| ||
|
УДК 551.345-555.98 Арктические морские инженерно-геологические экспедиции, 183031, Мурманск, ул. Свердлова, 3, Россия
|
|
В результате инженерно-геологических исследований, проведенных Государственным унитарным предприятием „Арктические морские инженерно-геологические экспедиции" (ГУП АМИГЭ, г. Мурманск) в северо-восточной части Печорского моря, были выявлены необычные для данного района структуры в верхней части осадочного чехла и аномальные формы донного рельефа. Последние представляют собой пингоподобные (булгунняхоподобные) поднятия с шириной основания от 20-60 до 100-130 м и относительным превышением 10-25 м. Эти поднятия резко выделяются на ровной пологой поверхности дна. Они сложены мерзлыми высокольдистыми отложениями. На сводах диапироподобных поднятий кровля мерзлых льдистых отложений залегает на глубине менее 0,5 м ниже поверхности дна, а их мощность достигает 100 м и более. На участках между этими поднятиями кровля мерзлых грунтов залегает на глубине около 15-20 м от поверхности дна при мощности мерзлой толщи около 30 м. При бурении одной из скважин на участке между диапироподобными поднятиями на глубине 50 м ниже поверхности дна было вскрыто скопление газа с аномально высоким пластовым давлением. Шельф, многолетняя мерзлота, четвертичные отложения, биогенный газ, сейсмоакустическое профилирование, гидролокация бокового обзора .
ВВЕДЕНИЕ Наличие многолетнемерзлых пород является основным источником инженерных рисков при освоении нефтегазовых месторождений Печорского моря. На основании ранее полученных материалов на шельфе Печорского моря предполагалось также наличие приповерхностных зон скоплений газа с аномально высоким давлением и газогидратов [Gritsenko & Bondarev, 1994]. В результате проведенных в последние годы исследований были выявлены многочисленные диапироподобные поднятия, сложенные мерзлыми льдистыми грунтами, и связанные с ними скопления газа с аномально высоким пластовым давлением. По морфологическим признакам диапироподобные поднятия сходны с пинго (булгунняхами), которые широко развиты на прилегающей суше.
БАТИМЕТРИЯ И ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ ОСАДОЧНОГО РАЗРЕЗА СЕВЕРО-ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ ПЕЧОРСКОГО МОРЯ Район, где были выявлены диапироподобные поднятия, расположен в северо-восточной части Печорского моря (рис. 1). Он приурочен к верхней части склона, отделяющего пологое мелководное (глубина моря менее 50 м) акваториальное продолжение Печорской низменности и более глубоководную Южно-Новоземельскую впадину [Гриценко, 1989]. Поднятия распространены в пределах переуглубленной впадины с относительным понижением 15-20 м. Глубина моря в пределах этой впадины составляет 50-75 м (см. рис. 1,2).
Согласно данным инженерно-геологического бурения и сейсмоакустического профилирования, полученным ГУП АМИГЭ в 1982-1996 гг. в восточной части Печорского моря, верхняя часть осадочного покрова на глубину до 100-150 м ниже поверхности дна сложена голоценовыми, верхне-, средне- и нижнеплейстоценовыми образованиями [Рокос, 1996].
