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

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

Таким образом, можно сказать, что сейсмостратиграфия не столько вносит новые идеи в практику интерпретации сейсмических данных, но, скорее, систематизирует приемы интерпретации высокоразрешенных изображений, используемые геологами-практиками.

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

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

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

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

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

На временных разрезах непрерывного сейсмоакустического профилирования, полученных при инженерно-геологических исследованиях, выполненных в мелководных районах Печорского и Карского морей, часто наблюдаются зоны потери корреляции отражающих горизонтов и амплитудные аномалии типа "яркое пятно" (рис. 1). Эти явления связываются с наличием в осадках свободного газа.

В пределах мелководных районов Печорского и Карского морей в верхней части разреза повсеместно развит мощный (100-150 м) покров неконсолидированных плиоцен-четвертичных отложений. Верхняя часть этого покрова (на глубину до 50-100 м ниже поверхности дна) представлена образованиями верхнего плейстоцена и голоцена. В составе верхнеплейстоценовых отложений выделяется три комплекса. Самый древний из них mIII¹ представлен морскими глинисто-суглинистыми образованиями мягкопластичной-полутвердой консистенции. Его мощность составляет в среднем около 30-50 м. Он коррелируется нами с казанцевской свитой севера Западной Сибири. Выше по разрезу развиты аллювиальные пески комплекса aIII². Состав песков от мелкого до пылеватого. Эти пески коррелируются нами с зырянским горизонтом. Мощность данного комплекса составляет около 15-25 м. Венчается разрез верхнего плейстоцена морскими отложениями комплекса mIII^3-4. Голоценовые осадки (mIV) представлены в основном супесчаными и суглинистыми образованиями, которые местами замещаются тонкими песками. Мощность голоценовых осадков составляет в основном 1-2 м. В отдельных районах она возрастает до 5-6 м.

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

В пределах мелководных зон Печорского и Карского морей зона развития газонасыщенных грунтов, испытавших промерзание в течение позднего плейстоцена, ограничивается изобатами 50-70 м (рис. 2). Глубже указанных отметок явления, связанные с газонасыщением и промерзанием, постепенно исчезают. На общем фоне сложных сейсмогеологических условий Печорского моря, связанных с газосодержанием в донных грунтах, и криогенным воздействием на осадочный разрез в позднем плейстоцене, отмечаются отдельные зоны, не затронутые указанными явлениями. Наиболее крупная из таких зон отмечается у восточного побережья о. Колгуев. В морфоструктурном отношении она приурочена к Восточно-Колгуевскому прогибу. Сейсмогеологические условия этой зоны достаточно просты. Толщи развитых здесь донных грунтов практически не содержат свободного газа. Вероятно, в течение регрессивных этапов позднего плейстоцена здесь сохранялся реликтовый бассейн или же имела место крупная речная долина (дельта), что препятствовало промерзанию осадков и не привело к их последующему насыщению свободным газом.

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

Тонкая акустическая слоистость, наблюдаемая в рассматриваемых осадках, обусловлена высокой корреляцией по латерали тонких флуктуации свойств. Такая корреляция характерна для высокооднородных сред, таких например, как различного вида вязкие жидкости. При уплотнении, в результате переориентации частиц и текстурных элементов, корреляция отдельных тонких слойков нарушается, что вызывает "разрушение" тонкослоистой акустической структуры. В случае латерального огрубления состава, осадок также теряет однородность, что вызывает разубоживание акустической слоистости. Другие сейсмостратиграфические комплексы четвертичной толщи отличаются отсутствием слоистой акустической структуры. Отдельные элементы слоистости отмечаются лишь в голоценовых осадках, где их мощность превышает разрешающую способность сейсмоакустического профилирования.

В пределах области распространения газонасыщенных осадков инженерно-геологическим бурением установлено наличие многолетнемерзлых льдистых грунтов. Кровля мерзлых толщ в Печорском море залегает обычно на глубине 20-30 м ниже поверхности дна. В Карском море кровля мерзлых грунтов была вскрыта в диапазоне глубин 8-20 м. Мощности толщи льдистых грунтов составляют 20-30 м. Мерзлая толща, по нашему мнению, была сформирована во время максимальной предголоценовой регрессии, имевшей место 18-20 тыс. лет назад.

Распространение мерзлых льдистых грунтов носит неравномерный островной характер. Наиболее часто мерзлые отложения встречаются на глубинах моря менее 20 м. Глубже указанных отметок мерзлые массивы встречаются реже, а мощность мерзлой толщи, по мере увеличения глубины моря, сокращается.

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

Повсеместно наличие газа в районах, где имеют место многолетнемерзлые грунты, связано, по-видимому, с процессами деградации мерзлоты под покровом водной толщи. В мерзлом разрезе, оказавшемся под морем в результате повышения его уровня, таяние сверху начинается сразу же, как реакция на изменившиеся условия; таяние снизу - под влиянием глубинного теплового потока - с некоторой задержкой на время (порядка сотен лет), за которое нижняя поверхность мерзлого слоя реагирует на изменение поверхностных условий. Процессы микробиального распада органического вещества, идущие с большим газовыделением и характерные для начальных стадий диагенеза в обычных условиях, не приводят к захоронению газа. В случае протаивающего мерзлого разреза, особенно в случае сингенетично промерзавших осадков, создаются условия для его захоронения.

