Введение

Изучение проявления опасных геологических процессов и явлений (ОГПиЯ) обычно проводится при работах в крупном масштабе (1:25 000 и 1:50 000 и крупнее), прежде всего, при инженерно-геологических изысканиях под площадки, где предполагается сооружение инженерных объектов, или при проведении геоэкологического мониторинга, опять-таки на объектах достаточно крупного масштаба, который обычно не превышает 1:200 000. Однако, именно работы в рамках различного вида мониторинга геологической среды показало необходимость обобщения полученных результатов для получения целостной картины распространения различных видов ОПГиЯ на шельфах различных морей. Районирование этих процессов и явлений необходимо для выбора правильного и достаточного методического комплекса для выполнения поставленных задач, и, в то же время, без излишних видов геолого-геофизических работ, существенно удорожавших и так дорогих геоэкологических исследований. Потребность в этом также испытывает планирование инженерно-геологических изысканий на шельфах различных морей для предполагаемого сооружения различных подводных инженерных объектов. Накопленный опыт исследования ОГПиЯ в различных организациях позволил перейти к картографическому обобщению проявлений этих процессов и явлений в мелком масштабе. Этой цели отвечало создание «Карты опасных геологических процессов и явлений Арктических морей РФ масштаба 1:5 000 000» которая по заданию Агентства «Роснедра» была создана в ФГБУ «ВНИИОкеангеология» в 2019 году. При этом наглядно стала видна разница как в основных элементах инженерно-геологического строения, так и в особенностях проявления ОПГиЯ на западно-Арктическом и Восточно-Арктическом шельфах. В настоящем сообщении мы хотели бы остановиться на особенностях номенклатуры и пространственного распространения опасных геологических процессов и явлений на Баренцево-Карском шельфе, который и является по существу Западно-Арктическим шельфом. Приводимые материалы и карты основаны на материалах, полученных АМИГЭ, МАГЭ, ВНИИОкеангеологией и другими организациями на конкретных объектах на этих морях преимущественно в 90-х годах прошлого и в начале XXI века.

Общая геоэкологическая характеристика Западно-Арктического шельфа

Западно-Арктический шельф, в состав которого входят Баренцево и Карское моря, в своей значительной части относится к гляциальным шельфам, т.е. испытавшим в четвертичное время неоднократное воздействие покровных ледников. Не вдаваясь в дискуссию по этому поводу, которая лежит за рамками нашего сообщения, отметим, что Баренцевоморский шельф характеризуется расчлененным рельефом, не характерным для шельфовых морей, в целом, переуглубленностью (бровка шельфа лежит на глубинах около 300 м, опускаясь в желобах до 700 м), а также резко сокращенной площадью современных (голоценовых) осадков. На большей его части на дне вскрываются подстилающие отложения от верхненеоплейстоценовых до пород коренного цоколя (вплоть до архея в узкой полосе вдоль северного побережья Кольского полуострова). Стандартный разрез четвертичных отложений Баренцевоморского шельфа представлен обычно отложениями последнего гляциоседиментационного цикла, представленного мореной второй стадии валдайского оледенения, ледниково-морскими и морскими отложениями [Эпштейн и др., 2014]. Эти горизонты обычно разделяются горизонтами размыва, гораздо реже контакт между ними согласный.

Геоэкологическое (инженерно-геологическое) строение Карского моря с одной стороны весьма сходно с Баренцевым, но с другой стороны имеется немало отличий. С одной стороны, в структурном отношении Карское море представляет собой продолжение Западно-Сибирской плиты, в то время как Баренцева плита является самостоятельной геологической структурой, которая надвинута на Карскую плиту. В четвертичное время в Карском море покровное оледенение распространялось только на западную часть бассейна и занимало небольшие площади вокруг Северной Земли. Еще одной особенностью Карского моря, является современное формирование мерзлоты, в то время как это явление в Баренцевом море фиксируется только в его юго-западной части (в Печорском море). Имеются примеры наличия реликтовой мерзлоты в прибрежной зоне полуострова Ямал [Миронюк, Росляков, 2021].

