Введение

Геоэкологические исследования на море в настоящее время являются широко распространенными и проводятся в различных формах. Наряду с классическими региональными исследованиями наиболее широко распространенными формами являются: геоэкологическое опробование донных грунтов, воды в рамках инженерно-экологических изысканий, геоэкологический мониторинг как недро- (водо)пользователей, так и государственный. Последний в настоящее время ведется ФГБУ «ВНИИОкеангеология» (Дальний Восток), ВСЕГЕИ (Балтийское, Белое и Баренцево моря) и АО «Южморгеология» АО «Росгеология» (Черное, Азовское и Каспийское моря). Кроме того, геоэкологические исследования частично проводят и подразделения Росгидромета в части определения загрязнения донных осадков.

Круг задач, решаемых при этих работах, весьма широк и разнообразен и сводится к следующим основным направлениям:

1. Оценка загрязнения поверхности морского дна и донных отложений, как химическими реагентами, так и объектами макрозагрязнения;

2. Выявление опасных геологических процессов и явлений (ОГПиЯ), оконтуривание зон их проявления и составление прогнозов возможного негативного воздействия этих процессов на подводные ландшафты, а также на морские инженерные сооружения;

3. Оценка воздействия эксплуатации инженерных объектов на морскую среду и разработка мер по минимизации соответствующего негативного воздействия.

Следует отметить, что указанный подход применим не только к морям, но и к крупнейшим озерам в пределах Российской Федерации: Байкалу, Ладожскому Онежскому, а также в определенной мере и к более мелким озерным бассейнам: Чудскому, Ильмень, Ханка и другим.

Наиболее мобильными и, в то же время, информативными методами изучения опасных геологических процессов на акваториях являются геофизические методы. Причем по мере развития как собственно самого геоэкологического направления, так и аппаратурной базы измерений, геофизические методы приобретают все большее значение для решения широкого круга задач геоэкологии морей и крупных озер. В настоящем сообщении рассматриваются примеры использования геофизических методов в геоэкологии и обсуждаются возможности расширения применения этих методов для решения конкретных геоэкологических задач.

Использование геофизических методов для решения конкретных геоэкологических задач

Одним из наиболее важных современных направлений геоэкологических исследований являются геохимический мониторинг донных отложений. Эти работы входят в состав мониторинга определенных участков морских бассейнов, где проводятся инженерные работы, а также входят в состав инженерно-геологических изысканий при обустройстве морских месторождений или освоения побережья. До недавнего времени они выполнялись в рамках Государственного мониторинга геологической среды шельфа (Федеральное агентство по недропользованию «Роснедра»). Данное агентство также отвечает и за составление соответствующих карт геоэкологического содержания, в том числе в составе Госгеолкарты–1000. Однако, в последнее время головные функции переданы ФБГУ «Росгидромет», что привело как к снижению объема самих исследований, так и их эффективности, что во многом связано с исключением из их состава геофизических работ. В тоже время при геохимическом мониторинге, который включает в себя большое количество измерений геохимических показателей на относительно ограниченном количестве реперных станций, адекватно отражающих уровень загрязнения изучаемого региона, геофизические (сейсмоакустические) методы всегда играли определяющую роль при выборе и обосновании местоположения станций опробования [Шкатов и др., 2011]. Так как одним из основных критериев выбора месторасположения этих станций является определение мест с наиболее интенсивным накоплением современных донных осадков, в которых и ведутся работы по отбору и анализу проб, то наиболее эффективным способом является выбор зоны, где мощность современных осадков максимальна. Именно здесь, как правило, происходит накопление основного объема загрязняющих веществ, которые обычно связаны с тонкой (алевропелитовой) частью донного осадка, которая сложена преимущественно слоистыми глинистыми минералами [Рыбалко и др., 2010].

Примером может служить сеть Государственного мониторинга геологической среды шельфа в российской части Финского залива, все станции которого расположены в пределах седиментационных бассейнов – локальных зон накопления современных глинистых осадков, мощность которых может достигать 10м. Выбор всех станций был основан на проведении высокоразрешающего сейсмоакустического профилирования с помощью ЛЧМ-профилографа с рабочей частотой 1-4кГц. Однако, и в местах сложного чередования зон подводной абразии и аккумуляции геофизические методы являются единственным методом, который позволяет целенаправленно выбирать места пробоотбора в зонах современного накопления донных осадков.

