Введение

Под диамиктонами или мореноподобными отложениями в данной работе понимаются неслоистые глинистые отложения, состоящие из смеси песчаных, пылеватых и глинистых частиц и содержащие в своем составе крупнообломочные включения. Мореноподобные глинистые грунты широко распространены в указанной части шельфа, в т.ч. и на площадях нефтегазовых месторождений и перспективных структур. Характер распространения, залегания и физико-механические свойства диамиктона во многом определяют инженерно-геологические условия описываемого региона. Целью работы является реконструкция условий формирования физико-механических свойств и акустической структуры диамиктоновых толщ. В представленном докладе рассматриваются диамиктоны, развитые в относительно глубоководной части баренцевоморского шельфа (глубина моря более 100м), не затронутой процессами промерзания при последней регрессии и последующего таяния многолетнемерзлых отложений при трансгрессии современного бассейна. Использованы материалы, полученные при инженерно-геологических изысканиях, выполненных АО «Арктические Морские Инженерно-Геологические Экспедиции»

Проблема генезиса баренцевоморских диамтиктонов

Толща диамиктонов развита на шельфе Баренцева моря в виде прерывистого покрова мощностью 10-50м. Генезис диамиктонов баренцевоморского шельфа остается до настоящего времени дискуссионным. Одна часть исследователей, указывая на несортированный гранулометрический состав и наличие крупнообломочных включения при преобладающей массивной текстуре, а также переуплотненное твердое-тугопластичное состояние рассматривают их как основные морены последнего валдайского оледенения [Гатауллин, Поляк, 1990; Павлидис, 1997; Elverhoi, Bomstad, 1980]. На это, по мнению этих исследователей, указывает и в основном неслоистая  хаотично-рябистая структура рисунка сейсмической записи, отличающая их от вышележащих акустически слоистых бассейновых послеледниковых осадков [Эпштейн, Длугач, Старовойтов, 2014].

Другие исследователи [Крапивнер, 2009; 2014; Крапивнер, Гриценко, Костюхин, 1986; Рокос, Люстерник, 1982], ссылаясь на наличие в составе данных отложений остатков морской фауны (прежде всего, фораминифер) и преимущественно морской тип засоления считают эти образования ледово-морскими и/или ледниково-морскими переуплотненными отложениями верхненеоплейстоценового и/или нижне-средненеоплейстоценового возраста. При этом отмечается, что гранулометрический состав диамиктонов аналогичен по своей сортированности и содержанию крупнообломочных включений современным осадкам арктических морей, а массивные разности постепенно замещаются в разрезе и по латерали слоистыми образованиями.

В последнее время оформилась и компромиссная точка зрения, согласно которой на шельфе Баренцева моря имеют место четвертичные как ледниковые, так и ледово-морские отложения. Эта гипотеза нашла свое отображение на государственных геологических картах четвертичных отложений и объяснительных записках к ним листов R-(35), 36; R-37, 38; R-39, 40 и др. [Гусев, Костин, Рекант, 2012]. Возраст диамиктонов при этом изменяется в диапазоне от нижнего неоплейстоцена до верхней ступени верхнего неоплейстоцена (поздневалдайского или вейхзельского времени).

Не углубляясь в дискуссию между вышеупомянутыми гипотезами скажем, что авторы склоняются скорее ко второй и третьей гипотезам, т.к. они в большей степени соответствуют имеющемуся фактическому материалу.

Стратиграфия, литология и физико-механические свойства

В целом, согласно нашим представлениям, основанным на данных бурения и сейсмоакустического профилирования, подкрепленных данным фораминиферовых анализов и абсолютными датировками (палеомагнитными, аминокислотными, уран-йониевыми и термолюминисцентными), толща баренцевоморских диамиктонов (в представленном докладе будем называть ее диамиктоновым надкомплексом) расчленяется на два комплекса. Залегающий в основании полных разрезов толщи комплекс морских, ледово-морских нижне-средненеоплейстоценовых отложений (m,mgI-II) имеет мощность в основном 10-30м, в отдельных локальных палеодепрессиях он наращивается до 50-70 м и более. В разрезе микулинского верхненеоплейстоценового комплекса нами выделено на два подкомплекса. Мощность  морского, ледово-морского нижнемикулинского подкомплекса (m,mgIII¹mk₁) в среднем составляет 10-20 м. Мощность толщи морского, ледово-морского нижнемикулинского (m,mgIII¹mk₂), венчающего разрез, не превышает 5-7 м.

