приведен пример скопления подобных куполообразных форм (см. рис. 5, а) над областью максимального углубления термокарстовой впадины (см. рис. 5, б).

Наряду с «домами» наиболее опасными следует считать зоны с амплитудными аномалиями типа «яркое пятно», характеризующиеся эффектом экранирования нижележащей части разреза и вызывающие запаздывание регистрации нижележащих отражений вследствие пониженной скорости волн в газонасыщенных интервалах (рис. 6). Максимально опасными следует считать места, в которых газонасыщенные области с подобными эффектами приурочены к разрывным тектоническим нарушениям.

Многолетнемерзлые породы

Как показано выше, в ходе голоценовой трансгрессии мерзлые породы частично оттаивают, переходя в пластично-мерзлое или охлажденное состояние, причем этот процесс сопровождается высвобождением большого количества газа и жидкого флюида, их миграцией по разрезу, пластическими деформациями отложений, термокарстовыми проявлениями (как предполагают, эти процессы продолжаются и в настоящее время). Все эти процессы ускорились в связи с глобальным потеплением климата и наряду с газопроявлениями представляют потенциальную опасность при строительстве и эксплуатации морских инженерных сооружений на арктических шельфах, в том числе на шельфе моря Лаптевых. В настоящем разделе предлагаются критерии и приводятся примеры идентификации вероятного расположения ММП на основе сейсмоакустических данных, полученных по упомянутой выше трехчастотной методике.

На сейсмических разрезах, полученных с помощью СВР и ССВР, мерзлые грунты не всегда образуют акустический фундамент и могут быть идентифицированы по следующим признакам.

1. Высокоамплитудное отражение от кровли мерзлых грунтов прямой (относительно донного отражения) полярности.

2. Резкое латеральное прекращение прослеживаемости границ и смена их хаотической или акустически прозрачной записью.

3. Отдельные ограниченные по протяженности высокоамплитудные отражения как прямой, так и обратной по отношению к донному отражению полярности. Первые обусловлены наличием отдельных высокольдистых слоев при существовании стратиграфически контролируемой мерзлоты, вторые - присутствием немерзлых (охлажденных) слоев, насыщенных жидким флюидом повышенной минерализации (криопэгов), а также газонасыщенных прослоев.

4. Наличие линз с акустически прозрачной или хаотической волновой картиной, в кровле которых фиксируются отражения с прямой полярностью, а в подошве - с обратной. Указанное распределение полярности отражений связано с существенным повышением скорости распространения упругих волн в мерзлых грунтах. Для таких линз наблюдаются высокоскоростные аномалии, что подтверждает правильность предлагаемой интерпретации.

5. Наличие погребенных термокарстовых впадин, большая часть которых выражена и в современном рельефе. Они характерны для кровли ледового комплекса на прилегающей суше. Обнаруженные на шельфе впадины были сформированы в субаэральных условиях во время позднеплейстоценового - раннеголоценового потепления климата, по-видимому, еще до затопления шельфа морем. На представленном на рис. 7 фрагменте профиля ССВР хорошо видно резкое возрастание амплитуд донных отражений на участках, на которых предполагаемая кровля ледового комплекса выходит на дно. Такое увеличение амплитуд отражений от кровли (при почти полном отсутствии внутренних отражений) может указывать на наличие мерзлых грунтов, характеризующихся повышенными скоростями распространения сейсмических волн. Кроме того, эти участки, как правило, образуют пологие, но явно выраженные поднятия в рельефе дна, тогда как термокарстовым котловинам соответствуют понижения рельефа. Все это подтверждает возможность и обоснованность интерпретации соответствующей части разреза как сложенной полифациальными отложениями ледового комплекса сартанского (или муруктинско-сартанского) возраста, верхняя часть которых осложнена проявлениями термокарстовых процессов.

Кроме вышеперечисленных геофизических атрибутов возможного присутствия на шельфе многолетнемерзлых пород имеются и другие их признаки, также выявленные дистанционными методами (ГЛБО, НСАП): затопленные участки полигонального микрорельефа, диапироподобные поднятия (возможно, подводные бугры пучения) и др.