Морские голоценовые осадки мощностью до 5-7 м представлены супесями и песчанистыми суглинками. В составе подстилающих верхнеплейстоценовых отложений выделяются три комплекса. Верхний соответствует акустически слоистой сейсмической толще и имеет мощность 20-30 м и более. Этот комплекс представлен морскими слоистыми глинами, насыщенными гидросульфидами, в его подошве развиты легкие песчанистые суглинки и супеси с тонкой ритмичной слоистостью, а также с гнездами торфа, в кровле преобладают более грубые суглинки и супеси. Средняя часть толщи комплекса сложена тонкими высокопластичными глинами. Описываемые отложения широко распространены на шельфах Баренцева, Печорского и Карского морей. В соответствии с результатами радиоуглеродных датировок возраст кровли данного комплекса составляет 3-8 тыс. лет. По материалам определений абсолютного возраста аминокислотным методом, подошва комплекса датируется 18-25 тыс. лет [Рокос, 1996]. Рассматриваемый комплекс коррелируется нами с первой морской террасой побережья Печорской низменности высотой 8-12 м [Данилов, 1978] и с континентальными верхнесартанскими отложениями Западной Сибири (mQIII4). Нижележащие отложения представлены пылеватыми песками, содержащими многочисленные растительные остатки и глинистые прослои. В среднем мощность этих песков составляет 10-20 м. Песчаная толща коррелируется нами с нижнесартанскими отложениями Западной Сибири (aQIII4). Пески перекрывают мощную (до 20-50 м и более) толщу глинисто-суглинистого состава. Суглинки, содержащие прослои песка и тонкие слойки торфа, преобладают в верхней части разреза толщи. Вниз по разрезу суглинки постепенно замещаются более тонкими глинами с прослоями гидросульфидов и редкими включениями гравия. Нами эти отложения коррелируются с морскими отложениями (mQIII1-3) примыкающей суши Печорской низменности и казанцевско-каргинскими образованиями Западной Сибири [Данилов, 1978]. Среднеплейстоценовые образования представлены ледниковыми или ледово-морскими переуплотненными глинами и суглинками мощностью 30-50 м (g,gmQII). В составе нижнеплейстоценовых аллювиально-морских отложений (amQI) мощностью 20-50 м и более преобладают пески различного состава. В верхней части нижнеплейстоценовой толщи выделяется пачка тонкоритмичнослоистых глин и суглинков мощностью от 1-3 до 5-10 м. В пределах площади развития диапироподобных поднятий отложения нижнего и среднего плейстоцена бурением не установлены. В пределах мелководного шельфа Печорского моря широко распространены многолетнемерзлые льдистые грунты. Они были вскрыты рядом инженерно-геологических скважин при глубинах моря 10-30 м [Gritsenko & Bondarev, 1994]. Кровля мерзлых грунтов залегает на глубине 20-30 м ниже поверхности дна. Установленная мощность мерзлой толщи составляет от 20 до 40 м. Распространение многолетнемерзлых льдистых грунтов носит островной характер. На участках, где в соответствующих интервалах разреза скважинами вскрыты талые грунты, наблюдаются посткриогенные текстуры. Они выражены в виде нарушений и деформаций слоистости, связанных с вытаиванием текстурного льда и деформаций, протекавших при эпигенетическом промерзании осадков. Многолетнемерзлые грунты Печорского моря сформировались во время регрессии в субаэральных условиях. При последующей трансгрессии они претерпели существенное растепление и испытывают таяние вплоть до настоящего времени. Это происходит под растепляющим воздействием придонных морских вод с положительной температурой и под воздействием глубинного теплового потока, значения которого в пределах рассматриваемого региона составляют 45-65 мВт/м2. Характерной особенностью мелководного шельфа Печорского моря является повсеместное наличие свободного газа в акустически слоистых осадках. На временных разрезах скопления газа выделяются в виде зон полной и (или) частичной потери сейсмической корреляции, а также в виде амплитудных аномалий типа «яркое пятно». Насыщение осадков мелководного шельфа Печорского моря свободным газом произошло, по-видимому, в результате деградации субаквальных многолетнемерзлых образований, сформированных в течение последней предголоценовой регрессии [Бондарев и др., 1999]. Процессы разложения погребенного органического материала в условиях отрицательных температур, имевших место в данное время, были подавлены. После затопления во время последующей фландрской трансгрессии поверхностная температура вод приобрела положительные значения. Это вызвало интенсивное таяние многолетнемерзлых отложений. В результате процессы деструкции погребенных органических остатков, сопровождавшиеся выделением газа, резко активизировались. Последнее, в свою очередь, вызвало насыщение вмещающих осадков свободным газом.
