Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Природные условия 12
1.1 Местоположение и геоморфологические условия 12
1.2 Климат 16
1.3 Геологическое строение 23
1.4 Гидрогеологические условия 37
Глава 2. Геокриологическая изученность и методика исследований 43
2.1. Мерзлотно-геотермическая изученность .43
2.2. Методика определения температуры и мощности многолетнемерзлых пород .51
2.3. Методика определения теплофизических свойств горных пород и внутриземного теплового потока 58
2.4. Методика составления карт мощности многолетнемерзлой толщи и мерзлотно-геотермических разрезов 63
2.5. Методика формирования геокриологической мониторинговой сети 64
Глава 3. Геотемпературное поле и мощность многолетнемерзлой толщи 70
3.1. Хапчагайский и Малыкай-Логлорский валы 70
3.2. Хоргочумская, Тюкян-Чебыдинская и Бескюельская моноклинали .88
3.3. Линденская впадина, Китчанский выступ 91
3.4. Китчанская зона надвиговых дислокаций 94
3.5. Тангнарынский и Лунгхинско-Келенский прогибы 98
3.6. Ыгыаттинская и Кемпендяйская впадины и Сунтарский свод 100
Глава 4. Закономерности формирования геотемпературного поля и многолетнемерзлой толщи .102
4.1. Температура горных пород деятельного слоя. Мониторинговая геокриологическая сеть региона 102
4.2. Теплофизические свойства основных типов горных пород 110
4.3. Внутриземный тепловой поток и температура горных пород глубоких горизонтов 124
4.4. Особенности геотемпературного поля и залегания ММТ 135
4.5. Электронная геокриологическая база данных .149
Заключение .155
Литература .158
- Геологическое строение
- Методика формирования геокриологической мониторинговой сети
- Китчанская зона надвиговых дислокаций
- Особенности геотемпературного поля и залегания ММТ
Введение к работе
Актуальность работы. Вилюйская синеклиза по высокой концентрации углеводородных природных ресурсов и их экономической значимости принадлежит к числу важнейших регионов Дальнего Востока России. В настоящее время в пределах Вилюйской синеклизы открыты 11 газовых и газоконденсатных месторождений, часть из которых находятся в промышленной разработке. В 2011 году газовый концерн «Газпром» получил лицензии на геологическое изучение недр газоконденсатных месторождений Средне-Тюнгское и Соболох-Неджелинское, на которых в последние годы проводятся геологоразведочные работы. Помимо углеводородных месторождений, синеклиза относится к Ленскому угольному бассейну с большим количеством месторождений угля, а западная часть структуры (Кемпендяйская впадина) богата месторождениями каменной соли.
Месторождения полезных ископаемых и их проявления сосредоточены в суровых природно-климатических условиях на территории со сплошным распространением нестационарных многолетнемерзлых толщ (ММТ). Для выбора оптимальных методов строительства линейных, промышленных и гражданских сооружений, определения технологии и техники разработки различных месторождений необходимо знать особенности и закономерности формирования геотемпературного поля криолитозоны рассматриваемой территории. Рассмотрению этих крайне важных в научном и практическом отношении аспектов и направлены настоящие исследования.
Начиная с 1970-х годов, сотрудниками геологических подразделений «Ленанефтегазгеология», Института мерзлотоведения СО РАН, получен обширный материал о геотемпературном поле и многолетнемерзлой толщи региона, позволяющий охарактеризовать их современное распространение и термодинамическое состояние. Это дает возможность палеореконструк-ции многолетнемерзлой толщи и достоверного прогноза геокриологических условий при освоении территории. Проведенные геотермические, теплофи-зические исследования, геоструктурный подход в изучении криолитозоны, активное освоение территории, создание Якутского центра газодобычи, начало строительства газопровода «Сила Сибири» обусловливают научную ценность и практическую актуальность настоящей работы.
Цель работы. На основании имеющегося и полученного материала дать характеристику геотемпературного поля, особенностей залегания и мощности криогенной толщи Вилюйской синеклизы.
Для достижения поставленной цели было необходимо решение следующих основных задач:
-
Провести сбор, анализ и систематизацию фондовых материалов о геотермических параметрах и особенностях залегания криогенной толщи рассматриваемой территории.
-
Выполнить геотермические исследования на отдельных разведочных площадях.
-
Оценить теплофизические свойства основных типов горных пород.