Примеры выхода на дно ледового комплекса представлены на рис. 7 и 8.

По данным бурения и донного пробоотбора в прибрежных районах, отложения ледового комплекса представлены: твердомерзлыми мелкозернистыми песками и супесями, пластичномерзлыми суглинками и суглинистым ледогрунтом, полигонально-жильными льдами. Имеются участки, на которых комплексы заполнения термокарстовых впадин выражены в рельефе дна не в виде понижений, а в виде поднятий. Такая посткриогенная инверсия рельефа объясняется обширным площадным протаиванием и проседанием отложений ЛК, окружающих котловину, в результате чего комплекс заполнения впадины, включая таберальные образования, образует положительную форму рельефа (рис. 9) [Романовский, 1993].

Палеоврезы

Палеоврезы (в том числе палеодолины) относят к одному из видов геологических опасностей. Как правило, они заполнены слабоконсолидированными, часто газонасыщенными, осадками с включением крупнообломочного материала. При выполнении буровых работ в таких местах из-за сложных грунтовых условий нередки осложнения (провалы или прихваты инструмента, потеря циркуляции (поглощения), газоводопроявления и т.д.). В контурах палеоврезов не рекомендуется производить установку платформ на гравитационном основании и строительство поисково-разведочных скважин.

Кроме того, особенность палеоврезов на акваториях арктических морей заключается в их специфическом криогенном режиме, отличном от вмещающих отложений. В общем случае, грунты, заполняющие и подстилающие врезы, относительно быстро протаивали в субаэральных и мелководных (прибрежных) условиях. Впоследствии, когда они оказывались под глубокими водами с установившейся отрицательной температурой, могло происходить их субаквальное промерзание, чему способствуют низкая минерализация порового флюида и глинистый состав заполняющих осадков, препятствующий проникновению морских вод в поровое пространство. В результате к палеоврезам могут быть приурочены линзы мерзлых или пластичномерзлых грунтов. Подтверждением может служить положительная скоростная аномалия, приуроченная к палеоврезу (рис. 10).

Многочисленные разновозрастные (судя по их положениям на разрезах) палеоврезы на дне моря Лаптевых выделяются по данным СВР и ССВР, а выраженные в современном рельефе дна - также и с помощью НСАП и МЛЭ. Признаками последних являются: наличие несогласий, сокращение мощности слоев, вытянутые (часто древовидные) отрицательные формы в рельефе дна. Картировочным признаком палеовреза является рисунок отражений, соответствующий его заполнению, и эрозионная вогнутая поверхность в подошве.

Глубина палеоврезов составляет 40-200 м и более, а ширина от сотен метров до нескольких километров. Наиболее крупный из них, представляющий собой палеодолину крупной реки и имеющий глубину более 200 м и ширину до 30 км, имеется в северной части изученного морского дна (рис. 11).

Ледовая экзарация

Многочисленными исследованиями установлено широкое распространение на шельфах арктических морей современных и реликтовых борозд ледового выпахивания. Выявлены они и на шельфе моря Лаптевых, что в случае реализации на нем проектов строительства трубопроводов и иных подводных сооружений потребует разработки защитных мероприятий, соответствующих интенсивности экзарации.

В ходе выполненных региональных исследований авторами были получены новые данные об этих формах рельефа. Результаты ГЛБО, МЛЭ и НСАП указывают на активное динамическое воздействие ледовых образований на донную поверхность, как имевшее место в прошлом, так и продолжающееся в настоящее время (обнаружены «свежие» следы торосов на морском дне) (рис. 12). Были выявлены многочисленные прямолинейные, зигзагообразные, дугообразные, пересекающиеся друг с другом (разновозрастные) борозды. Они, как правило, имеют U-образное поперечное сечение и с обеих сторон ограничены валами высотой до 1.5-2.0 м.