Диамиктоновые отложения представлены в основном глинисто-суглинистыми грунтами с включениями крупнообломочного материала. Преобладают неслоистые образования. Слоистость встречается лишь в подошве толщи нижне-средненеоплейстоценового комплекса и, иногда, в образованиях верхнемикулинского подкомплекса.

По своим физико-механическим свойствам выделяется два типа разрезов диамиктона. В разрезах первого типа образования нижне-средненеоплейстоценового комплекса и нижнемикулинского подкомплекса сложены в основном переуплотненными суглинками и глинами тугопластичной-твердой консистенции. Плотность этих образований превышает 2.0 г/см³, влажность не более 20%, пористость 35-40%, сопротивление недренированному сдвигу выше 150 КПа. Характерно, что гравитационное уплотнение (увеличение с глубиной плотности и прочности при параллельном снижении влажности, пористости и текучести) выражено слабо. Грунты нижне-средненеоплейстоценовый комплекса твердой-полутвердой консистенции консолидированы в несколько большей степени, чем вышележащие образования нижнемикулинского комплекса, имеющие в основном тугопластично-полутвердую консистенцию (Рис. 1).

Значения коэффициентов переуплотнения данных отложений (отношение давление преконсолидации к сегодняшнему бытовому или горному давлению) в нижне-средненеоплейстоценовых и нижнемикулинских образованиях достаточно велики и достигают 6-8 и более.

Описанные переуплотненные образования перекрываются маломощной толщей слабоконсолидированных верхнемикулинских грунтов. В разрезе данного подкомплекса отмечается интенсивное изменение консистенции от текучепластичной в кровле до тугопластичной в подошве. Наблюдаются и соответствующие относительно высокие градиенты изменения значений показателей свойств в разрезах этой толщи. Значения коэффициента переуплотнения составляют 1.0-1.5.

По данным вертикального сейсмического профилирования, проведенного в скважине №482, интервальные скорости распространения упругих волн в переуплотненных твердых-полутвердых глинисто-суглинистых ниже-средненеоплейстоценовых отложениях 1770-1890 м/сек. В полутвердых-тугопластичных глинистых образованиях нижнемикулинского подкомплекса эти скорости составляют около 1650 м/сек. Это существенно выше значения 1550 м/с, которое обычно принимается для построения глубинных разрезов в толщах четвертичных нелитифицированных отложений.

Разрезы второго типа представлены нормальноуплотненными образованиями. В этих разрезах в кровле диамиктонового надкоплекса развиты текучие глинисто-суглинистые разновидности и илы верхнемикулинского подкомплекса. По направлению вниз по разрезу текучие разновидности постепенно замещаются мягко-текучепластичными, а затем и тугопластичноыми грунтами нижнемикулинского подкомплекса и нижне-средненеоплейстоценового комплекса (Рис. 2). Плотность грунта возрастает вниз по разрезу от 1.65-1.75 до 2.10 г/см³ и выше, сопротивление недренированному сдвигу - от 8-10 до более 90 КПА. Влажность и пористость при этом снижается от 45-55 до 21-22% и от 45-55 до 27-28% соответственно. Значения коэффициентов переуплотнения в описываемых разрезах близки к единице.

Сейсмостратиграфия и акустическая структура

Подошва диамиктонового надкомплекса- отражающая граница «Д₀», соответствует верхнему региональному несогласию- подошве новейших (верхнекайнозойских) отложений. Она относительно ровная и, с четко выраженным угловым и эрозионным несогласием, срезает слоистые структуры подстилающих мезозойских (MZ) отложений (Рис. 3). Отражающий горизонт «Д₁» выделяются достаточно редко и, как правило, не четко. Чаще всего он определяется по разнице фона рисунка записи. Вышележащие образования (m.mgIII¹mk₁) отличаются более светлым и однородным фоном, а подстилающие нижне-средненеоплейстоценовые (m,mgI-II) относительно темнее и более неоднородны. Реже эта граница может иметь и выраженный фазовый характер.