-
Определить величину внутриземного теплового потока и оценить его распределение в зависимости от геоструктурного строения региона.
5. Выявить особенности формирования геотемпературного поля
крио литозоны и мощности многолетнемерзлой толщи в границах отдельных
площадей и структур и Вилюйской синеклизы в целом.
-
Разработать программу и начать формирование мониторинговой геокриологической сети региона.
-
Дать оценку температурного режима горных пород деятельного слоя.
-
Разработать структуру и создать геокриологическую базу данных Вилюйской синеклизы.
Методика исследований и фактические материалы. При решении поставленных задач нами использовался комплекс методов, применяемых в региональной геокриологии (Полевые исследования…, Методика мерзлотной съемки и др.) и геотермии (Дучков, Соколова, Смыслов, Балобаев, Череменский, Кутас, Смыслов, Розен и др.). Состав геотермических работ определялся наличием и состоянием горных выработок, а также степенью их доступности. Методические приемы мониторинговых исследований на ключевых участках определялись их морфологическим положением и принадлежностью к мерзлотным ландшафтам.
Геотермический метод являлся основным, который включал в себя разовые, повторные и режимные наблюдения. В области развития криопэ-гов (западная часть Кемпендяйской впадины) мощность ММТ оценивалась по данным промыслового каротажа. При построении температурных полей и расчете температуры различных горизонтов, на участках, где геотермические исследования не проводились, нами использовались осредненные данные геотермического градиента и характера температурной кривой для аналогичных участков с учетом геологического разреза и величины внутри-земного теплового потока для структуры.
Оценка внутриземного теплового потока выполнена в 44 пунктах по 58 скважинам глубиной от 1200 до 2500 м.
При составлении карт распространения и мощности многолетнемер-злых толщ (ММТ) применялся метод аналогий и ключевых участков, в которых заложен принцип географического и геологического подобия.
В основу написания работы положены геотермические данные, полученные с 1950-х годов по настоящее время большим коллективом исследователей, в том числе исследования автора на различных участках (разведочных площадях) Вилюйской синеклизы. В 2009 – 2016 гг. автором или при его участии были выполнены геотермические измерения на геологоразведочных площадях и месторождениях в глубоких (до 1200 м) скважинах с выстоявшимся температурным режимом. Эти исследования включали в себя как разовые, так и повторные геотермические наблюдения. Мощность ММТ была определена в 112 глубоких скважинах геотермическими измерениями и по данным термокаротажа, охватившими всю мерзлую толщу.
Приведенные в работе рисунки, таблицы в большинстве своем составлены диссертантом. В тех случаях, когда использованы данные других авторов, указана их принадлежность со ссылкой на первоисточники.
Научная новизна работы. В результате выполненных исследований установлена значительная неоднородность температурного поля и выявлены особенности теплового режима нестационарных мерзлых толщ горных пород Вилюйской синеклизы.
На основании имеющихся и вновь полученных автором материалов геотермических исследований проведен анализ и дана оценка мощности многолетнемерзлой толщи отдельных месторождений, структур и Вилюй-ской синеклизы в целом, где она изменяется в широких пределах.
В лабораторных условиях выполнены определения теплофизических свойств основных типов горных пород по керновому материалу, отобранному в интервале глубин от первых десятков до 2000 метров. Дана оценка теплопроводности для естественных условий (при полном влагонасыщении) и эффективной теплопроводности для толщ горных пород (свит, ярусов, горизонтов).
Используя данные проведенных теплофизических и геотермических исследований, выполнена оценка величины внутриземного теплового потока и особенности его распределения в пределах рассматриваемой территории.
Полученные данные о геотемпературном поле и мощности многолет-немерзлой толщи систематизированы по геолого-структурному принципу, обобщены и проанализированы с геокриологической точки зрения, что дало возможность выявить региональные особенности их распространения.
Составлены карты мощности многолетнемерзлых пород, тепловых потоков, геотермические, а также серия мерзлотно-геотермических разрезов отдельных площадей, структур и синеклизы в целом.
Предметом защиты являются выявленные автором особенности формирования геотемпературного поля криолитозоны, базирующиеся на структурно-геологическом подразделении территории, анализе данных
геотермических исследований, теплофизических свойствах горных пород и значениях внутриземного теплового потока исследуемой территории. Полученные выводы включают в себя следующие основные защищаемые положения:
-
Установлена значительная неоднородность и выявлены особенности температурного режима нестационарных мерзлых толщ, в которых по геотемпературным кривым выделяются четыре интервала, отличающихся величиной и знаком геотермического градиента.