Но роль геофизических методов не ограничивается выбором мест интенсивного накопления тонкозернистых осадков – своеобразных коллекторов загрязняющих веществ. В определенных случаях задачей геоэкологических изысканий поиск мест размещения на дне несанкционированных отходов, химических боеприпасов и других антропогенных объектов, а также оценка содержания в них токсичных веществ. Отдельной задачей является оценка содержания в донных отложениях крупных валунов Это важно как для выбора точек опробования, так и для оценки вклада антропогенного загрязнения и разработки программы очистки дня от загрязнения. К таким антропогенным объектам относятся, прежде всего, затопленные суда и малые плавсредства, а также трубопроводы и кабели. Особую роль играют объекты, связанные с затоплением химического вооружения времен Второй Мировой войны, что характерно для Балтийского моря [Рыбалко и др., 2005]. При поиске и картировании антропогенных объектов на дне водных бассейнов главную роль начинают играть методы гидролокации бокового обзора (ГЛБО) (рис.1).

Наиболее важную роль геофизические методы играют при оценке ОГП в морских и озерных бассейнах, что позволяет дать геоэкологическую оценку дна акваторий на основе их сводных карт. Разберем это на нескольких примерах.

Выявление газов в донных отложениях основано исключительно на применении сейсмоакустических методов. В настоящее время газовые выделения относят к категории опасных геологических процессов, а участки морского дна со следами газопроявлений – к геологически опасным территориям III-й категории сложности [Миронюк, Отто, 2014]. Сами газы в этих осадках обычно представлены в основном биогенным метаном с незначительной примесью СО₂, H₂S и др. Выходы газов на поверхность морского дна фиксируются обычно по данным эхолотирования (ГЛБО и МЛЭ): многолучевого и одноканального. С выходом газов на поверхность морского (озерного) дна связаны характерные морфологические формы: так называемые покмарки (газовые кратеры), которые обычно хорошо устанавливаются по данным гидролокации бокового обзора [Алешин и др., 2018]. По данным сейсмоакустических исследований МГУ им. М.В. Ломоносова газонасыщенные отложения лучше всего проявляются именно на данных ССВР и НСАП. Они фиксируются по резкому увеличению амплитуд отражений отрицательной (обратной по отношению к донному отражению) полярности, эффектам частичного или полного экранирования газонасыщенными интервалами нижележащей части разреза, появлению участков с сильно нарушенной и хаотической волновой картиной, запаздыванию регистрации отражений от нижележащих границ.

Геофизические методы широко используются при характеристике гравитационных процессов. Эти процессы развиты в условиях пересеченного рельефа и, особенно, хорошо выдержанных склонов. Опасность для окружающей среды связана, прежде всего, с возможностью разрыва гравитационными потоками и оползнями трубопроводов, проложенных по дну водоемов, что может повлечь вытекание больших объемов нефтепродуктов, что может повлечь за собой крупномасштабное загрязнение морской среды. В соответствии с данными В.Ю. Ионова по механизму движения можно выделить следующие подгруппы подводных гравитационных процессов: обвалы, оползни и потоки (обломочные и турбидные) В одних случаях происходит перемещение больших масс осадочного материала на более низкие батиметрические уровни без особой переработки (оползневые блоки с почти ненарушенной внутренней структурой, slides), в других, имеет место полная переработка и потеря первичных текстурных характеристик отложений (slumps). Характерным является в условиях моря и обилия воды трансформация оползней в зерновые и обломочные потоки в процессе движения по склону. Это явление неоднократно фиксировалось при натурных наблюдениях, а также косвенно подтверждено нами при интерпретации данных сейсмопрофилирования с высоким разрешением в Черноморской впадине [Хлебникова и др., 2018]. Основным геофизическим методом для выявления оползневых тел является сейсмоакустическое профилирование, в результате которого устанавливается их морфология и внутренняя структура осадочной толщи, а также многолучевое эхолотирование (МЛЭ).

Чрезвычайно эффективным эти геофизические методы оказались, в частности, на Черном море, где в ходе работ по проекту «Южный поток» были обнаружены обширные площади морского дна на бровке шельфа, подверженные оползневым процессам. Комплексная интерпретация геофизических данных позволила закартировать сложно построенный структурно-гравитационный склон конуса выноса пра-Дона, который практически весь покрыт лестницей террасовидных поверхностей, сформированных последовательно развивающимися процессами оползания [Хлебникова и др., 2018]. При инженерно-геологических изысканиях под причал проектирующегося СПГ в Амурском заливе при проведении МЛЭ были выявлены многочисленные оползни на подводном склоне п-ва Ломоносова и у его подножья (рис.2). Эти данные позволили выбрать наиболее безопасный вариант строительства причала. Подробный обзор влияния подводных оползней на устойчивость подводных сооружений нефтегазовой отрасли дал В.Ю. Ионов (2012).