Толщи нижне-средненеоплейстоценового комплекса и нижнемикулинского подкомплекса образуют в пределах описываемой части шельфа Баренцева моря достаточно выдержанные по простиранию покровы. Верхнемикулинский подкомплекс сформирован чередующимися локальными массивами, разделенными ложбинами, тальвеги которых опираются на отражающую границу «Е₀», соответствующую подошве данного подкомплекса.

Кровля верхнемикулинского комплекса (отражающая граница «Е₁») довольно сильно расчленена. На участках, где кровля подкомплекса экспонирована на поверхности и совпадает с поверхностью дна (граница «F») она формирует характерный мезорельеф (Рис. 3, 4). В большинстве районов баренцевоморского шельфа отражающая граница «Е₀», соответствующая подошве подкомплекса, проявляется достаточно четко. В отдельных районах она практически не выражена или коррелируется по слабому изменению фона рисунка сейсмической записи.

Ранее было установлено [Гусев, Костин, Рекант, 2012; Эпштейн, Длугач, Старовойтов, 2014; Эпштейн, Старовойтов, Длугач, 2010], что на шельфе Баренцева моря развито два типа неоплейстоценовых диамиктоновых толщ, отличающихся друг от друга по характеру рисунка сейсмической записи (акустической структуре). Первый тип отличается относительно темной неслоистой рябисто-крапчатой структурой (Рис. 5). Внутри толщи нередко наблюдаются дифракционные оси, связанные, очевидно, с наличием крупных обломков твердых пород.

Второй тип имеет акустически прозрачную (с относительно небольшим числом внутренних неоднородностей) в основном не слоистую акустическую структуру (Рис. 6). Толща с акустически прозрачной структурой была вскрыта скважинами №№1 и 86 на склонах Мурманской банки.

Кроме того, на некоторых участках в отложениях верхнемикулинской толщи (m,mgIII¹mk₂) прослеживается более или менее четкая акустическая слоистость. В основном эти районы приурочены к области развития акустически прозрачных диамиктоновых толщ.

На большей части шельфа развиты в основном образования первого типа с рябисто-крапчатой акустической структурой. Акустически прозрачные толщи наблюдаются лишь в отдельных районах, наиболее крупный из которых расположен на западных, юго-западных склонах Мурманской банки (Рис. 7).

Обсуждение результатов

Как было показано ранее в работе [Эпштейн, Длугач, Старовойтов, 2014; Эпштейн, Старовойтов, Длугач, 2010] диамиктоны баренцевоморского шельфа с рябисто-крапчатой акустической структурой рисунка сейсмической записи наблюдаются в районах распространения переуплотненных глинисто-суглинистых образований твердой-тугопластичной консистенции. Другие районы, где на временных разрезах толщи диамиктона имеют акустически прозрачную структуру, приурочены к областям распространения нормальноуплотненных образований (Рис. 7).

С точки зрения гляциальной теории генезиса мореноподобных отложений шельфа Баренцева моря переуплотненное состояние и относительно высокая степень их консолидации обусловлены давлением, которое создавал верхненеоплейстоценовый осташковский (поздневалдайский) или вейхзельский ледниковый щит на свою основную морену [Эпштейн, Старовойтов, Длугач, 2010; Elverhoi, Bomstad, 1980; Saettem, Rise, Westergaard, 1991]. Также для объяснения данного явления используется весьма спорный эффект «лоджемента» (lodgement). Нормально уплотненные образования рассматриваются при этом как флоу-тилл (flow-till). Маринистская теория, пытаясь связать переуплотненное состояние и высокую степень консолидации диамиктонов, со смешанным зерновым составом и произвольной цементацией [Рокос, Люстерник, 1982; Крапивнер, 2009], убедительных объяснений этому явлению все же не дает.