-
Теплопроводность горных пород верхней части литосферы в пределах Вилюйской синеклизы изменяется в широких пределах (от 1,1 – для песков до 4,4 Вт/(м*К) – для алевролитов), увеличиваясь прямо пропорционально возрасту и глубине их залегания.
-
Мощность многолетнемерзлой толщи в пределах Вилюйской сине-клизы варьирует от 45 до 820 м и имеет тенденцию к сокращению в восточном направлении. Это связано с повышением в этом направлении внутризем-ного теплового потока и особенностями палеогеоморфологических условий территории. Даже в относительно небольших положительных структурах отмечается значительная амплитуда колебаний мощности ММТ, которая достигает 200 метров.
Публикации и апробация работы. Материалы и результаты, составившие основу диссертации, получены в процессе разработки ряда государственных комплексных научно-технических программ и хоздоговорных работ:
– 2009 г., договор «Сахатранснефтегаз» (№ 3/09 от 10.03.2009 г.) «Геотермические исследования на Среднетюнгском ГКМ»;
– 2010 – 2012 гг., программа VII.63.2. «Природные и техногенные системы в криосфере Земли и их взаимодействие» по проекту VII.63.2.3. «Геотеплофизические и геохимические поля криолитозоны Северной Азии. Динамика и прогноз их развития»;
– 2013 – 2016 гг., программа VIII.77.2. «Криогенные, геологические и физико-химические процессы и их роль в формировании и развитии природных и техногенных систем криосферы», проект VIII.77.2.3. «Геотемпературное поле и эволюция криолитозоны Северной Азии»;
– 2017-2018 гг., программа «IX.135.2. «Криогенные, геологические и физико-химические процессы и их роль в формировании и развитии природных и техногенных систем криосферы» и интеграционный проект фундаментальных исследований СО РАН (2018 – 2020 гг.) «Палеореконструкция теплового поля и криолитозоны Вилюйской синеклизы в позднем плейстоцене-голоцене».
Основные положения диссертации нашли свое отражение в 14 публикациях (2 из которых – в журналах из перечня ВАК), 8 отчетах по НИР и доложены на 11 научных конференциях и совещаниях.
Личный вклад автора. В диссертации изложены результаты геотермических исследований, выполненных лично автором или при его непосредственном участии. Автор на протяжении 8 лет являлся бессменным начальником полевого отряда, ответственным исполнителем 4 бюджетных научно-технических проектов. Им самостоятельно разработана и осуществляется программа геокриологического мониторинга в регионе. Совместно с сотрудниками лаборатории геотермии криолитозоны ИМЗ СО РАН разработана и создана «База геокриологических данных Вилюйской синеклизы» (свид. о гос. рег. № 2016620833).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем рукописи составляет 174 страницы, в том числе: текст – 106, иллюстрации – 62, таблицы – 21, список литературы – 170 наименований.
Благодарности. Автор выражает признательность и благодарность научному руководителю д.г.-м.н. М. Н. Железняку, а также сотрудникам лаборатории геотермии Института мерзлотоведения СО РАН за полученные советы, наставления и поддержку. Особую благодарность хочется выразить В. Б. Черненко (ОАО «Сахатранснефтегаз»), В. И. Тарану (Институт проблем нефти и газа СО РАН), коллегам А. В. Пазынич, Т. А. Афанасьевой за помощь в камеральной обработке, коллегам по ИМЗ СО РАН – участникам полевых отрядов А. С. Егорову, М. Н. Железняку, И. Е. Мисайлову, Д. А. Находкину, Г. Т. Максимову, А. Р. Кириллину, экипажу судна «Мерзлотовед» А. В. Ларионову, В. М. Ларионову, которые помогли автору собрать основной объем фактических данных и делили все тяготы полевой жизни.
Геологическое строение
Вилюйская синеклиза представляет собой крупную впадину, выполненную терригенными морскими и континентальными верхнепалеозойскими и мезозойскими отложениями, и простирается на обширной территории между Анабарской антеклизой на севере и Алданской на юге. На востоке она граничит с Верхоянской орогенной областью, а на западе системой выступов и поднятий, входящих в состав Непско Ботуобинской антеклизы. Впервые эта структура выделена А.Г. Ржонсницким в еще дореволюционное время (1913 г) в качестве крупной синклинальной структуры. В дальнейшем по полю развития мезозойских отложений академик Н.С. Шатский назвал её сначала впадиной, а затем синеклизой.