Борозды выпахивания встречаются практически на всех изученных участках вплоть до глубины 115 м. Каждая из них была проанализирована по данным МЛЭ в отношении таких параметров, как глубина моря в начале и в конце борозды, глубина самой борозды, ее ориентация, ширина, длина, занесенность и извилистость. Установлено, что максимальная глубина пропахивания составляет 7-8 м, но в 87% случаев она меньше 0.5 м. Максимальная ширина борозд достигает 250 м, но наиболее часто она равна 30-50 м. В подавляющем большинстве случаев преобладают слабоизвилистые и незанесенные или слабо занесенные борозды. Преобладающего направления их расположения выявлено не было.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты проведенных геофизических работ в peгиональном масштабе существенно уточнили имеющиеся научные представления о четвертичных отложениях и геоморфологии изученного района, распространении там мерзлых пород, погребенных термокарстовых котловин и палеоврезов, подозерных таликов и др. Выявленные многочисленные геологические опасности могут обусловить соответствующие риски инвестиционных проектов хозяйственного освоения акватории моря Лаптевых и других арктических морей. Для их минимизации необходимо учитывать следующее.

1. При подготовке технического задания и программы морских инженерно-геологических изысканий в арктическом регионе следует учитывать тип шельфа, криолитозоны и тектонического режима морского дна на исследуемом участке.

2. Внеледниковый тип шельфа с субмаринной криолитозоной характеризуется наличием мощных толщ реликтовых многолетнемерзлых пород. Кроме этой геологической опасности на материковой отмели моря Лаптевых обнаружены разновозрастные палеоврезы (как выраженные в современном рельефе, так и погребенные), борозды ледового выпахивания, покмарки, крупные валуны и глыбы ледового разноса.

3. Рифтогенный режим бассейна моря Лаптевых обусловил высокую сейсмичность его акватории и повышенную интенсивность газопроявлений в ее пределах. Потенциальную опасность для морских сооружении в этой связи представляют также возможные сейсмогенные смещения вдоль активных разломов, разжижение грунтов при сильных землетрясениях, другие вторичные эффекты сейсмических событий.

4. При выявлении донных мезо- и микроформ (борозд выпахивания, покмарок, уступов и т.д.) и источников геологических опасностей, находящихся ниже уровня морского дна (разрывных нарушений, газовых труб и карманов, подозерных таликов и т.д.), наилучшие результаты показал совместный анализ данных батиметрических, сейсмоакустических исследований и гидролокации бокового обзора. При этом для достижения оптимального соотношения между разрешающей способностью и глубинностью изысканий очевидны преимущества сейсмоакустического профилирования в трехчастотном диапазоне, которое позволяет надежно выявлять в верхней части геологического разреза многолетнемерзлые породы, разрывные нарушения различной природы, погребенные формы рельефа, газопроявления, латеральную изменчивость грунтов и др.

5. Наибольшая эффективность при выявлении и картографировании геологических опасностей на поверхности морского дна может быть достигнута при использовании многолучевого эхолота и низкочастотного и высокочастотного гидролокаторов.

Авторы выражают благодарность коллективу компании «Сплит» (г. Москва) и ее генеральному директору Е.А. Бирюкову за качественно выполненные геофизические работы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аветисов Г.П. Еще раз о землетрясениях моря Лаптевых // Геолого-геофизические характеристики литосферы Арктического региона. СПб.: Изд-во ВНИИОкеангеологии. 2000. Вып. 3. С. 104-114.

2. Аветисов Г.П. Сейсмичность арктической материковой окраины России // Геология и полезные ископаемые России. Том 5. Арктические и дальневосточные моря. Книга I. Арктические моря / под ред. И.С. Грамберга, B.Л. Иванова, Ю.Е. Погребицкого. СПб.: Изд-во ВСЕГЕИ. 2004. 468 с.

3. Гаврилов А.В. Криолитозона арктического шельфа Восточной Сибири (современное состояние и история развития в среднем плейстоцене - голоцене): автореф. дис. ... док. геол.-мнн. наук. М.. 2008. 48 с.

4. Гаврилов А.В. Типизация арктических шельфов по условиям формирования мерзлых толщ // Криосфера Земли. 2008. Т. 12. № 3. С. 69-79.

5. Гаврилов А.В., Романовский Н.Н., Хуббертен Х.-В. Палеогеографический сценарий послеледниковой трансгрессии на шельфе моря Лаптевых // Криосфера Земли. 2006. Т. 10. № 1. С. 39-50.