По нашему мнению переуплотненные диамиктоны твердой-тугопластичной консистенции являются морскими и ледово-морскими осадками нижне-средненеоплейстоценового и микулинского верхнеоплейстоценового возраста. Их переуплотненное связывается с воздействием давления более молодого ледникового щита. Этот ледниковый щит перекрывал сформированную в бассейновых условиях толщу в течение позднего неоплейстоцена в осташковское (поздневалдайское) или, скорее всего, в более раннее калининское (ранневалдайское) время.

Переуплотнение под действием ледниковой нагрузки вызвало, как мы предполагаем,  переориентацию частиц, минеральных агрегатов и структурно-текстурных элементов диамиктоновых отложений. Это привело к тому, что первичная седиментационная структура данной толщи оказалась нарушенной. Кроме того, сжатие пылевато-глинистых агрегатов и порового пространства вызвало увеличение объемной концентрации крупных твердых частиц. Указанные явления сформировали в толщах переуплотненных мореноподобных отложений множество локальных (точечных) объектов, которые отражают и рассеивают сейсмический сигнал, формируя тем самым рябисто-крапчатую структуру рисунка записи на сейсмоакустических временных разрезах.

На участках шельфа, где ледник не касался своей подошвой морского дна или контакт ледника и дна был не продолжителен, ледово-морские осадки сохранили свое нормально уплотненное состояние. Их седиментационная структура,  в отличие от переуплотненных образований, не претерпела существенных изменений. В силу этого, акустическая структура толщи, которая в значительной степени контролируется седиментационной, имеет акустически прозрачный характер. Подобная акустическая структура часто отмечается на сейсмоакустических временных разрезах толщ послеледниковых бассейновых осадков.

Как показывает ряд палеогеографических реконструкций, валдайский ледник был пассивным и малоподвижным [Гусев, Костин, Рекант, 2012]. Он не производил существенной геологической работы и не отложил при своем таянии мощной морены. Когда данный ледник покрыл толщу ранее сформированных морских, ледово-морских осадков произошло выдавливание слабоконсолидированных глинисто-суглинистых осадков прикровельной части микулинского комплекса в трещины и положительные изгибы поверхности ледниковой подошвы. Это позволило указанным грунтам избежать интенсивного переуплотнения, которому подверглись более глубокие горизонты диамиктоновой толщи. После таяния ледникового покрова данные грунты сформировали верхнемикулинский подкомплекс, поверхность кровли которого («Е₁») и образовала  характерный расчлененный рельеф (Рис. 3, 4), представляющий собой отпечаток  подошвы ледника (морфоскульптуру).

В кровле основной морены подобный рельеф образоваться не может, т.к. сама эта морена формируется при вытаивании из подошвы ледника захваченного обломочного материала. Соответственно, базальная морена должна перекрывать рельеф, выработанный ледником в подстилающих отложениях. Кроме того, образования, слагающие элементы этого рельефа должны быть переуплотнены не в меньшей степени, чем и нижележащие. Однако, грунты толщи верхнемикулинского подкомплекса, кровля которого и формирует указанный рельеф, отличаются от подстилающих более слабой консолидированностью, а степень их переуплотнения ниже. Это ясно указывает на то, что рассматриваемый диамиктоновый надкомплекс имеет довалдайский возраст.

Выводы

Переуплотненные твердые-тугопластичные диамиктоны шельфа Баренцева моря представляют собой бассейновые осадки нижне-средненеоплейстоценового и верхненеоплейстоценового возраста, консолидированные давлением более молодого валдайского ледникового щита. Этим образованиям соответствуют акустические фации с рябисто-крапчатой структурой рисунка сейсмической записи. Такая акустическая структура связана с переуплотненным состоянием данных отложений.

Предполагается, что рябисто-крапчатая акустическая структура была  образована в результате переориентации минеральных частиц, агрегатов и структурно-текстурных элементов под действием давления ледникового массива. Кроме того, объемное сжатие толщ диамиктонов, сопровождавшее переуплотнение, вызвало увеличение концентрации твердых грубых частиц и обломков. Эти факторы привели к появлению в осадочной толщи множественных мелких объектов, отражающих и рассеивающих сейсмический сигнал. Указанные объекты и составляют элементы ряби и крапчатости, наблюдаемые на сейсмоакустических временных разрезах.