Рельеф дна Карского моря менее расчленен, чем у Баренцева, но существенно меняется в различных районах моря. В юго-западной части моря расположены подводные трансгрессивные равнины с унаследованным рельефом эрозионного расчленения. Между ними  и архипелагом Новая Земля располагается Новоземельский желоб, представляющий краевой прогиб (глубины более 300 м) неотектонического происхождения, не компенсированный современным осадконакоплением. Аккумулятивные равнины развиты в южной части моря (Обь-Енисейский район). Они образовались в результате затопления суши с аккумулятивным рельефом. У берегов Северной Земли рельеф морского дна становится более расчлененным, в формировании его принимали участие ледниково-эрозионные и тектонические процессы. В этом отношении он сходен с рельефом вокруг Земли Франца- Иосифа, что подчеркивается присутствием в обоих случаях фиордовых побережий.

Разрез четвертичных отложений также отличается от баренцевоморского, прежде всего, что из-за отсутствия интенсивной ледниковой экзарации на значительной части шельфа, он включает гораздо более древние отложения. Мощность четвертичных отложений в среднем составляет 60 м, сокращаясь на участках длительной денудации до 10 м, а в прогибах, наоборот, возрастая до 125 м

Наиболее древними из четвертичных отложений являются аллювий и мариний плиоценового возраста, залегающие в древних палеоврезах, подстилающих все геологические одразделения квартера. Эти осадки перекрыты с угловым несогласием плиоцен-неоплейстоценовыми образованиями. В основании их залегает толща нерасчлененных отложений мариния и гляциомариния, возраст которых оценивается как плиоцен-средний неоплейстоцен. Частично эти данные подтверждены бурением в центральной части Карского моря, где были вскрыты нижненеоплейстоценовые и средненеоплейстоценовые отложения, возраст которых был установлен по микрофауне [Эпштейн и др., 2014].

Эти отложения перекрыты осадочными образованиями верхнего неоплейстоцена. Они представлены аллювиально-морскими, ледниковыми и ледниково-морскими отложениями (gIII₄), которые закартированы к востоку от архипелага Новая Земля в диапазоне глубин 150-220 м в виде пояса выраженных в рельефе конечно-моренных гряд, узкой полосой окаймляющих с востока острова Новой Земли, а также вдоль западного побережья архипелага Северная Земля. По своему структурно-текстурному облику, строению разреза, вещественному составу и характеру отображения на временных разрезах сейсмоакустического профилирования глины и ритмиты этого интервала аналогичны так называемым коричневым верхнеплейстоценовым глинам Баренцевоморского шельфа [Рокос и др., 2009]. Венчает разрез толща голоценовых отложений, состоящая из нескольких генетических подразделений: ледниково-морских, морских нефелоидных, морских волновых, морских флювиальных и аллювиально-морских отложений, что в Карском море отмечается большее воздействие криогенных процессов на рыхлые осадки, чем в юго-восточной части Баренцева моря (Печорском море), что влияет на физико-механические показатели. Одним из важнейших последствий этого процесса является возрастание плотности донных отложений в Карском море по сравнению с Баренцевым.

Принципы выделения ОГП и их отображение в легенде

В акваториях ОГП стали привлекать внимание по мере хозяйственного освоения дна акваторий, что произошло во второй половине XX века. Освоение шельфа нефтегазовыми компаниями привело к появлению таких явлений как проседание грунта на обширных площадях, активизация геодинамических процессов, прежде всего, сейсмических толчков и пр. Прокладка протяженных трубопроводов по дну морей, изначально ограниченный доступ к ним для технического обслуживания – все это приводит к появлению повышенных требований к изучению геологического субстрата для инженерных сооружений и, прежде всего, процессов, приводящих к изменению морфологии морского дна и возможному нарушению прочности сооружаемых объектов.

Легенда Карты опасных процессов состоит из двух частей: собственно легенды опасных геологических процессов (ОПГ) и легенды к базовой основе, которая в настоящее время принимается нами на геоморфологической основе. Рельеф морского дна, во-первых, является единственным объектом, который изучен практически на всей поверхности морского дна шельфовых морей, во-вторых, он является достаточно универсальным признаком для интерпретации очень многих геологических процессов и явлений, в том числе неотектонических движений, распределения донных осадков, выделения газов и пр.