ХАРАКТЕРИСТИКА ИСПОЛЬЗУЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ Рассматриваемые в данной работе диапироподобные поднятия были впервые обнаружены на региональном сейсмоакустическом профиле А-А' (см. рис. 1), выполненном ГУП АМИПЭ в 1988 г. Дополнительные региональные профили В-В' и С-С' были выполнены с целью более детального изучения описываемых структур. В 1995 г. в области развития диапироподобных поднятий было выполнено инженерно-геологическое бурение на глубину от 15 до 100 м ниже поверхности дна. В 1996 г. сотрудники ГУП АМИГЭ провели здесь комплекс детальных исследований. Они выполнялись на площадке размером 5х5 км с центром в точке скважины, где произошел выброс газа. Исследования включали сейсмоакустическое профилирование по регулярной сети профилей 50х50 м в комплексе с эхолотированием и гидролокацией бокового обзора. Площадка размером 5х5 км не перекрывает всей области развития диапироподобных поднятий, которая осталась неоконтуренной до настоящего времени.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ На временных разрезах, полученных с помощью электроискрового источника (спаркера) в диапазоне частот от 300 до 1000 Гц и высокочастотного (2500 Гц) профилографа, осадочный разрез расчленяется на две толщи. Верхняя имеет акустически прозрачную слоистую структуру (рис. 3, 4). Мощность слоистой толщи изменяется от 1-5 до 30-50 м и более. Нижняя толща характеризуется неслоистой и практически непроницаемой акустической структурой. Протяженные интерпретируемые внутренние отражения здесь отсутствуют. На полученных временных разрезах локальные поднятия поверхности морского дна представляют собой диапироподобные структуры, прорывающие и деформирующие покров вышележащих акустически слоистых осадков.
По данным буровых работ, акустически слоистая толща представлена морскими голоценовыми осадками (mQIV) и морскими верхнесартанскими отложениями (mQIII4) (см. рис. 3). Нижняя неслоистая акустически непроницаемая толща включает казанцевско-каргинские образования (mQIII1-3). Нижнесартанские отложения могут входить как в состав верхней акустически слоистой, так и нижней непроницаемой толщ. В тех случаях, когда эти отложения находятся в мерзлом состоянии и (или) насыщены свободным газом, на временных разрезах они показаны как акустически непроницаемые неслоистые образования и включаются соответственно в состав нижней толщи. Если данные осадки не содержат свободного газа и не испытывали промерзания, то они отображаются как акустически слоистые образования и включаются в состав верхней толщи. Диапироподобные поднятия отделены друг от друга впадинами, заполненными акустически слоистыми голоценовыми (mQIV), верхне- и нижнесартанскими образованиями (mQIII4 и aQIII4). Видимая мощность слоистых осадков в этих впадинах достигает 50 м и более (см. рис. 3, 4). Кроме того, отмечаются многочисленные диапироподобные структуры, которые, внедрившись в толщу акустически слоистых осадков, не достигают поверхности дна. В донном рельефе такие структуры представлены в виде пологих поднятий. По материалам гидролокации бокового обзора и эхолотирования в пределах изученной площади было выявлено более 50 диапироподобных поднятий. На гидролокационных сонограммах они представлены округлыми в плане положительными формами, резко выраженными на ровной монотонной поверхности морского дна (см. рис. 4). Наряду с одиночными поднятиями также обнаружены сдвоенные и строенные формы, разделенные седловинами. По результатам сонарной съемки, выполненной на участке размером 5x5 км, не выявлено какой-либо закономерности в площадном распределении диапироподобных поднятий. На полученных временных разрезах граница, разделяющая акустически проницаемую слоистую толщу от нижележащих акустически непроницаемых образований, весьма невыдержанна по латерали. Она прослеживается по резким изменениям структуры волновой записи (см. рис. 3, 4). С ней часто связаны амплитудные аномалии, продуцирующие цуги кратных отражений. Также выделяются зоны, где наблюдается потеря корреляции данной границы. В целом рассматриваемая граница имеет гетерогенную природу. Данные бурения показывают, что в одних случаях она связана с изменениями геологического строения, в других - с физическими характеристиками отложений. Так, данная граница может быть приурочена как к кровле казанцевско-каргинской толщи (mQIII1-3), так и к скоплениям свободного газа в нижнесартанских песках (aQIII4) и прикровельной части толщи многолетнемерзлых льдистых грунтов. По материалам двух скважин, пробуренных летом 1995 г., установлено, что в пределах рассматриваемого участка широко развиты многолетнемерзлые льдистые породы. Скважина, заложенная на своде одного из диапироподобных поднятий, вскрыла мерзлые льдистые казанцевско-каргинские (mQIII1-3) глины с высоким содержанием льда (свыше 70 % от объема) на глубине около 0,4 м ниже поверхности дна. Другая скважина, пробуренная у основания того же диапироподобного поднятия, вскрыла мерзлые грунты, представленные нижнесартанскими песками, на глубине 27 м ниже поверхности дна. Содержание льда в них составляет приблизительно 35 %. Осенью 1995 г. были пробурены две дополнительные скважины. Первая из них, также заложенная на своде одного из диапироподобных поднятий, вскрыла мерзлые льдистые казанцевско-каргинские (mQIII1-3) глины на глубине около 0,5 м ниже поверхности дна (рис. 5,а). На всю вскрытую глубину, которая составляет 100 м ниже поверхности морского дна, разрез данной скважины представлен пластично-мерзлыми казанцевско-каргинскими (mQIII1-3) глинами и суглинками с многочисленными шлирами пресного льда. Подошва как собственно казанцевско-каргинских отложений, так и мерзлой толщи не вскрыта, так как они залегают на глубине более 100 м ниже поверхности дна. Верхняя часть разреза до глубины 50 м ниже поверхности дна характеризуется весьма высоким содержанием льда, достигающим 50-90 % от объема и более. Глубже его содержание уменьшается и составляет в среднем около 30 %.