Нормально уплотненные диамиктоны сфомированы на участках шельфа, который ледник не покрывал или не касался там своей подошвой морского дна на протяжении достаточно длительного времени. Благодаря этому, данные образования сохранили свое нормально уплотненное состояние, а также первичную седиментационную и, обусловленную ей, акустическую прозрачную структуру.

Рельеф поверхности дна, связываемый с ледниковой морфоскульптурой, был образован за счет выдавливания отложений верхней части микулинского горизонта в пустоты и трещины перекрывающего ледникового покрова.

Библиография

Гатауллин В.Н., Поляк Л.В. О присутствии ледниковых отложений в Центральной впадине Баренцева моря // Доклады АН СССР, 1990, том 314, № 6, с. 1463-1467

Гусев Е.А., Костин Д.А., Рекант П.В. Проблема генезиса четвертичных образований Баренцево-Карского шельфа (по материалам Государственной геологической карты Российской Федерации масштаба 1:1 000 000) // Отечественная геология. 2012, № 2, с. 84-89

Крапивнер Р.Б. Происхождение диамиктонов Баренцевоморского шельфа // Литология и полезные ископаемые, 2009, № 2, c. 133-148

Крапивнер Р.Б. К вопросу о генезисе новейших отложений Баренцевоморского шельфа // Литология и полезные ископаемые. 2014. № 4. С. 306-322

Крапивнер Р.Б., Гриценко И.И., Костюхин А.И. Сейсмостратиграфия новейших отложений Южно-Баренцевского региона // Кайнозой шельфа и островов Советской Арктики. Л. Изд-во ПГО «Севморгеология». 1986. с. 7-14.

Павлидис Ю.А. Палеогеография и оледенение Арктического шельфа в позднем плейстоцене // Океанология. 1997, Т. 37, №6, с. 910-914.

Рокос С.И. Люстерник В.А. Формирование состава и физико-механических свойств плейстоценовых отложений южной и центральной частей шельфа Баренцева моря (генетический и палеогеографический аспекты). Киев, 1992г, препринт, АН Украины, Ин-т Геологических наук, 87 с.

Эпштейн О.Г., Старовойтов А.В., Длугач А.Г. «Мягкие» морены в Арктике и Антарктике– новый фациальный тип ледниковых отложений // Бюллетень Московского общества испытателей природы. Отд. геол., 2010, Т. 85, Вып. 2, с. 23-44.

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.

Elverhoi A., Bomstad K. Late Weichselian glacial and glaciomarine sedimentation in the western, central Barents Sea. Oslo : Norsk Polarinstitut, 1980, 29 p.

Saettem J., Rise L., Westergaard D.A. Composition and properties of glacigenic sediments in the south-western Barents Sea // Marine Geotechnology, 1991, v.10, №3-4, p. 229-252.

Rokos S.I., Kulikov S.N., Skurikhin V.A., Sokolov P.V.

ENGINEERING-GEOLOGICAL INTERPRETATION OF THE ACOUSTIC STRUCTURE OF THE DIAMICTON STRATA OF THE BARENTS SEA SHELF

Diamictons are mainly massive clay-silty clay with coarse-grained inclusions. There are two types of sections of diamicton formations in considered region. The first type is composed of overconsolidated stiff to hard soils. These formations have a ripple-mottled acoustic structure on shallow seismic time sections. Normally consolidated sediments represent the second type. In the upper part of sections there are very soft to soft varieties, which are gradually replaced with depth by firm, and then by stiff to very stiff ones. The similar deposits have an acoustically transparent structure. It is assumed, that these are Upper Neopleistocenian and Lower-Middle Neopleistocenian marine, glacial-marine sediments. Overconsolidated sections were formed by younger glacier pressure. The mottled acoustic structure of overconsolidated sediments is due to reorientation of particles and mineral aggregates under the pressure of the glacier, as well as an increase in the concentration of coarse-grained inclusions due to a decrease in the total volume of the soil mass as a result of compression. Normally consolidated sediments are developed in areas that were not covered by a glacier, or where it did not touch the bed with its bottom. Due to this, the described soils avoided overconsolidation and retained their original acoustically transparent structure.