В первой части легенды выделяются следующие опасные геологические процессы:

1. Газосодержащие осадки, осадочные породы и интервалы приповерхностного аномально высокого пластового давления (АВПД) относят к категории опасных геологических процессов, способных вызвать бедствие на акватории, а участки морского дна со следами газопроявлений - к геологическим опасным территориям III-ей категории сложности [Миронюк, Росляков, 2021]. В осадках нахождение газа определяется по следующим признакам: пузырение поверхности керна, самопроизвольное набухание керновых образцов, фонтанные выбросы газо-водяной смеси и пр. Основным методом выделения газосодержащих осадков являются сейсмоакустические высокоразрешающие методы, а конкретными показателями их присутствия в разрезе - резкое увеличение амплитуд отражений отрицательной (обратной по отношению к донному отражению) полярности, вызванного возрастанием коэффициента отражения, а также амплитудные аномалии типа «яркое пятно», сопровождающиеся эффектом экранирования разреза и снижения частоты отражений. Газовые скопления широко развиты в донных осадках Карского моря, но особенно часто они встречаются в зонах развития мерзлых грунтов, точнее в зоне их протаивания, т.к. именно при этом процессе происходит высвобождение газа и заполнение им пор коллекторов, лучшими из которых являются песчаные отложения. Глинистые осадки в этом случае служат покрышкой, причем именно плотность осадков, слагающих эту покрышку и определяет величину избыточного давления. Известны выбросы газов, которые происходили с горизонтов от 10 до 70 м ниже поверхности дна на участках, где развиты реликтовые многолетнемерзлые льдистые отложения. Вероятно, здесь зоны АВПД приурочены к сосредоточенным скоплениям газа в линзах талых проницаемых песчаных отложений внутри мерзлой толщи (межмерзлотные газовые скопления) или к положительным структурам кровли под мерзлотных талых образований, обладающих соответствующей пористостью (подмерзлотные газовые скопления).

При изображении газовых скоплений на карте выделены следующие типы газонасыщенных осадков:

- единичные проявления газонасыщенных илов, которые могут быть выделены либо по сейсмограммам, либо по данным описания кернов на мелкомасштабной карте не показываются;

- выявленные по данным сейсмоакустического профилирования или геологического пробоотбора скопления газов в донных (рыхлых) отложениях четвертичного и плиоцен-четвертичного возраста. Предполагается, что если по данным геологического опробования и геохимического изучения донных осадков будет установлена генетическая принадлежность газов, то они будут подразделены на биогенные (поверхностные) и глубинные (принадлежность предполагается показывать римскими цифрами зеленого цвета);

- в отдельных случаях на карте также показаны скопления газов в дочетвертичных отложениях, которые могут рассматриваться как глубинный источник газофлюидов. Однако, в настоящее время по этому вопросу очень мало данных, т.к все такие скопления выявлены на лицензионных участках и в открытой печати данные о них отсутствуют.

На карте также показаны поля развития покмарок – индикаторов выхода газов на поверхность морского дна.

Многолетнемерзлые породы в Карском море отражают переход от практически лишенного подводной мерзлоты Баренцева моря к морям Восточно-Арктического шельфа, где мерзлотные явления развиты широко из-за осушения шельфа в период ледниковой регрессии. Преобладающим типом распространения мерзлых пород на шельфе Карского моря является редкоостровная субаквальная и в этих условиях данные о распространении и характере подземной мерзлоты на шельфах чрезвычайно важны для оценки опасных инженерно-геологических процессов, связанных как собственно с деградацией криолитозоны, так и с приуроченными к ней скоплениями свободного газа (газовые карманы) и газовых гидратов криогеннного генезиса, о чем говорилось выше. При этом прямые сведения о распространенности реликтовой субмаринной мерзлоты и ее мощности на арктическом шельфе (мерзлота ограничивается нулевой изотермой) весьма скудны. О существовании ее есть обширный спектр мнений: от практически полного отрицания присутствия ММП на шельфе, до почти сплошного их распространения. Результаты буровых работ уверенно показывают наличие ММП на прибрежных мелководьях, но отсутствуют на больших глубинах, что не позволяет корректно пользоваться методами прямой экстраполяции. Важно иметь ввиду, что имеющиеся данные бурения на шельфе Карского моря существенно сокращают площади погребенных льдов или ММП. При этом для Карского моря вопрос развития мерзлоты существенно осложняется тем обстоятельством, что значительная (ныне глубоководная) его часть явно была покрыта водой и в момент максимального снижения уровня моря. Таким образом на Карте ОГП арктического шельфа показаны следующие элементы криолитозоны:

- местоположение скважин, где был вскрыт лед (внемасштабными знаками);

- поля распространения мерзлоты островного типа;

- поля развития сплошной мерзлоты (на севере моря);

Современные гравитационные процессы развиты в Восточно-Арктическом желобе. Это крутые склоны, на которых развиты процессы сплошного гравитационного перемещения материала, каньоноообразные ложбины, секущие склоны и турбидитовая по генезису аккумулятивная равнина на дне желоба. Второй зоной их проявления, где гравитационные процессы имеются, но выражены слабее склоны желобов Святой Анны и Воронина. Здесь, судя по сейсмоакустическим данным, больше развиты процессы оплывания, нежели оползания.

Критериями для выделения гравитационных склонов на данном этапе являлись: ступенчатые крутые склоны с отчетливыми зеркалами скольжения, сдвоение геологических разрезов за счет формирования структур оплывания, прямолинейные участки донного рельефа.

Ледовое выпахивание или экзарация обусловлена механическим воздействием плавучих льдов, айсбергов и стамух на дно моря. Ледовитость Карского моря существенно выше, чем Баренцева. Льды, наступающие со стороны моря, скапливаются у берегов, под воздействием течений и ветра, они образуют ледовые поля, торосы, стамухи, навалы, которые и производят на морском дне ледовое выпахивание. Воздействие айсбергов на морское дно происходит по тому же сценарию, но отличается гораздо большим размахом и, соответственно нагрузками. Опасность этого явления заключается в том, что в местах дрейфа айсбергов практически нельзя ставить плавучие нефтегазопромысловые сооружения, т.е. препятствовать навалу ледяной массы невозможно или это требует непропорциольнально высоких затрат. Для прогноза зон ледового воздействия используются данные боковой гидролокации. По их данным выделяются границы зон активного воздействия плавучих льдов на морское дно. Эти зоны располагаются в юго-западной части Карского моря, на мелководье Обской и Гыданской губ [Рыбалко и др., 2020].

Специфической особенностью Карского моря является наличие многочисленных палеодолин, причудливый рисунок которых отчетливо выделяется в средней части моря. Размер этих долин различен, геологическая опасность их заключается в чередовании грунтов с различными физико-механическими показателями и, прежде всего, плотностью и сопротивлением к внедрению. Опасность представляет и наличие крутых углов наклона бортов долины. Значительная часть контуров заимствована нами с карты четвертичных отложений и эти долины нанесены по данным сейсмоакустического профилирования. При этом отсутствует закономерная картина распространения этих долин как единой речной сети. Не могут быть эти формы рельефа и долинами подледникового стока, сколь сам ледник на этой части Карского моря отсутствовал согласно принятой нами модели оледенения. Возможно, что часть этих долин в погребенном составлении представляет собой талики, но это предположение требует переинтерпретации полученных данных. При этом одним из удивительных факторов является отсутствие данных о долине Палео-Оби, хотя эта долина четко видна на сейсмограммах внутри Обского эстуария. Таким образом, вопрос с генезисом многочисленных паледолин не закрыт.

Отметим также, что в северной части Карского моря такие долины практически отсутствуют за исключением вершины желоба Воронина, куда открывается вполне разумная затопленная речная сеть [Montelli et al, 2019].

Выводы

Карское море с точки зрения проявления опасных процессов является сложно устроенным и четко распадается на центральную часть, где как раз и находится подавляющее большинство выявленных объектов нефтегазовой отрасли, и северную. В латеральном отношении, как с точки зрения геодинамической инженерной геологии, так и проявления ОГП Карское море представляет пограничную зону между баренцевоморским шельфом и Восточно-Сибирским с его плоским мелководным шельфом, полностью осушающимся в период оледенения.