Другая скважина была заложена в районе пологого слабовыраженного поднятия, приуроченного к погребенному своду диапироподобной структуры (см. рис. 5,6), и пробурена на глубину 51 м ниже поверхности дна. Ею вскрыт следующий разрез:
На глубине 49,5 м скважиной была вскрыта зона аномально высокого пластового давления. В результате произошел интенсивный выброс газа. Это привело к формированию на поверхности моря «котла кипения» диаметром 100-200 м, внутри которого отмечалось бурление воды, сопровождаемое отчетливо видимыми газовыми пузырями и выбросом взвешенных частиц грунта. Проявлений и следов жидких углеводородов (нефти, газоконденсата и т.п.) не наблюдалось.
В результате выброса газа вышла из строя гидроакустическая система позиционирования бурового судна на точке бурения из-за резкого изменения свойств морской воды. Попадание газа в систему охлаждения бурового судна вызвало остановку главного, а затем и вспомогательного двигателей. Само судно приобрело отчетливый килевой крен около 5-7° на корму. На последних тактах вспомогательного двигателя судну удалось выйти из опасной зоны. В связи с чрезвычайным характером описанной ситуации никаких измерений не проводилось, пробы газа не отбирались. Однако масштаб данного явления позволяет говорить о том, что давление газа во вскрытом «кармане» достигало как минимум нескольких десятков атмосфер.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ Очевидно, что скопления газа с аномально высоким давлением связаны с наличием мощной толщи мерзлых льдистых грунтов. Эта толща играет роль своеобразной покрышки, которая практически непроницаема для биогенного газа, скопившегося в нижележащих горизонтах осадочного разреза. Таким образом, биогенный газ, накапливаясь у подошвы мерзлой толщи, формирует локальные газовые «карманы» (см. рис. 3). Основываясь на данных бурения, можно заключить, что они в настоящее время могут встречаться между диапироподобными структурами на участках относительно пологого морского дна. Вероятно, распределение газовых карманов в осадочной толще носит весьма неравномерный характер, о чем также свидетельствуют результаты бурения. Скопления газа с аномально высоким пластовым давлением приурочены, по-видимому, к линзам талых песков, залегающих ниже подошвы многолетнемерзлых пород. Они, в силу своей высокой проницаемости, выступают в роли коллекторов. При этом остается не вполне ясными природа диапироподобных поднятий и механизм их формирования. Следует отметить, что подобные формы были ранее обнаружены на дне моря Боффорта американо-канадскими исследователями [Marine Science Atlas…, 1987; Shaerer et al., 1971]. Этим структурам присвоено наименование «пингоподобные структуры» (pingo-like structure - PLS). Как и в Печорском море, данные структуры сложены глинистыми высокольдистыми образованиями. Однако газопроявления при исследовании структур не отмечено. Возможно, последнее связано с недостаточной глубиной опробования. Рассматривая генезис подобных образований, американо-канадские исследователи разработали две альтернативные гипотезы. В соответствии с первой из них льдистые диапироподобные структуры являются реликтовыми образованиями типа булгунняхов или пинго, сформированными во время предголоценовой регрессии. Исходя из палеогеографической ситуации и основываясь на наблюдениях за современной абразией берегов, было сделано заключение, что пинго были бы неминуемо разрушены при трансгрессии современного бассейна. Более состоятельной признана вторая гипотеза, согласно которой льдистые диапироподобные поднятия моря Боффорта являются новообразованными структурами. Их формирование протекало при субаквальном промерзании слабоминерализованных осадков под воздействием придонных морских вод с отрицательной температурой [Shaerer et al., 1971]. Возвращаясь к рассмотрению генезиса льдистых диапироподобных структур Печорского моря, отметим, что здесь установлено наличие скоплений свободного газа с аномально высоким давлением, которые могут выступать в качестве основного фактора при образовании рассматриваемых структур. Мы предполагаем, что под воздействием давления на участках между разрозненными газовыми карманами, где подошва толщи мерзлых глин погружается вглубь разреза, происходит боковое сжатие и последующее выжимание мерзлых отложений к поверхности дна. При этом в первую очередь, мобилизуются наиболее льдистые разности и, прежде всего, текстурный сегрегационный лед, обладающие относительно высокой пластичностью. Таким образом, происходит обогащение льдом верхних частей диапироподобных структур, что отчетливо наблюдается в кернах буровых скважин. По-видимому, выделений газа при формировании диапироподобных структур не происходит. По крайней мере, признаков выходов свободного газа на поверхности дна на полученных акустических материалах не наблюдается. Мы предполагаем, что образование диапироподобных структур происходило по следующей схеме. 