Изучению геологического строения синеклизы в целом и ее отдельных структур посвящены работы Г.Д. Бабаяна, В.А. Вахрамеева, В.Г. Васильева, А.А. Гудкова, В.В. Забалуева, А.В. Лейцига, О.К. Литвиненко, Ю.С. Нахабцева, Е.И. Бодунова, А.А. Николаевского, В.В, Панова, Ю.М. Чумакова, Г.И. Штеха, К.Б. Мокшанцева, М.И. Дормана, В.И. Вожова, Н.В. Черского, Б.А. Соколова, В.С. Ситникова, В.Е. Бакина, Г.С. Фрадкина, Л.М. Натаповой, А.А. Трофимука, А.Ф. Софронова, А.Г. Берзина и многих других исследователей. Синеклиза является структурой длительного становления, формировавшейся на протяжении всей истории развития Сибирской платформы.
Согласно тектонического районирования (рис.1.6), разработанной М.И. Дорманом, К.Б. Мокшанцевым и др. (Тектоническая…, 1973) Вилюйская синеклиза расположена в восточной части Сибирской платформы. Фундамент синеклизы имеет блоковое строение и вследствие этого структуры чехла тоже неоднородны по своему строению. (Тектоника, геодинамика…, 2001).
Вилюйская синеклиза, развивавшаяся с протерозоя до конца мезозойской эры, имела в отдельные этапы не только различные размеры и конфигурацию, но и существенно отличные структурные планы. По отложениям верхнего мела, распространенным в ее центральных и восточных районах, она представляет собой широкую плоскую мульду с почти горизонтальным залеганием пород. По юрским и нижнемеловым породам синеклиза имеет максимальные размеры и более сложное строение. В ее пределах отмечаются крупные пологие поднятия, обширные прогнутые зоны и более многочисленные локальные поднятия, но, в общем, она также может быть охарактеризована как впадина достаточно простого строения. Значительно более сложно синеклиза построена по палеозойским толщам. Под отложениями юры, особенно в западной части синеклизы, по геофизическим данным установлен ряд крупных положительных и отрицательных структур, в строении которых участвуют кристаллические породы архея и отложения палеозоя (Геология СССР, 1970).
По особенностям современного строения и тектонического развития Вилюйская синеклиза разделяется на западную и восточную части, разделенные Тюкян-Чебыдинской моноклиналью. Первая включает в себя Сунтарский свод и сопряженных с ним Ыгыаттинскую и Кемпендяйскую впадины. В восточной части синеклизы выделяются Линденская впадина, Лунгхинско-Келенский прогиб и разделяющий их Хапчагайский вал, севернее отмечается Малакай-Логлорский вал, южнее Тангнарынский прогиб. Борта синеклизы представлены моноклиналями: северный – Хоргочумской, южный – Бескюельской. В их пределах мощность верхнепалеозой-мезозойских терригенных отложений последовательно возрастают к внутренней части синеклизы. Для внутренней зоны характерны значительные мощности осадочного чехла при преобладающем значении верхнепалеозой-мезозойских отложений. Роль нижне- и среднепалеозойских отложений здесь заметно снижена, мощность их до 3 км и на большей части этой территории они залегают на глубинах свыше 7 км.
Фундамент синеклизы сложен в основном раннеархейскими образованиями (продолжением) Центрально-Алданского блока (гранитогнейсовой области) Алданского щита. В основании небольшой части синеклизы на западе и на востоке устанавливаются гранит-зеленокаменные позднеархейские образования, являющиеся продолжениями к северу Олекминского и Батомгского блоков Алданского щита соответственно. По геофизическим данным эти блоки прерываются в пределах впадин, но продолжаются на Сунтарском своде и далее к северу в пределы Анабаро Оленекской антеклизы и на Анабарском щите. Глубина залегания кристаллического фундамента весьма изменчива. Под впадинами она колеблется в пределах от 5 до 14 км. В пределах поднятий мощность чехла сокращается до первых километров, а где-то до первых сотен метров (Сунтарский свод). В районе Патомско-Вилюйского авлакогена кристаллический фундамент интенсивно раздроблен и состоит из системы блоков разной амплитуды погружения. На одних блоках мощность платформенного чехла составляет 1-2 км, на других возрастает до 10-14 км (Булдыгеров, 2007).