Выделяющийся газ (в основном, метан) остается в виде защемленных пузырьков в глинистом осадке, образует небольшие полости или скапливается под ближайшей покрышкой, если материнский осадок обладает проницаемостью. По-видимому, те же причины - захоронение продуктов распада органики, наряду с низкими температурами, создают условия для кристаллизации и стабильности некоторых кристаллогидратов. При уплотнении осадка в ходе дальнейшего диагенеза следует ожидать нарастание тенденции к выжиманию газовых включений вместе с поровой жидкостью в проницаемые пласты, миграции газа внутри пласта, скапливанию в ловушках; при этом могут создаваться условия для формирования аномально высоких давлений в пласте. Деградирующий мерзлый слой оказывается перекрытым сверху и подстилаемым снизу газосодержащими породами, мощность которых определяется временем и скоростью таяния. Со временем полностью растаявший мерзлый слой замещается толщей газосодержащих пород.

Акустически такая толща фиксируется, как неоднородно построенный массив с аномально высокими сжимаемостью и поглощением энергии излучения: наличие или отсутствие внутри него мерзлых пород, обычно никак не сказывается на изображении. Акустические свойства газосодержащих жидкостей и грунтов изучались неоднократно и описаны в литературе (Акустика ..., 1977). Однако в интересующем нас аспекте они чаще всего рассматривались как аномалия или помеха, и попыток содержательной интерпретации их изображений, обычно, не проводилось.

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

На нижеприведенных рисунках представлены достаточно типичные для рассматриваемого региона формы насыщения донных осадков свободным газом. На рисунке 4 представлен характер насыщения свободным газом разреза, представленного голоценовыми осадками и тонкими глинами комплекса mIII^3-4 , а также песками aIII². Как видно (рис. 4), кровля газонасыщенных песков комплекса аIII² во многом совпадает с верхней границей газонасыщения. Вместе с тем кровля рельефа газонасыщенных осадков осложнена довольно многочисленными прорывами свободного газа в толщу глин комплекса mIII^3-4. В основном эти прорывы приурочены к резким перегибам внутренних слоев толщи данного комплекса (рис. 5).

На рисунках 6 и 7 представлены фрагменты временных разрезов, полученных в Печорском море. На данных фрагментах наблюдаются зоны потери сейсмической корреляции, амплитудные аномалии и резкие латеральные изменения структуры волнового поля. Эти явления определяются, с одной стороны, литологией и строением осадочного разреза, с другой - они обусловлены также посткриогенными процессами и неравномерностью газонасыщения. Характерно, что зоны потери сейсмической корреляции, связанные с газонасыщением, приурочены к участкам, где по данным бурения толща глинистых осадков комплекса mIII^3-4 выклинивается. Кроме того, в мелководных районах Печорского и Карского морей нередки ситуации, когда свободный газ насыщает осадки практически сразу от поверхности дна (рис. 8). В этих случаях вся полезная информация о строении осадочного разреза блокирована, а сами данные не подлежат содержательной интерпретации.

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

На нижеприведенных рисунках представлены достаточно типичные для рассматриваемого региона формы насыщения донных осадков свободным газом. На рисунке 4 представлен характер насыщения свободным газом разреза, представленного голоценовыми осадками и тонкими глинами комплекса mIII^3-4, а также песками aIII². Как видно (рис. 4), кровля газонасыщенных песков комплекса aIII² во многом совпадает с верхней границей газонасыщения. Вместе с тем кровля рельефа газонасыщенных осадков осложнена довольно многочисленными прорывами свободного газа в толщу глин комплекса mIII^3-4. В основном эти прорывы приурочены к резким перегибам внутренних слоев толщи данного комплекса (рис. 5).

На рисунках 6 и 7 представлены фрагменты временных разрезов, полученных в Печорском море. На данных фрагментах наблюдаются зоны потери сейсмической корреляции, амплитудные аномалии и резкие латеральные изменения структуры волнового поля. Эти явления определяются, с одной стороны, литологией и строением осадочного разреза, с другой - они обусловлены также посткриогенными процессами и неравномерностью газонасыщения. Характерно, что зоны потери сейсмической корреляции, связанные с газонасыщением, приурочены к участкам, где по данным бурения толща глинистых осадков комплекса mIII^3-4 выклинивается. Кроме того, в мелководных районах Печорского и Карского морей нередки ситуации, когда свободный газ насыщает осадки практически сразу от поверхности дна (рис. 8). В этих случаях вся полезная информация о строении осадочного разреза блокирована, а сами данные не подлежат содержательной интерпретации.

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

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

Выводы

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

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

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

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

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

6. Для освещения интервала, сложенного газосодержащими грунтами, практически недоступного для изучения на продольных волнах в приемлемом диапазоне частот перспективным представляются исследования по применению профилирования на не продольных сдвиговых волнах, малочувствительных к присутствию газа.

Литература

Акустика морских осадков / Под ред. Л. Хэмптонна. Пер. с англ. М.: Мир, 1977. 384 с. Гриценко И.И. Сейсмическая стратиграфия и физико-механические свойства новейших отложений южной части Баренцевоморского шельфа: Дис. ... канд. геол.-мин. наук. Рига, 1986. 273 с.

Кеннет Дж. Морская геология: В 2-х т. Пер. с англ. T.I. M.: Мир, 1987. 563 с.

Хант Дж. Геохимия и геология нефти и газа. Пер. с англ. М.: Мир, 1982. 645 с.

Шериф Р., Гелдарт Л. Сейсморазведка. Пер. с англ. М.: Мир, 1987. 572 с.

Шлезингер А.Е. Региональная сейсмостратиграфия. М.: Научный мир, 1998. 379 с.

Ссылка на статью:

Рокос С.И., Костин Д.А., Длугач А.Г. Свободный газ и многолетняя мерзлота в осадках верхней части разреза мелководных районов шельфа Печорского и Карского морей. Седиментологические процессы и эволюция морских экосистем в условиях морского перигляциала. Апатиты, 2001, с. 40-51.