6. Гайнанов В.Г., Токарев М.Ю. Совершенствование технологий сейсмоакустических исследований на акваториях // Материалы научно-практической конференции «Сейсмические технологии - 2016». М., 2016.

7. Грамберг И.С., Деменицкая Р.М., Секретов С.Б. Система рифтогенных грабенов шельфа моря Лаптевых как недостающего звена рифтового пояса хребта Гаккеля - Момского рифта // Доклады Академии наук СССР. 1990. Т. 311. № 3. С. 689-694.

8. Григорьев М.Н. Подводная мерзлота восточно-арктических морей: распространение, эволюция, перспективы изучения // Материалы семинара «Подводная вечная мерзлота и связанные с ней процессы в Российской Арктике». СПб.: Изд-во ВНИИОкеангеологии, 2011.

9. Дзилна И.Л., Ульст В.Г. Методические рекомендации по инженерно-геологическому изучению нефтегазоперспективных районов шельфа. Рига: ВНИИМоргео, 1983. 78 с.

10. Дмитриевский Н.Н., Ананьев Р.А., Либина Н.В., Росляков А.Г. Некоторые результаты высокоразрешающих сейсмоакустических исследований в морях Восточной Арктики // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2013. № 3. С. 131-136.

11. Дударев О.В. Современный литоморфогенез на восточно-арктическом шельфе России: автореф. дис.. док. геол.-мин. наук. Владивосток, 2016. 49 с.

12. Карнаух В.Н., Суховеев Е.Н., Листровая И.А. Высокоразрешающие сейсмоакустические исследования скоплений газа в голоценовых донных отложениях Амурского залива (Японское море) // Вестник ДВО РАН. 2011. № 3. С. 56-64.

13. Касымская М.В. Субмаринные талики восточной части шельфа моря Лаптевых // Пространство и время. 2012. № 1. С. 133-140.

14. Конищев В.Н. Реакция вечной мерзлоты на потепление климата // Вестник МГУ. Серия 5. География. 2009. № 4. С. 10-20.

15. Космач Д.А., Куриленко А.В., Черных Д.В. и др. Метан в поверхностных водах окраинных морей Северной Евразии в первой декаде 21 века // Материалы 7-й Конференции молодых ученых «Океанологические исследования». Владивосток: Дальнаука, 2016. С. 28-31.

16. Лобковский Л.И., Никифоров С.Л., Дмитревский Н.Н. и др. О процессах газовыделения и деградации подводных многолетнемерзлых пород на шельфе моря Лаптевых // Океанология. 2015. Т. 55. № 2. С. 312-320.

17. Малахова В.В. Математическое моделирование многолетней динамики подводной мерзлоты Арктического шельфа // Материалы 10-го Международного научного конгресса «Интерэкспо ГЕО - Сибирь - 2014». 2014. Т. 4. № 1. С. 136-140.

18. Малахова В.В., Голубева Е.Н. Оценка устойчивости состояния мерзлоты на шельфе Восточной Арктики при экстремальном сценарии потепления в XXI в. // Лед и снег. 2016. Т. 56. № 1. С. 61-72.

19. Малышев Н.А., Обметко В.В., Бородулин А.А. Оценка перспектив нефтегазоносности осадочных бассейнов Восточной Арктики // Научно-технический вестник ОАО «НК "Роснефть"». 2010. № 1. С. 20-28.

20. Миронюк С.Г. Геологические опасности осваиваемых месторождений восточного шельфа о. Сахалина: идентификация и принципы картографирования // Современные подходы и перспективные технологии в проектах освоения нефтегазовых месторождений российского шельфа. 2015. № 2 (22). С. 113-117.

21. Миронюк С.Г. Морские инженерные изыскания и оценка опасности субаквальных геологических процессов // Инженерные изыскания. 2014. № 4. С. 60-64.

22. Миронюк С.Г., Клещин С.М. Опыт применения геофизических методов с целью идентификации морских геологических опасностей // Геоинжиниринг. 2010. № 1 (8). С. 48-54.

23. Миронюк С.Г., Отто В.П. Газонасыщенные морские грунты и естественные газовыделения углеводородов: закономерности распространения и опасность для инженерных сооружений // Геориск. 2014. № 2. С. 8-18.