Для Вилюйской синеклизы характерно довольно значительное несоответствие структурных планов по поверхности фундамента и разновозрастным структурам чехла, в связи с чем здесь, наряду с унаследованными структурами сквозного развития, выделяются погребенные и новообразованные структуры. Структуры, выделенные в доверхнепалеозойском основании, как правило, не имеют отражения в вышезалегающей толще платформенного чехла. И, наоборот, крупные структуры, закартированные сейсморазведкой МОВ по отложениям перми, триаса и юры в восточной части Вилюйской синеклизы, отсутствуют в ниже залегающих породах чехла и рельефе кристаллического фундамента (Берзин, 2011).
По структурно-формационным признакам и составу отложений осадочный чехол изучаемой территории разбивается на три толщи, границы между которыми приходятся на раздел между рифейско нижнепалеозойскими, среднепалеозойскими и верхнепалеозойско мезозойскими структурно-формационными комплексами (рис. 1.7). Первый сложен терригенно-карбонатными, кверху последовательно сменяющимися карбонатными ассоциациями формаций, второй – терригенными, карбонатными, вулканогенными и галогенными, третий – исключительно терригенными преимущественно угленосными, в основном континентальными ассоциациями. Границы между ними формационно-резкие, с перерывами в осадконакоплении (Берзин, 2011).
Рифейские отложения распространены на территории синеклизы фрагментарно. В центральной части синеклизы выделяется Патомско Вилюйский авлакоген, где продолжаются рифейские толщи Байкало Патомского перикратонного прогиба, мощность их достигает 6-8 км. К бортам авлакогена мощности этих толщ резко сокращаются. Они объединены в патомскую серию средне-верхнего рифея, залегающую с угловым несогласием на породах раннего докембрия, и состоящую из трех трансгрессивных циклов. Начинаются циклы с песчаников, алевролитов и филлитовидных сланцев, а заканчиваются толщами доломитов и известняков со строматолитами. Есть также признаки наличия в фундаменте синеклизы продолжения Уринского позднепротерозойского авлакогена северо восточного простирания. Патомская серия с размывом и местами со слабым угловым несогласием перекрыта терригенными отложениями жербинской свиты венда. На остальной части синеклизы рифейские отложения устанавливается фрагментарно. Представлены они маломощным верхнерифейским плитным комплексом аргиллито-алевролито-песчаного состава (верхневилючанская свита) с максимальной мощностью 210 м. Кое - 27 где выше залегает песчано-аргиллито-доломитовая бочугунорская свита максимальной мощностью 210 м. По простиранию ее мощности сокращаются, исчезают карбонатные породы, а преобладают песчаники (Булдыгеров, 2007).
Венд-кембрийские отложения, повсеместно залегающие на рифейских образованиях с размывом, известны в пределах всей синеклизы. В основании они представлены терригенными осадками, часто грубозернистыми. Вверх по разрезу объем терригенного материала уменьшается и возрастает роль карбонатно-глинистых и (или) эвапоритовых осадков, с которыми связаны месторождения нефти и газа.
Методика формирования геокриологической мониторинговой сети
В данном разделе рассмотрена методика формирования мониторинговой сети для оценки динамики температуры пород в слое годовых теплооборотов. Эти работы имеют только начальный этап.
Выбор мониторинговых участков основывался на мерзлотно-ландшафтной дифференциации территории методом ключевых участков. А.Н. Федоровым в соавторстве с соискателем была составлена карта-схема мерзлотных ландшафтов центральной части Вилюйской синеклизы (рис. 2.6). В ее пределах выделено 13 основных типов мерзлотных ландшафтов. В пределах этой части структуры, оборудовано 11 мониторинговых площадок, из которых 2 в 2011 году, 1 в 2014 году и 8 в 2015 году (см. рис. 4.1).
При изучении температурного режима пород, в последнее время, широко применяют системы автоматической регистрации температуры -логгеры. Методика использования этих устройств в полевых условиях приведена в работе П.Я. Константинова (2012). Однако методические приемы оборудования точек наблюдений корректируются многими исследователями. На первоначальном этапе оборудования режимной наблюдательной сети, нами исходя из технических возможностей, было принято решение о заложении логгерных станций в различных ландшафтных условиях на глубину 1 м. Однако, в процессе выполнения работ ряд станций были установлены на глубину 0,5 м.
