В результате инженерно-геологических изысканий, выполненных на акваториальной части площади Салмановского месторождения было установлено, что большей своей частью она располагается на древнеголоценовой морской абразионно-аккумулятивной террасе. В верхнем интервале грунтовой толщи до глубины 50-60 м от дна здесь выделены отложения казанцеского и каргинского горизонтов, а также древнеголоценовые и современные отложения. Древнеголоценовые отложения переуплотнены (коэффицент переуплотнения более 2) и имеют твердую-тугопластичную консистенцию. Подстилающие их одновозрастные и каргинские образования отличаются текучей-текучепластичной консистенцией. Распределение свойств по разрезам скважин носит инверсионный характер, обусловленный изменчивостью условий седиментации и диагенеза.

Ключевые слова: Обская губа, Салмановское месторождение, четвертичные отложения, донные грунты, абсолютный возраст, физико-механические свойства, коэффициент переуплотнения

Площадь Салмановского (Утреннего) месторождения расположена на северо-западе  Гыданского п-ва у побережья Обской губы. В 2014 г. в акваториальной части этой площади были проведены комплексные инженерно-геологические изыскания силами АО «Арктические Морские Инженерно-Геологические Экспедиции» (АМИГЭ) и ООО «Центр Анализа Сейсмических Данных МГУ им. М.В. Ломоносова» (ЦСАД МГУ) для постановки завода по сжижению газа в рамках проекта «Арктик-СПГ-2». В составе этих изысканий АМИГЭ выполнены инженерно-геологическое бурение, лабораторные определения состава и свойств донных грунтов и статическое зондирование. Сейсморазведка высокого разрешения (СВР) выполнялась ЦАСД МГУ.

Изыскания были проведены на двух альтернативных площадках Т1 и Т2 (рис. 1). В  ходе выполнения буровых работ площадка Т1 была признана не благоприятной. Здесь была пробурена лишь одна скважина глубиной 60 м от дна. Основной объем бурения и статического зондирования был выполнен на площадке Т2, где выполнено 5 скважин максимальной глубиной 50 м от дна и 5 точек статического зондирования. При этом точки зондирования размещались вблизи устьев инженерно-геологических скважин. Максимальное внедрение зонда составило около 9.5 м ниже дна (точка вблизи устья скважины №4).

Методика исследований. Инженерно-геологическое бурение и проведено с борта научно-исследовательского судна (НИС) «Кимберлит» (судовладелец АМИГЭ). Керн отбирался съемным пробоотборником 89/85 мм (Atlas Copco, Швеция) и гидроударным пробоотборником ПГС-132 (АМИГЭ) диаметром 132/99 мм.

Статическое зондирование проведено также с борта НИС «Кимберлит» с помощью донной установки производства AP van den Berg (Нидерланды) «Roson 40KN» с колесным электро-механическим приводом (wheeldrive) и колонной пенетрационных труб диаметром 36мм. Измерительным зонд C10CFP (II-го типа) оснащен внутренним модулем памяти. Усилие внедрения конуса- 40 КН. Измеряемые параметры: сопротивление грунта под конусом (лобовое сопротивление), трение по участку боковой поверхности (боковое трение) и избыточное поровое давление. Вдавливание зонда производилось непрерывно от поверхности дна до глубины отказа.

Лабораторные исследования кернового материала выполнялись в соответствие с действовавшими в то время государственными стандартами РФ. Кроме того, были проведены определения сопротивления недренированному сдвигу (undrained shear strength) с помощью ручной крыльчатки (VJ Tech, стандарт BS 5930), ручного пенетрометра (Controls, model 16-Т0171, стандарт BS 5930), лабораторной крыльчаткой (Wykeham Farrance 27, model WF1730, стандарт ASTM D 4678).

Также были выполнены определения абсолютного возраста вскрытых бурением четвертичных отложений. Эти определения выполнялись в лаборатории ООО «Геологический центр СПбГУ» (заключение Арсланова Х.А.). Было выполнено 7 определений радиоуглеродного возраста, которые затем пересчитаны в значения калиброванного календарного возраста.