24. Никифоров С.Л. Рельеф шельфа морей Российской Арктики: автореф. дис.. док. геогр. наук. М., 2006. 36 с.

25. Никифоров С.Л., Лобковский Л.И., Дмитриевский Н.Н. и др. Ожидаемые геолого-геоморфологические риски по трассе Северного морского пути // Доклады Академии наук. 2016. Т. 466. № 2. С. 218-220.

26. Огородов С.А. Рельефообразующая деятельность морских льдов: автореф. дис.. док. геогр. наук. М., 2014. 44 с.

27. Рекант П.В., Гусев Е.А. Признаки новейших тектонических движений на лаптевоморской континентальной окраине по данным сейсмоакустического профилирования // Проблемы Арктики и Антарктики. 2009. № 2 (82). С. 85-94.

28. Рекант П.В., Тумской В.Е., Гусев Е.А. и др. Распространение и особенности залегания субаквальной криолитозоны в районе банок Семеновская и Васильевская (море Лаптевых) по данным сейсмоакустического профилирования // Система моря Лаптевых и прилегающих морей Арктики: современное состояние и история развития. М.: Изд-во Московского университета, 2009. С. 332-348.

29. Романовский Н.Н. Основы криогенеза литосферы. М.: Изд-во МГУ, 1993. 336 с.

30. Романовский Н.Н., Тумской В.Е. Ретроспективный подход к оценке современного распространения и строения шельфовой криолитозоны Восточной Арктики // Криосфера Земли. 2011. Т. 15. № 1. С. 3-14.

31. Рыбалко А.Е., Иванов Г.И., Свечников А.И. и др. Использование высокочастотных сейсмоакустических методов при проведении газогеохимических поисковых работ на нефть и газ в Гыданской губе в 2009 году // Материалы 1-й Международной научно-практической конференции для геологов и геофизиков «Сочи-2011». Сочи, 2011.

32. Рыбалко А.Е., Токарев М.Ю., Терехина Я.Е. и др. Контроль геологических опасностей при инженерно-геофизических изысканиях на акватории // Материалы 11-й Научно-практической конференции «Инженерная геофизика - 2015». Геленджик, 2015.

33. Сафронов А.Ф., Сивцев А.И., Чалая О.Н. и др. Начальные геологические ресурсы углеводородов шельфа моря Лаптевых // Геология и геофизика. 2013. Т. 54. № 8. С. 1275-1279.

34. Семенов Ю.И., Шкатов Е.П. Геоморфология дна моря Лаптевых // Геология моря. Л.: Изд-во НИИГА, 1971. Вып. 1. С. 21-30.

35. Сергиенко В.И., Лобковский Л.И., Семилетов И.П. и др. Деградация подводной мерзлоты и разрушение гидратов шельфа морей восточной Арктики как возможная причина "метановой катастрофы": некоторые результаты комплексных исследований 2011 года // Доклады Академии наук. 2012. Т. 446. № 3. С. 330-335.

36. СП 11-114-2004. Инженерные изыскания на континентальном шельфе для морских нефтегазопромысловых сооружений. М.: Госстрой России, 2004.

37. СП 14.13330.2014. Строительство в сейсмических районах. М.: Минстрой России, 2014.

38. Стром А.Л. Оценка величин сейсмогенных смещений по разломам и вероятности их возникновения // Материалы Общероссийской конференции «Оценка и управление природными рисками (Риск-2000)». М.: Анкил, 2000. С. 37-41.

39. Уломов В.И., Шумилина Л.С. Комплект карт общего сейсмического районирования территории Российской Федерации - ОСР-97. Масштаб 1:8 000 000. Объяснительная записка и список городов и населенных пунктов, расположенных в сейсмоопасных районах. М.: Изд-во ОИФЗ РАН, 1999. 57 с.

40. Шахова Н.Е., Семилетов И.П. Метан в морях Восточной Арктики: избранные результаты исследования (1994-2014) // Поисковые фундаментальные научные исследования в интересах развития арктической зоны Российской Федерации» на 2014 год. URL: http://www.ras.ru/scientificactivity/rasprograms/arctic.aspx.