Основными опасными геологическими процессами на карте ОГП арктического шельфа РФ показаны: скопления газов, распространение островной мерзлоты, причем это явление требует дальнейших исследований, в том числе и с точки диагностики мерзлых пород сейсмоакустическими методами и наличие многочисленных палеодолин. Этот вопрос также до конца не решен и требует дальнейших исследований, в том числе и с точки зрения их опасности для конкретных подводных инженерных сооружений. Еще одним важным ОГП является гравитационное перемещение осадочных масс, но локализация этих процессов ограничена Восточно-Новоземельским желобом и желобами Святой Анны и Воронина.

Областью же развития интенсивных гравитационных процессов различного вида служит континентальный склон, изученный совершенно недостаточно. Локально можно ожидать проявления современных геодинамических процессов, особенно около южной оконечности Новой Земли. Несомненно, более широкое распространение имеют процессы ледового выпахивания или скоуринга, но именно в Карском море мы испытываем недостаток геофизических данных.

Благодарности

Работа выполнена при поддержке НИР «Разработка методов выявления и анализа опасных геологических процессов и явлений в акватории Арктической зоны Российской Федерации» (номер договора - 6-12-2020, номер ЦИТИС AAAA-A20-120080690051-4).

Библиография

1. Миронюк С.Г., Росляков А.Г. Мерзлые грунты шельфа арктических морей: подходы к обнаружению и изучению // Фундаменты. 2021. № 1. С. 17-21.

2. Рокос С.И., Длугач А.Г., Костин Д.А. и др. Многолетнемерзлые породы шельфа Печорского и Карского морей: генезис, состав, условия распространения и залегания // Инженерные изыскания. 2009. № 10. С. 38–41.

3. Рыбалко А.Е., Миронюк С.Г., Росляков А.Г., Колюбакин А.А., Соловьева М.Е., Терехина Я.Е., Токарев М.Ю. Новые признаки покровного оледенения в Карском море: мегамасштабная ледниковая линейность в Восточно-Новоземельском желобе // Рельеф и четвертичные образования Арктики, Субарктики и Северо-Запада России. 2020. Вып. 7. С. 175-181.

4. Эпштейн О.Г., Длугач А.Г., Старовойтов А.В. Сейсмостратиграфия осадочного покрова как основа прогноза инженерно-геологических условий Баренцевоморского шельфа // Инженерная геология. 2014. № 5. С. 30-41.

5. Montelli A., Dowdeswell J.A., Pirogova A., Terekhina Ya., Tokarev M., Rybin N., Martyn A., Khoshtariya V. Deep and extensive meltwater system beneath the former Eurasian Ice Sheet in the Kara Sea // Geology. 2019. Vol. 48. Is. 2. P. 179-183.

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

HAZARDOUS GEOLOGICAL PROCESSES ON THE BARENTS-KARA SHELF AND THEIR DISPLAY ON THE «MAP OF HAZARDOUS GEOLOGICAL PROCESSES ON THE ARCTIC SHELF OF THE RUSSIAN FEDERATION ON A SCALE OF 1: 5000000» 

Geophysical methods have recently been increasingly used in geoecological studies, including engineering and geological surveys and state monitoring of the shelf subsoil. The most widely used are various types of seismoacoustic profiling, side-scan sonar, multi-beam echo sounding. Seismoacoustic methods give an idea of the morphology of geological bodies and indirectly indicate their genesis and composition of the enclosing sediments. They are most widely used in the assessment of gaseous sediments and in the identification of gravitational processes. Side-scan sonar makes it possible to identify zones of ice scouring, to give the dimensions of relief mesoforms, as well as to estimate the intensity, type and direction of lithodynamic flows. Multi-beam echo sounding allows one to assess the morphlology of the seabed over large areas and to distinguish various genetic types of relief with their quantitative characteristics. The report provides numerous examples of the use of geophysical methods for solving vary tasks.