Работы СВР Работы производилась с борта арендованного речного буксира. Забортная аппаратура буксировалась с помощью небольшого катамаран, излучатель-бумер крепился под катамараном на глубине 20 см, коса 16 канальная длиной 30 м буксировалась наклонно - начало крепилось к катамарану на глубине 20 см, затем глубина постепенно увеличивалось до 60-80 см к концу. Такое распределение глубине приемников позволило при последующем суммировании по общей глубинной точке существенно подавить волны-спутники и получить высокую разрешенность записей, а при интерпретации выделить тонкую слоистость осадков.

Батиметрия и геоморфология. На батиметрических картах местоположение площадок Т1 и Т2 приурочено к вытягивающейся вдоль гыданского побережья абразионно-аккумулятивной террасе. Поверхность террасы шириной от менее 0.1 до 5.0 км и более расположена в диапазоне глубин моря от 10-12 до 5-7 м (рис. 2). Ее бровка прослеживается между изобатами 11-13 м. Подножие переходит морскую преимущественно аккумулятивную равнину  на глубинах около 20-21 м. Склон террасы имеет ширину около 0.5 км. Тыловой шов проходит по подножию относительно крутого прибрежного склона.

Результаты сейсморазведки высокого разрешения. В районе работ развитые под поверхностью древнеголоценовой террасы осадки практически повсеместно насыщены свободным посткриогенным и биогенным газом [Рокос, Тарасов, 2007]. Это не позволяет проследить структуру осадочной толщи и выделить отражающие горизонты на большей части площади изученных участков.

Исключение составляет лишь района склона террасы и примыкающая область морской аккумулятивной равнины. Данная область приурочена к протяженному «акустическому окну», выделяемому среди газонасыщенных отложений Обской губы. В пределах данной области нами выделено четыре сейсмостратиграфических комплекса (ССК) (рис. 3, 4, 5):

·  ССК-IV развит в основании изученного сейсмическими методами интервала. Глубина залегания его подошвы осталась не установленной. На временных разрезах от прослеживается в виде акустически слоистой толщи. Слоистая структура сложная, местами имеет облик складчатой. Кровля данных образований перекрывается вышележащими с четковыраженным угловым и эрозионным несогласием.

·  ССК-III прослеживается в виде выклинивающегося в западном мористом направлении тела, напоминающего своей формой в разрезе козырек. Эта толща также имеет акустически слоистую структуру.

·  ССК-II слагает основной объем отложений древнеголоценовой террасы и имеет мощность до 15 м и более. В мористой части акватории, в границах аккумулятивной морской равнины он выклиниваетя и развит в виде тонкого покрова мощностью на более 5 м. Кровля данного комплекса сильно изрезана бороздами ледового выпахивания, что придает ей ложный облик эрозионной границы. Внутри комплекса местами прослеживается весьма нечеткая акустическая слоистость.

·  ССК-I залегает первым от поверхности дна. На большей части площади участков изысканий его мощность менее 1-2 м, что ниже разрешающей способностью примененной модификации сейсморазведки. Это не позволило уверенно проследить подошву и внутреннюю структуру данного комплекса по всей площади изысканий. Достаточно уверенно данные образования выделяются лишь в пределах локальных палеодепрессий, где их мощность может достигать 3-5 м.

Кроме того, в прилегающих к площадкам районах под подошвой ССК-I и ССК-II также выделены эрозионные палеоврезы, полностью компенсированные акустически слоистыми образованиями. В границах изученных площадок такие врезы достоверно не установлены.

Результаты бурения. Инженерно-геологическим бурением толща осадков была вскрыта до глубины 60 м от дна на площадке Т1 и до  50 м на площадке Т2 (рис. 6, 7, 8). Развитая в указанном интервале осадочная толща весьма неоднородна по своему составу и представлена чередованием глинистых, суглинистых, супесчаных и песчаных слоев. В верхней части толщи преобладают связанные слоистые глинистые грунты. На глубинах более 19.0-36.5 м от дна развиты исключительно пески. Пески во всех слоях достаточно однородные в основном не слоистые и характеризуются мелко-пылеватым составом.

По всей толще отмечаются включения раковин, торфа и растительных остатков, а также многочисленные линзы, гнезда и тонкие прослои насыщенные черным гидротроилитом. В глинистых образованиях гидротроилит встречается значительно чаще, чем в песках. Исключение составляет первый от поверхности дна песчаный слой местами интенсивно насыщенный гидротроилитом, что придает ему темно-серый до черного цвет.