41. Шибаев С.В., Козьмин Б.М., Петров А.Ф. и др. Лено-Таймырская сейсмическая зона на арктическом шельфе моря Лаптевых // Материалы 8-й Международной сейсмологической школы «Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных». 2013. С. 353-357.

42. Шматков А.А., Гайнанов В.Г., Токарев М.Ю. Обзор технологий трехмерных сейсмоакустических исследований на акваториях // Технологии сейсморазведки. 2015. № 2. С. 86-97.

43. Шматков А.А., Токарев М.Ю. Новая методика трехмерных сейсмоакустических наблюдений на мелководных акваториях // Экспозиция Нефть Газ. 2014. № 6. С. 39-42.

44. Шматкова А.А., Шматков А.А., Гайнанов В.Г. Пример выделения опасных геологических объектов по данным морских высокоразрешающих трехмерных сейсмических наблюдений в Норвежском море // Вестник МГУ. Серия 4. Геология. 2015. № 1. С. 55-62.

45. Шполянская Н.А. Плейстоцен-голоценовая история развития криолитозоны Российской Арктики «глазами» подземных льдов. Ижевск: Изд-во Института компьютерных исследований, 2015. 344 с.

46. Юрганов Л.Н., Лейфер А. Оценки эмиссии метана от некоторых арктических и приарктических районов по данным орбитального интерферометра IASI // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 3. С. 173-183.

47. Юсупов В.И., Салюк А.Н., Карнаух В.Н., Семилетов И.П. Обнаружение областей разгрузки метана на шельфе моря Лаптевых в Восточной Арктике // Доклады Академии наук. 2010. Т. 430. № 6. С. 820-823.

48. Якушев В.С. Одна из возможных причин газовых выбросов в толщах многолетнемерзлых пород // Геология нефти и газа. 1989. № 4. С. 45-46.

49. Fisher R.E., Sriskantharajah S., Lowry D., Lanoisellé M., Fowler C.M.R., James R.H., Hermansen O., Lund Myhre C., Stohl A., Greinert J., Nisbet-Jones P.B.R., Mienert J., Nisbet E.G. Arctic methane sources: isotopic evidence for atmospheric inputs // Geophysical Research Letters. 2011. V. 38. P. L21803.

50. Hequette A., Barnes P. Coastal retreat and shoreface profile variations in the Canadian Beaufort Sea // Marine Geology. 1990. № 91. P. 113-132.

51. Judd A., Hovland M. Seabed fluid flow. The impact on geology, biology and the marine environment. Cambridge: Cambridge University Press, 2007. 475 p.

52. Romanovskiy N.N., Gavrilov A.V., Kholodov A.V. et al. Map of predicted offshore permafrost distribution on the Laptev sea shelf // Proceedings of the 7-th International conference on permafrost. Yellowknife, 1998. P. 967-972.

USING A COMPLEX OF GEOPHYSICAL METHODS TO REVEAL DANGEROUS GEOLOGICAL PROCESSES AND PHENOMENA ON THE LAPTEV SEA SHELF

Kolyubakin А.А., Mironyuk S.G., Roslyakov A.G., Rybalko A.E., Terekhina Ya.E., Tokarev M.Yu.

The article considers results of regional geophysical studies of the Laptev sea shelf. Seismoacoustic profiling was performed in the three-frequency range to achieve the optimal ratio between the resolution and depth of the surveys. Numerous potential geological hazards including active faults, permafrost soils, pockmarks, paleovalleys, gouging trenches were found.

Key words: Laptev sea; potential geohazards: shelf: seismic prospecting; geoacoustic methods; gas-saturated deposits; faults; gas shows; pockmarks; permafrost soils; gas-hydrates; paleovalleys; ice gouging.

Ссылка на статью:

Колюбакин А.А., Миронюк С.Г., Росляков А.Г., Рыбалко А.Е., Терехина Я.Е., Токарев М.Ю. Применение комплекса геофизических методов для выявления опасных геологических процессов и явлений на шельфе моря Лаптевых // Инженерные изыскания. 2016. № 10-11. С. 38-51..