1. В течение предголоценовой регрессии на участке исследованной площади находилось озеро, в границах которого формирующиеся осадки были пропитаны пресной водой и обогащены органикой. Напомним, что диапироподобные структуры находятся на участке относительного понижения рельефа. В настоящее время на п-ове Ямал и Печорской равнине такие участки вследствие малого испарения в условиях арктического климата, как правило, заозерены. 2. До начала фландрской трансгрессии озеро, будучи образованием достаточно эфемерным, выродилось в заболоченную равнину, а его отложения подверглись промерзанию. 3. После промерзания отложений во время фландрской трансгрессии участок был затоплен морем. Известно, что темп повышения уровня моря во время этой трансгрессии был очень высоким, что наряду с низменным пологим рельефом, предотвратило размыв мерзлой толщи. 4. В течение голоцена за счет растепляющего воздействия глубинного теплового потока происходила деградация мерзлоты в ее приподошвенной части. Одновременно здесь происходило интенсивное генерирование биогенного газа ранее сформировавшимися озерными отложениями, обогащенными органическим веществом. Вполне вероятно, что в прикровельной части деградация мерзлых пород не происходила или была весьма замедленной в результате влияния холодного Карского стокового течения. В настоящее время температура придонных морских вод на участке исследований имеет отрицательные значения. 5. С течением времени и накоплением биогенного газа образовалась значительная по площади подмерзлотная газовая «подушка». Вполне вероятно, что она не была однородна от участка к участку. При этом мерзлая льдистая толща выполняла роль покрышки, из-за наличия которой давление газа могло превышать литостатическое. 6. По достижению давлением газа определенных и неизвестных нам значений, началась деформация отложений, а затем и рельефа морского дна по «ослабленным зонам». Эти зоны могли быть приурочены к участкам пониженной мощности мерзлых пород, тектоническим и литологическим контактам и пр. Деформации затронули в первую очередь наиболее пластичные породы - пластично-мерзлые глины со шлирами льда. Ясно, что генеральным направлением перемещения масс отложений здесь может быть только вертикальное. 7. В результате под воздействием давления газа в наиболее ослабленных зонах произошло разрушение покрышки многолетнемерзлых пород и формирование диапироподобных структур, состоящих из глинистого ледогрунта. Наличие льда на малых глубинах (от 0,5 м ниже морского дна) может быть объяснено отрицательными температурами придонных вод, а также возможным «дроссельным» эффектом. 8. Другой тип диапироподобных поднятий, проявленных в современном рельефе морского дна, как менее градиентные (по сравнению с вышеописанными) поднятия, отражает процесс становления диапироподобных глинистых структур на предпоследней стадии развития, перед прорывом покрышки многолетнемерзлых пород. На этой стадии давление газа достигает максимальных величин за все время процесса. Таким образом, изученные диапироподобные поднятия являются следствием, результатом и отражением процессов, происходящих в приповерхностной части осадочного чехла Данные, имеющиеся на сегодняшний день, не позволяют оценить интенсивность процессов роста и (или) разрушения диапироподобных структур. Для этого требуется проведение дополнительных исследований, включающих многократное эхолотирование, гидролокацию бокового обзора и сейсмоакустическое профилирование по определенной системе фиксированных профилей. Изменения, которые, возможно, будут выявлены при многократном профилировании, позволят судить о динамике развития описываемых структур. В целом следует признать, что независимо от своего генезиса, льдистые диапироподобные структуры и приповерхностные скопления газа с аномально высоким пластовым давлением представляют собой значительную опасность при освоении нефтегазовых месторождений Печорского моря. Вместе с тем очевидно, что описанные явления изучены в недостаточной степени. Для полной оценки связанной с ними опасности и выяснения их природы требуются дополнительные исследования.