Еще одним из ОПГ, где использование геофизических методов имеет решающее значение, являются современные геодинамические движения. Понятно, что главной ареной этих движений является дальневосточный шельф, однако и на шельфе других как окраинных, так и внутренних морей эти движения, формой которых является сейсмотектонические толчки или землетрясения, развиты достаточно отчетливо.

Проведенные в последнее время сейсмоакустические работы на Ладожском и Онежском озерах, а также на Белом море показали наличие большого количества признаков структурного перемещения блоков земной коры, которые сопровождались нарушением сплошности слоев донных отложений верхненеоплейстоценового и даже голоценового возраста. Многие новые проявления разрывных и гравитационных нарушений в толщах донных были установлены в последние годы только за счет применения новых и усовершенствованных методов непрерывного сейсмического профилирования и локаторов бокового обзора. Именно эти методы позволили С.В Швареву и А.А. Никонову составить карту системы активизированных грабенов Кандалакшского залива. На суше и на островах Кандалакшского залива ими и другими авторами установлены многочисленные сейсмодислокации [Шварев, Никонов, 2018], свидетельствующие о недавних тектонических событиях. Важно понимать, что в условиях наличия крутых бортов и многочисленных островов указанные сейсмотолчки являлись своеобразными триггерами для гравитационного перемещения больших масс грунта, что было зафиксировано нами в проливе Великая Салма, отделяющего материк от острова Великий. Сам пролив также имеет структурный характер и возможно возник до еще последнего Осташковского оледенения, ледник которого только промоделировал рельеф уже сформировавшееся депрессии.

Другим опасным геологическим процессом является выпахивающая деятельность айсбергов, стамух и других форм дрейфующих льдов (ледовая экзарация). Характерной морфологической формой этих процессов является сложно построенная система взаимопересекающихся ложбин разного размера и глубиной в первые метры (рис.3). Главным геофизическим методом, позволяющим оценивать как размах этого вида микрорельефа, так и интенсивность опасного для инженерных сооружений рельефообразующего процесса является гидролокация бокового обзора [Миронюк, Иванова, 2018].

Еще одним видом ОПГиЯ, характерным для арктических морей, являются мерзлые породы на арктических морях. Этот вид опасных явлений устойчиво определяется только в результате бурения, но предпосылки для его проведения опять-таки обеспечиваются комплексной интерпретацией данных сейсмоакустического и электроразведочного профилирования. Причем, признаки этого ОПГиЯ, вплоть до наличия мерзлых пород, по геофизическим данным далеки от однозначного решения и, вероятно, что потребуется несколько лет или даже десятков лет, чтобы решить проблему четкой диагностики мерзлых пород на шельфе по геофизическим данным.

Геофизические методы активно применяются и при изучении процессов литодинамики, как прибрежных наносов, где роль прямых геологических наблюдений все-таки преобладает, так и на открытом шельфе на глубинах более 10м, где методы гидролокации являются основными. Наличие таких специфичных форм мезорельефа, как песчаные ленты, песчаные волны и песчаные гряды, их форма, размеры, устанавливаемые по данным гидролокации, позволяют определить, хоть и с некоторой долей вероятности интенсивность подводных течений, направление и мощность литодинамических потоков и прочие параметры, имеющие значение для инженерных расчетов для обеспечения экологической безопасности проектируемых подводных сооружений, и, в первую очередь, подводных трубопроводов.

Геофизические методы широко используются для выявления палеогеоморфологических объектов, в частности погребенных палеодолин (сейсмоакустическое профилирование), выявления сейсмоактивных разломов и других объектов, играющих важную роль при геоэкологическом районировании подводных территорий, которое является существенным элементом при проведении инженерно-геологических изысканий.