В качестве измеряемого устройства (логгера) нами использовались одноканальные логгеры типа U22-001 фирмы HOBO (рис. 2.7). Используемые логгеры выпускаются серийно и имеют сертификаты соответствия. Перед закладкой логгерных устройств, проводилась их контрольная поверка.
Закладка одноканальных логгеров осуществляется для регистрации температуры горных пород в одной точке с определенным интервалом времени. Логгер закладывался в предварительно пробуренную скважину, обсаженную цельными полимерными трубами (диаметром 50 мм) заглушенную снизу. Проходка скважины осуществлялась ручным способом с диаметром бурения 57 мм.
В целях предотвращения попадания в ствол скважины поверхностных стоковых вод, верхняя часть полимерной трубы оставлялась на 5-10 см выше поверхности земли. Для исключения конвективного переноса тепла в пределах ствола скважины и попадания в неё атмосферных осадков, после установки логгера оголовок скважины тампонировался. После установки логгера производилось максимально возможное восстановление естественного поверхностного покрова – рекультивация площадки.
Восстановление естественных условий площадки, также можно отнести к противовандальным мероприятиям. Интервал замера температуры горных пород, исходя из многолетнего опыта измерения в районах распространения ММП, устанавливался для всех датчиков единым и составлял 4 часа. При этом автономность работы логгерной системы с учетом ресурса памяти и заряда батареи составляет 3-4 года, после чего необходимо произвести замену его питания.
Описанный комплекс методов был использован нами для получения геокриологической информации, выполнения расчетов, построения графических материалов. Выполненные при непосредственном участии автора геокриологические исследования, ориентируемые на изучение геотемпературного поля и мощности многолетнемерзлой толщи, подтвердили и существенно дополнили, в совокупности с исследованиями предшественников, представление о криолитозоне рассматриваемой структуры.
Китчанская зона надвиговых дислокаций
Данная структура расположена в восточной части Вилюйской синеклизы и отделяет собой Хапчагайский вал с запада от Китчанского выступ с востока. Китчанская зона осложнена двумя структурами Усть-Вилюйской и Сабо-Хаинской, где открыты одноименные газовые месторождения (см. рис. 3.1).
Усть-Вилюйская структура в административном отношении расположена на территории Кобяйского улуса (района) Республики Саха (Якутия) в устье р. Вилюй на его правом берегу. Структура представляет собой двухкупольную брахиантиклиналь. Западный и восточный купола структуры разделены двумя надвигами с амплитудой перемещения около 100 м (западный надвиг) и более 200 м (восточный надвиг) (Тектоника, геодинамика…, 2001, Погодаев А.В., 2016).
Геотермические измерения на данном месторождении проводились в период 1960-1975 гг. сотрудниками лаборатории геотермии Девяткиным В.Н., Данилевским С.В. и др. (скв. №5,6 и 12), а в 2010-2015 годах автором до глубины 950 метров (скв. №5) (рис. 3.19). По результатам выполненных измерений отмечено, что температура горных пород на глубине 20 метров варьирует от -1,0 до -2,8 оС, на глубине 100 м от -0,8 до -1,1 оС, на глубине 500 м от 10,9 до 12,5 оС и на глубине 900 м она изменяется от 25,1 до 25,3 оС. До глубины 150 метров температура пород имеет отрицательные значения. В интервале глубин 20 – 140 м она изменяется от -0,1 до -1,9 оС. Геотермический градиент в интервале глубин от 20 до 50 м изменяется от -0,4 до -2,6 оС/100 м при среднем значении -1,2 оС/100 м. По данным геотермических исследований в 2010 г (скв. № 5) в интервале глубин 50 – 70 м фиксируется безградиентная температурная зона. В интервале глубин 70 – 140 м величина геотермического градиента возрастает при среднем его значении 1,7 оС/100 м. С глубины 150 м температура по стволу скважины имеет положительные значения и повышается с глубиной с геотермическим градиентом от 1,9 до 6,3 оС/100 м в зависимости от геологического разреза. В среднем в подмерзлотной зоне величина геотермического градиента в пределах структуры имеет среднее значение 3,4 оС/100 м. По полученным данным мощность многолетнемерзлой толщи на рассматриваемой площади оценивается в 140 метров.