Результаты определений физико-механических свойств по данным лабораторных испытаний и статического зондирования показывают, что песчаные грунты весьма однородны и имеют повсеместно рыхлое-среднеплотное сложение. Пески различных слоев слабо отличаются друг от друга. При вскрытии скважинами пески проявляют свойства плывунов.

Глинистые грунты напротив достаточно резко изменяют свою степень консолидации как в различных слоях по разрезу, так и в одном и том же слое по латерали.

Степень консолидации может быть выражена через показатель текучести и прочность. Очевидно, что чем выше прочность и ниже текучесть грунтов, тем выше их степень консолидации. При этом прочность интегрально оценивается по значениям сопротивления недренированному сдвигу.

В составе глинистых грунтов выделяются относительно высоко консолидированные разновидности твердой консистенции, среднеконсолидированные мягко-тугопластичные суглинки и пластичные супеси, а также неконсолидированные суглинки и глины текучей-текучепластичной консистенции и текучие супеси. В верхней части разреза преобладают относительно высоко консолидированные суглинки твердой консистенции. Эти образования перекрывают среднеконсолидированные и неконсолидированные грунты. Также отмечаются достаточно резкие замещения по латерали среднеконсолидированных отложений неконсолидированными.

Неконсолидированные глинистые грунты залегают в пределах площадок на значительной глубине, превышающей 20-25 м от дна.

На полученных нами графиках изменение свойств по разрезу носит в основном безградиентный характер (рис. 9, 10). В отдельных интервалах наблюдается инверсия свойств, выраженная в снижении плотности и прочности вниз по разрезу при параллельном увеличении текучести и пористости.

Степень соответствия свойств современному бытовому или горному давлению, оценена посредством коэффициента переуплотнения (КПУ) или overconsolidation ratio (OCR), рассчитанного по данным статического зондирования в точке около скважины №4 (рис. 11). Этот коэффициент представляет собой отношение современного бытового или горного давления (напряжений в скелете, вызванных собственным весом грунта) к максимальному давлению, имевшему место за время после завершения седиментации. Его значения по разрезу указанной скважины превышает 2 и достигает в прикровельной части значений более 4, что говорит о переуплотненном состоянии грунта.

Обсуждение результатов. Основываясь на Унифицированной региональной схеме стратиграфического расчленения четвертичных отложения севера Западной Сибири [Волков, Бабушкин, 2000], а также на работе [Рокос и др., 2019] в изученном на площадках изысканий интервале осадочной толщи нами выделены следующие стратиграфо-генетические комплексы (снизу-вверх):

·  Морские отложения казанцевского горизонта (mIII¹kz). Сопоставляются с отложениями ССК-IV (рис. 3-5). В кернах скважин представлены неслоистыми рыхлыми-среднеплотными мелкими и пылеватыми песками преимущественно сортированными (рис. 6-8). На сейсмических временных разрезах, полученных в мористой части за пределами зоны газонасыщения, в этой толще наблюдается слоистая складчатая структура [Слинченков и др., 2009].

·  Морские, аллювиально-морские отлоложения каргинского горизонта (m,amIII³kr). Сопоставляются с ССК-III. Представлены слоистыми суглинками и супесями с пропластками и линзами песков мелкого и пылеватого состава. Консистенция суглинков изменяется от текучей до тугопластичной, супеси в основном текучие. Данные образования слагают клиновидное тело, выклинивающееся в мористом направлении (рис. 4). По видимому это тело представляет собой подводное основание каргинской террасы. Подобные тела неоднократно выделялись по сейсмическим данным и вскрывались скважинами в других прибрежных районах Обской губы.

·  Аллювиально-морские древнеголоценовые отложения (amН¹). Сопоставляются с ССК-II. Представлены слоистыми супесями, суглинками и глинами с вложенными крупными линзами мелких и пылеватых песков. Консистенция глин текучая, супесей- пластичная, суглинки изменяют свое состояние от текучего до твердого при общем преобладании мягко-тугопластичных разновидностей.