ЛИТЕРАТУРА 1. Gritsenko I.I., Bondarev V.N. Subsea Permafrost, Gas Hydrates and Gas Pockets in Cenozoic Sediments of the Barents, Pechora and Kara Seas: Preprint 4-th World Petroleum Congress, topic 6, Stavanger, 1994. 2. Гриценко И.И. Условия распространения верхнекайнозойских отложений баренцевоморского региона и современный морфоструктурный план // Проблемы кайнозойской палеогеографии и палеоэкологии арктического бассейна. Мурманск, КНЦ АН СССР, 1989, с. 14-16. 3. Рокос С.И. Стратиграфия и геохронология четвертичных отложений мелководного шельфа Печорского и Карского морей по данным инженерно-геологического бурения // Эволюция биологических процессов и морские экосистемы в условиях океанического перигляциала (Тез. международной конференции, октябрь 1996 г.) Мурманск, ММБИ, 1996, с. 22-23. 4. Данилов И.Д. Плейстоцен морских субарктических равнин. М., Изд-во Моск. ун-та, 1978. 5. Бондарев В.Н., Длугач А.Г., Рокос С.И. и др. Акустические фации посткриогенных обстановок мелководных районов Печорского и Карского морей // Разведка и охрана недр, 1999, № 7-8, с. 10-14. 6. Marine Science Atlas of the Beaufort Sea. Geology and geophysics, Geological Survey of Canada, Canada, Cartographic Information and Distribution Centre, 1987. 7. Shearer J.M. et al. Submarine pingoes in the Beaufort Sea // Science, 1971, v. 174, № 4011, p. 816-818.
UNDERPERMAFROST ACCUMULATIONS OF GAS IN THE UPPER PART OF THE SEDIMENTARY COVER OF THE PECHORA SEA V.N. Bondarev, S.I. Rokos, D.A. Kostin, A.G. Dlugach, and N.A. Polyakova Comprehensive engineering-geological survey carried out by AMIGE USE in the northeast of the Pechora Sea resulted in identifying some outstanding features of shallow sedimentary section expressed in the seafloor topography. The latter are pingo-like (boolgoonyakh-like) highs (domes) 20-60 to 100-130 m across with elevations of about 10-25 m, distinctly expressed at the smooth gently dipping seabed. The domes are made of frozen soil with high ice content. In the arches of the diapir-like highs ice-bonded permafrost occurs at a depth of less than 0.5 m bsf (below seafloor), reaching a thickness of 100 m and more. Between the domes, permafrost of about 30 m thick lies at 15-20 m bsf. An accumulation of shallow gas with excess formation pressure was discovered here at 50 m bsf when drilling. Shelf, permafrost, Quaternary sediments, biogenic gas, shallow seismic profiling, side scan sonar survey
|
|
Ссылка на статью:
Бондарев В.Н., Рокос С.И., Костин Д.А., Длугач А.Г., Полякова Н.А.
Подмерзлотные скопления газа в верхней части осадочного чехла Печорского
моря
//
Геология и геофизика. 2002. Т. 43. № 7. С. 587-598. |