Сабо-Хаинская площадь в административном отношении расположена на территории Кобяйского улуса (района) Республики Саха (Якутия) в устье р. Вилюй. В орографическом отношении этот участок представляет собой останец сильно размытой террасы р. Лены в виде острова Сабо-Хая, с превышением от уреза реки до 60 м. Территория покрыта старицами, озерами и болотами. Площадь приурочена к одноименной куполовидной брахиантиклинали северо-западного простирания, представляющей собой фронтальную антиклиналь, более крутое юго-западное крыло которой срезано надвигом. Размеры складки по замкнутой изогипсе 700 м (кровля марыкчанской свиты верхней юры) 5х4 км при амплитуде около 100 м (Тектоника, геодинамика…, 2001).
Геотермические измерения на данном месторождении проводились в период 1961-1978 гг. сотрудниками лаборатории геотермии (скв. №1,2 и 6), а в 2010 и в 2015 году при участии автора в трех скважинах (№ 2,6 и 7, рис.3.20). По результатам геотермических измерений установлено, что градиент температуры имеет положительные значения по всей глубине измерений. В мерзлой зоне его величина варьирует от 0,5 (скв. №7) до 3,4 (скв. №2) оС/100 м при среднем значении 1,42 оС/100 м. В подмерзлотной зоне он изменяется от 1,5 (скв. №2) до 6,7 оС/100 м (скв. №7), при среднем значении 3,28 оС/100 м в зависимости от геологического разреза.
Температура горных пород, по полученным данным, на глубине 20 м изменяется от -0,4 (скв. №7,6) до -1,5 (скв. №2). На глубине 100 м варьирует от 0,6 до 2,0 оС, а на глубине 300 м от 7,4 до 8,3 оС. Средние значения температуры пород на глубинах 500 и 800 м соответственно равны 13,6 и 23,5 оС. Мощность многолетнемерзлой толщи на Сабо-Хаинской площади колеблется от 45 до 75 метров.
По данным выполненных геотермических исследований в пределах Китчанской зоны надвиговых дислокаций температура горных пород на глубине 20 м изменяется от -0,4 до -2,5 оС, на глубине 100 м от -1,1 до 2,0 оС, на глубине 900 м она варьирует от 25,1 до 25,3 оС. Мощность многолетнемерзлой толщи в пределах данной структуры изменяется от 45 до 140 метров, где она имеет наименьшее значение для всей Вилюйской синеклизы в целом.
Особенности геотемпературного поля и залегания ММТ
Выполненными геотермическими исследованиями в пределах Вилюйской синеклизы установлен нестационарный температурный режим горных пород. Нестационарность многолетнемерзлой толщи определяется разностью тепловых потоков в мерзлоте (qм) и подмерзлотном горизонтах (qт). Так при qT qM – существует нестационарная мерзлая толща, оттаивающая снизу. Скорость оттаивания такой толщи зависит от разницы тепловых потоков и влагоемкости (льдистости) пород (Балобаев, 1991). При этом минимальные значения температуры горных пород, в большей части структуры, фиксируются на глубинах 60-130 метров. Температура в пределах различных структур на глубине 20 м варьирует от +0,2 до -3,2 оС, на глубине 500 м изменяется от –1,4 до +13,7 С и на глубине 1000 м от +11,6 до +17,6 С.
В результате анализа геотемпературных кривых, по характеристике их изменения с глубиной, на большей части Вилюйской синеклизы выделяется четыре интервала (табл.4.16), отличающихся величиной и знаком градиента температуры: 1 – область с отрицательным градиентом в толще многолетнемерзлых пород мощностью от 20 до 110 м; 2 –безградиентная или слабоградиентная область в толще многолетнемерзлых пород мощностью от 20 до 160 м; 3 – область с положительным градиентом в толще многолетнемерзлых пород мощностью от 20 до 510 м; 4 – область с положительным градиентом в толще талых пород.
Геотермическими исследованиями установлено, что в центральной и северо-западной частях синеклизы, где мощность ММТ достигает 400 м и более, на ее подошве отмечается безградиентная зона (фазовых переходов), мощность которой достигает 50 м. В восточной же части, где мощность мерзлой толщи составляет менее 150 м, такие области не зафиксированы. Это связано с поднятием нижней границы ММТ в породах с высокой льдистостью, где происходят фазовые переходы (лед–вода).
По имеющимся и полученным данным о мощности криогенной толщи в пределах исследуемой территории (таблица 4.17), автором составлена карта залегания нижней границы многолетнемерзлой толщи (рис.4.15), и построена серия мерзлотно-геотермических разрезов (рис.4.16-4.21), которые характеризуют температурное поле и особенности залегания многолетнемерзлой толщи в пределах отдельных структур и Вилюйской синеклизы в целом.