·  Современные аллювиально-морские осадки (amН²). Сопоставляются с ССК-I. Представлены преимущественно пылеватыми песками с мелкими линзами и гнездами, а также тонкими глинистыми прослоями. Интенсивно насыщены черным гидротроилитом.

Значения абсолютного возраста отложений, отнесенных нами к каргинскому горизонту, изменяются в диапазоне от 18 840±49 до 17 300±38 лет (рис. 6). Этот диапазон не соответствует геохронологическим рамкам каргинского времени (59-27 тыс. лет) и попадает в границы сартанского криохрона (29.0-11.7 тыс. лет). По нашему мнению, это может быть обусловлено тем, что данные образования формировались в эстуарном бассейне, унаследованном с каргинского времени. Значение абсолютного возраста, полученное в древнеголоценовой толще (9 500±20 лет) соответствует геохронологическим рамкам раннего голоцена.

Неоднородность состава каргинских и древнеголоценовых отложения вероятно связана с тем, что они формировались вблизи берега в условиях сублиторали на фоне относительно частых колебаний уровня моря. Это привело к частым взаимным замещениям в разрезе и по простиранию глинистых, суглинистых, супесчаных и песчаных разностей.

На графиках изменчивости показателей физико-механических свойств грунтов по разрезам скважин ожидаемый (нормальный) тренд значений по глубине отсутствует (рис. 9, 10). В отдельных интервалах наблюдаются инверсии вертикального распределения свойств. Под нормальным трендом обычно понимается увеличение значений плотности и прочности глинистых грунтов с глубиной при параллельном снижении прочности, пористости и текучести. Такая картина обусловлена консолидацией грунта под действием бытового или горного давления (напряжений в скелете, вызванных собственным весом грунта).

Безградиентный и, местами, инверсионный характер распределения свойств по разрезам скважин, а также присутствие консолидированных разновидностей, перекрывающих сердне- и неконсолидированные, вероятно связаны с дегидратацией глинистых грунтов при регрессиях. Дегидратация обусловлена, очевидно, испарением влаги в субаэральных условиях и морозным иссушением верхней части толщи. Последнее связано с миграцией влаги с нижних горизонтов грунтовой толщи к приповерхностному фронту промерзания.

Также, очевидно, что при регрессиях на участках, покрытых локальными континентальными водоемами (реками, озерами и др.), дегидратация происходила менее интенсивно. Развитые здесь глинистые образования отличаются меньшей степенью консолидации. С этим, вероятно, связана высокая степень латеральной неоднородности свойств грунтов.

Наиболее значимой регрессией из  имевших место за время формирования голоценовых образований являлась, по видимому, произошедшая на рубеже раннего и позднего голоцена (поздний бореал?). В течение этого события толща ранее накопившихся аллювиально-морских осадков древнего голоцена испытала достаточно глубокую дегидратацию. Это привело к формированию в ее верхней части слоя высоко консолидированных переуплотненных образований твердой-полутвердой консистенции. В тоже время нижние горизонты грунтовой толщи, затронутые субаэральной дегидратацией и морозным иссушением в значительно меньшей степени, в основном сохранили свое среднеконсолидированное и неконсолидированное состояние.

Наличие слоев и линз неконсолидированных глинистых грунтов текучей-текучепластичной консистенции, залегающих на глубинах более 10-20 м от дна с одной стороны обусловлено, вероятно, процессами промерзания при регрессиях и последующем протаивании при трансгрессиях. Образующийся при эпигенетическом промерзании в пористом пространстве лед разрушает сформированные при диагенетической консолидации и субаэральной дегидратации коагуляционные связи между глинистыми частицами и их агрегатами. После последующего вытаивания льда эти связи восстанавливаются лишь частично и в сильно ослабленной форме [Неизвестнов и др., 2012]. В результате происходит существенное разуплотнение или деконсолидация глинистых грунтов. С другой стороны, очевидно. что относительно большая глубина залегания слоев глинистых грунтов от древней субаэральной поверхности позволила избежать им существенной дегидратации и морозного иссушения.

Выводы.

1.                       Участок акватории, в пределах которого расположены площадки изысканий, представляет собой подводную абразионно-аккумулятивную террасу. Возраст террасы предположительно древнеголоценовый.