Выводы

Приведенные выше примеры показывают, что геофизические методы в геоэкологических исследованиях различного масштаба и назначения играют существенную роль, причем их роль по мере хозяйственного освоения шельфа будет только возрастать. Главным их достоинством является возможность бесконтактным способом оконтуривать площади распространения различных видов ОГП и ОГЯ, также оценивать хотя и относительно, интенсивность их проявления. Ведущими методами является высокоразрешающее сейсмоакустическое профилирование на различных частотах, гидролокация бокового обзора и, стремительно набирающее популярность многолучевое эхолотирование. Меньшее, но иногда крайне важное значение, имеют методы электроразведки, в том числе и методом определения естественного поля, а также магнитометрические и гравиметрические методы. В настоящее время накоплен большой опыт конкретного использования отдельных методов для решения геологических задач различного характера и масштаба. На наш взгляд целесообразным в интересах различных отраслей, проводящих в настоящее время работы на шельфе подготовить методическое руководство по использованию геофизических методов для решения различных геоэкологических задач на шельфе.

Благодарности

Авторы благодарят компанию ООО «РН-Эксплорейшн» за любезно предоставленное разрешение на публикацию данных.

Библиография

1. Алешин М. И., Миронюк С. Г., Токарев М. Ю. и др. Первые итоги изучения покмарок Онежского озера // Процессы в геосредах. 2018. Т.14, №1. С. 732-740.

2. Ионов В.Ю. Опыт исследования подводных оползней для обоснования строительства морских нефтегазовых сооружений // Инженерные изыскания. 2012. № 6. С. 52–63.

3. Миронюк С.Г., Иванова(Гладий) А.А. Микро- и мезорельеф гляциального шельфа Западно-Арктических морей в свете новых данных // Бюллетень Комиссии по изучению четвертичного периода. 2018. № 76. С. 41-58.

4. 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.

5. Рыбалко А.Е., Корнеев О.Ю., Федорова Н.К. Геоэкологический мониторинг районов захоронения химических вооружений в Балтийском море: Комплексные исследования процессов, характеристик и ресурсов российских морей Северо-Европейского бассейна, 2004. С. 499-515.

6. Рыбалко А.Е., Федорова, Н.К., Фокин Д.П. и др. Изменение геохимической структуры донных отложений восточной части Финского залива и его губ под воздействием возросшего антропогенного воздействия за период с 2005 по 2009 г.г.: XI Международный экологический форум «День Балтийского моря». Сборник материалов. СПб. ООО «Макси-Принт», 2010. С. 39-41.

7. Хлебникова О.А. Иванова А.А. Никишин А.М. и др. Анализ гравитационных отложений материкового склона и его подножия в северо-восточной части Черного моря // Вестник Московского университета. Сер. 4. 2018. № 6. С. 29-36.

8. Шварев С.В., Никонов А.А. Морфотектоника бассейна Белого моря в сопоставлении с уточненными характеристиками исторических землетрясений: Материалы Всероссийской научной конференции «Поздне- и постгляциальная история Белого моря: геология, тектоника, седиментационные обстановки, хронология»: сборник статей. 2018. С. 174-180.

9. Шкатов М.Ю., Корнеев О.Ю., Рыбалко A.Е. и др. Государственный мониторинг состояния геологической среды шельфа Балтийского и Арктических морей // Разведка и охрана недр. 2011. №10. С. 43-48.

Geophysical Methods for Solving a Wide Range of Geoecology Problems in The Seas and Large Lakes

A.E. Rybalko, M.Yu. Tokarev, Ya.E. Terekhina, A.S. Loktev, S.G. Mironyuk, A.G. Roslyakov, V.A. Shcherbakov, A.A. Kolyubakin

Geoecological marine research is now widespread and carried out in various forms. Along with classical regional studies, the most common forms: geoecological sampling of bottom sediments, water within the framework of engineering and environmental surveys, geoecological monitoring. State monitoring is currently conducted by the Federal State Budgetary Institution VNIIOkeangeologiya (Far East), VSEGEI (Baltic, White and Barents Seas) and JSC Yuzhmorgeologiya, JSC Rosgeologia (Black, Azov and Caspian Seas). In addition, geoecological studies are partially carried out by Roshydromet subdivisions in terms of determining the pollution of bottom sediments. The range of tasks solved in these works is very wide and varied. The most mobile and, at the same time, informative methods for studying hazardous geological processes in water areas are geophysical methods. Moreover, with the development of both the geoecological direction itself and the instrumental base of measurements, geophysical methods are becoming increasingly important for solving a wide range of problems in the geoecology of seas and large lakes. This report examines examples of the use of geophysical methods in geoecology and discusses the possibilities of expanding the application of these methods for solving specific geoecological problems.