Согласно полученным результатам мощность ММТ Вилюйской синеклизы изменяется в широких пределах от 45 до 820 метров. По мощности многолетнемерзлой толщи в пределах Вилюйской синеклизы выделяется – западная; северная; центральная и юго-восточная части. К западной относится Ыгыаттинская и Кемпендяйская впадины и разделяющий их Сунтарский свод, где мощность многолетнемерзлой толщи имеет выраженную широтную зональность. Здесь она возрастает со 170 м - в южной (61о10 с.ш.) до 700 м - в северной частях (63о25 с.ш.). К северной части приурочен северный борт синеклизы, где происходит постепенное увеличение мощности в западном направлении с 640 до 820 м.
Более сложное залегание нижней границы многолетнемерзлой толщи отмечается в центральной и юго-восточной частях синеклизы. Так, в пределах Хапчагайского вала мощность ММТ изменяется в широких пределах и варьирует от 420 до 630 метров. Существенные колебания мощности ММТ выявлены и на отдельных геологоразведочных площадях и месторождениях (см. рис. 3.4).
Анализ зависимости мощности многолетнемерзлой толщи от параметров продуктивных горизонтов показал отсутствие прямой связи этих параметров. Это объясняется глубоким (более 2 км) залеганием продуктивных горизонтов, вследствие чего прямая зависимость исследуемых параметров не выявляется. Однако, влияния экзотермических реакций в залежах углеводородов на нижнюю границу ММТ полностью исключать не следует. Выявленные колебания мощности мерзлых толщ в пределах отдельных месторождений и локальных структур, объясняются общим перераспределением (фокусированием) внутриземного теплового потока локальными антиклинальными структурами (поднятиями). Такое фокусирование теплового потока происходит в сложной термодинамической среде, обусловленной относительно не высокими значениями теплопроводности осадочных горных пород и высокой степенью их вариации, наличием локальных дизъюнктивных тектонических нарушений и наличием подмерзлотных вод, вовлеченных в фазовую составляющую, на нижней границе залегания многолетнемерзлых толщ. В результате изогипсы подошвы ММТ в плане имеют схожий характер с тектоническим строением этих локальных структур (см. рис. 3.4, 3.13). Такая зависимость выделяется на всех поднятиях Хапчагайского вала, а также в пределах Малыкай-Логлорского вала, где мощность многолетнемерзлой толщи изменяется от 720 м в его осевой части до 520 м в центральной части. Более выдержанными структурами по мощности многолетнемерзлой толщи Вилюйской синеклизы характеризуются его моноклинали и отрицательные структуры более низкого порядка. Так в пределах Хоргочумской моноклинали (северный борт синеклизы) мощность многолетнемерзлой толщи изменяется от 640 м до 820 м. Здесь криогенная толща имеет широтную зональность, постепенно и равномерно увеличиваясь с восточной границы структуры до западной, где в области сочленения с южным крылом Анабарской антеклизы она достигает максимальных своих значений в пределах исследуемой территории.
В пределах Бескюельской моноклинали (южный борт синеклизы, см. рис.3.1) мощность многолетнемерзлой толщи изменяется от 380 до 480 метров. Здесь отмечается тенденция увеличения мощности многолетнемерзлой толщи в северо-восточном направлении. Подобная тенденция на увеличения мощности ММТ от 460 до 600 метров отмечается в пределах Тюкян Чебыдинской моноклинали, разделяющей западную и восточную части синеклизы. Линденская впадина, несмотря на относительно высокие значения теплового потока, характеризуется мощной толщей многолетнемерзлых пород, где она изменяется от 680 до 700 метров, нарастая в северном направлении.
Минимальные значения мощности многолетнемерзлой толщи отмечаются в центрально-восточной части синеклизы в Китчанской зоне надвиговых дислокаций, где она изменяется от 45 до 140 метров. Это обусловлено высокими значениями здесь внутриземного теплового потока и палеогидрологическими условиями на поверхности.
Таликовые области в пределах Вилюйской синеклизы распространены под крупными водоемами и водотоками. Сквозной талик приурочен к бассейну р. Лена и распространяется на всем его протяжении в пределах синеклизы. По данным А.И. Ефимова, П.А. Соловьева и др. подрусловой талик в среднем течении реки Вилюй отмечается до глубины 60-80 метров.