2.                       Развитая на площадках изысканий осадочная толща в диапазоне глубин до 50-60 м от поверхности дна представлена образованиями верхнего плейстоцена и голоцена. В составе толщи выделены морской казанцевский (mIII¹kz); морской-аллювиально морской каргинский (m,amIII³kr); аллювиально-морские древнеголоценовый (amH¹) и современный (amH²) комплексы. 

3.                       Изученные отложения весьма неоднородны по своему составу. Отмечаются резкие замещения в разрезе и по латерали глинисто-суглинистых отложений песчано-супесчаными. Эти замещения обусловлены, вероятно, изменчивыми условиями седиментации, которая происходила в прибрежном относительно мелководном бассейне на фоне частых колебаний уровня моря.

4.                       Глинистые разновидности грунтов изученного интервала осадочной толщи  характеризуются безградиентной изменчивостью свойств по разрезам скважин, а также наличием высоко консолидированных образований твердой-полутвердой консистенции, перекрывающих менее консолидированные образования мягко-тугопластичной и текучей-текучепластичной консистенции. Такая картина, по видимому, обусловлена частыми регрессиями в ходе которых происходила субаэральная дегидратация и морозное иссушение грунтов.

5.                       Характерна латеральная неоднородность состояния и свойств глинистых грунтов, связанная с наличием на древних субаэральных поверхностях локальных континентальных водоемов. Водный покров этих водоемов предохранял залегающие под ними грунты от дегидратации.

6.                       Наличие слоев неконсолидированных глинистых грунтов текучей-текучепластичной консистенции на глубинах более 10-20 м от поверхности дна обусловлено процессами эпигенетического промерзания при регрессиях и последующего таяния при трансгрессиях.

ЛИТЕРАТУРА

Неизвестнов Я.В., Козлов С.А., Кондратенко А.В. Изменчивость и неоднородность физико-механических свойств новейших отложений шельфа морей Северного Ледовитого Океана // Записки Горного Института. 2012. Т. 197. С. 203-208.

Рокос С.И., Тарасов Г.А. Газонасыщенные осадки губ и заливов южной части Карского моря // Бюллетень комиссии по изучению четвертичного периода. 2007. №67. С. 66-75.

Рокос С.И., Куликов С.Н., Костин Д.А. Субаквальные многолетнемерзлые породы Обской и Тазовской губ Карского моря // Криосфера Земли. 2019. Т. 23. №5. С. 17-26. doi: 10.21782/KZ1560-7496-2019-5(17-26)

Слинченков В.И., Самойлович Ю.Г., Николаев В.В., Константинов В.М. Строение кайнозойских отложений северной части Обской губы Карского моря по акустическим данным // Проблемы Арктики и Антарктики. 2009. № 2(82). С. 106-117.

Унифицированная региональная стратиграфическая схема четвертичных отложений Западно-Сибирской равнины. Ред. В.С.Волкова, А.Е.Бабушкин. Новосибирск, Изд-во СНИИГГиМС, 2000, 64 с.

STRATIGRAPHY AND PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF BOTTOM SOILS IN THE AQUATORIAL PART OF THE SALMANOVSKY FIELD AREA (NORTHERN PART OF THE OB BAY) 

¹ JSC "Arctic Marine Engineering-Geological Expeditions", Murmansk, Russia

² Murmansk Arctic University, Murmansk, Russia

³ Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia

There are establish that in consequence of engineering-geological surveys for the most part of the Salmanovsky field area is located on an Ancient Holocene marine abrasion-accumulative terrace. There are identified deposits of the Kazanian and Karganian horizons, Ancient Holocene and Recent sediments in the upper interval of the soil stratum to a depth of 50-60 m from the bottom. Ancient Holocene deposits are overconsolidated (overconsolidation ratio more than 2) and have a hard/stiff consistency. The underlying coeval and Karginian deposits have very soft/soft consistency. The logs of properties across geological cross-section is of an inversion nature, due to the variability of sedimentation and diagenesis conditions.

Keywords: Ob Bay, Salmanovsky field, quaternary deposits, bottom soils, absolute age, physical and mechanical properties, overconsolidation ratio

Ссылка на статью: