Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические и методологические основы инженерно-геологического изучения нефтегазоносных провинций арктического шельфа 16
1.1 Состояние проблемы, инженерно-геологическая изученность региона 16
1.1.1 Этап сбора первичной геологической и инженерно-геологической информации (до 1969 г.)
1.1.2 Этап разработки концептуальных основ инженерно-геологического изучения арктических шельфов (1969 г. - начало 1980-х годов)
1.1.3 Этап специализированного инженерно-геологического изучения нефтегазоперспективных площадей Западно-Арктического шельфа России (начало 1980-х годов - настоящее время)
1.2 Теоретические основы инженерно-геологического изучения нефтегазоносных провинций арктического шельфа 24
1.2.1 Объект и предмет исследований 24
1.2.2 Океанографические и мерзлотные условия 29
1.2.3 Горные породы и донные осадки, инженерно-геологическая стратификация и таксономия
1.2.4 Оценка гидрогеологических условий
1.2.5 Современные геологические процессы и явления, классификация и картографирование 49
1.2.6 Техногенные воздействия и устойчивость геологической среды
1.3 Методология морских инженерно-геологических исследований и картографирование
1.4 Мониторинг геологической среды шельфа и концепция геоэкологической паспортизации нефтегазовых месторождений арктического шельфа
Глава 2. Геоморфология и инженерно-геологическая типизация рельефа 84
Глава 3. Горные породы и донные осадки (условия формирования и пространственная изменчивость инженерно-геологических свойств) 98
3.1 Грунты покровного (голоценового) инженерно-геологического комплекса 102
3.1.1 Глинистые илы 105
3.1.2 Суглинистые илы 111
3.1.3 Супеси 115
3.1.4 Пески мелкие и пылеватые, крупнообломочные грунты 116
3.1.5 Факторный анализ состава и физических свойств голоценовых грунтов 119
3.2 Комплекс плейстоценовых мягких и рыхлых грунтов 124
3.2.1 Модель диагенеза в условиях позднекайнозойского промерзания... 124
3.2.2 Верхненеоплейстоценовые инженерно-геологические мегагоризонты 128
3.2.3 Эоплейстоцен-средненеоплейстоценовые инженерно-геологические мегагоризонты 148
3.3 Дочетвертичные отложения и горные породы 156
3.3.1 Комплекс мезозойско-кайнозойских (дочетвертичных) полускальных, мягких и рыхлых отложений 156
3.3.2 Комплексы архейско-протерозойских и палеозойских скальных и полускальных пород 161
Глава 4. Гидрогеологические условия 164
4.1 .Тимано-Скандинавская гидрогеологическая складчатая область 165
4.2. Баренцево-Карская артезианская область 168
4.3 Печорский артезианский бассейн 174
4.4 Предновоземельский артезианский бассейн 190
4.5 Урало-Новоземельская гидрогеологическая складчатая область 191
4.6 Южно-Карский артезианский бассейн 195
4.7 Таймыро-Североземельская гидрогеологическая складчатая область ... 201
4.8 Земли Франца-Иосифа гидрогеологический адмассив 201
Глава 5. Опасные геологические процессы и явления 204
5.1 Основные факторы развития опасных геологических процессов и явлений 204
5.2 Геодинамические (эндогенные) процессы и явления 206
5.3 Литодинамические процессы и явления 214
5.3.1 Гидродинамические 214
5.3.2 Гравитационные (склоновые) 221
5.4 Геокриогенные процессы и явления 223
5.4.1 Термоабразионные процессы 223
5.4.2 Термокарст 226
5.4.3 Айсберговое выпахивание 227
5.4.4 Выпахивание торосами 230
5.4.5 Воздействие припайного льда 231
5.5 Физико-химические и биохимические процессы и явления 232
5.5.1 Выделение и миграция свободных газов 232
5.5.2 Гумификация и битумизация 235
5.5.3 Субаквальная коррозия 240
Глава 6. Устойчивость геологической среды западно- арктической нефтегазоносной провинции 241
6.1 Строительство и эксплуатация месторождений углеводородов 242
6.1.1 Осадка донной поверхности и возникновение техногенных землетрясений за счёт извлечения подземных флюидов 244
6.1.2 Устойчивость при строительстве и эксплуатации придонных нефтегазопромысловых сооружений 255
6.1.3 Устойчивость при транспортировке газа по морскому дну 261
6.2 Подъём затонувших инженерных объектов 272
6.3 Полиэлементное техногенное загрязнение 278
Заключение 281
Список литературы 296
- Теоретические основы инженерно-геологического изучения нефтегазоносных провинций арктического шельфа
- Геоморфология и инженерно-геологическая типизация рельефа
- Комплекс мезозойско-кайнозойских (дочетвертичных) полускальных, мягких и рыхлых отложений
- Таймыро-Североземельская гидрогеологическая складчатая область
Введение к работе
Актуальность проблемы. Основной задачей океанологии является комплексное изучение различных (физических, химических, биологических и геологических) аспектов природы Мирового океана для наиболее эффективного использования его ресурсов человеком. Для решения этой задачи в океане выполняются измерения разнообразных характеристик и свойств, исследуются управляющие различными процессами закономерности и разрабатываются теории, составляется прогноз развития процессов. Предлагаемое диссертационное исследование посвящено решению теоретических и практических вопросов инженерно-геологического обеспечения строительства и безопасной эксплуатации сооружений подводного промысла углеводородного сырья на Баренцево-Карском шельфе.
В результате цикла работ на нефть и газ в Баренцевом и Карском морях, выполненных в 1970-80-х гг. силами Министерства геологии и топливно-энергетических ведомств страны, была открыта и подготовлена к освоению Западно-Арктическая шельфовая нефтегазоносная провинция (включающая нефтегазоносные и перспективные структуры Баренцева с Печорским и Карского морей), недра которой содержат до 80% ресурсов арктического шельфа России (по современному состоянию изученности). В пределах провинции было выявлено и разведано более 10 промышленных нефтяных, нефте-, газоконденсатных и газовых месторождений, включая 4 уникальных (Штокмановское и Ледовое в Баренцевом море, Ленинградское и Русановское -в Карском) и 4 крупных. В 1995 году за это открытие группе учёных и геологоразведчиков во главе с академиком И.С.Грамбергом была присуждена Государственная премия России.
На Западно-Арктическом шельфе России усилиями специалистов морской геологической отрасли открыты не только акваториальные продолжения бассейнов суши (Тимано-Печорская и Западно-Сибирская НГП), но и самостоятельные, возможно, более богатые шельфовые нефтегазоносные бассейны (Баренцевская НГП). Доля продуктивных скважин на Баренцево-Карском шельфе достигает 70 %, прирост запасов на одну скважину превышает 100 млнт УТ, а средние запасы на одно открытое за последние годы месторождение почти в 50 раз превышают соответствующий показатель для суши. В ближайшие годы Западно-Арктический шельф России станет областью интенсивной разработки морских месторождений нефти и газа, среди которых нефтяные Приразломное и Варандейское, газоконденсатное Штокмановское и многие другие; будут установлены нефтегазодобывающие платформы, созданы терминалы и насосные станции, построена сеть трубопроводов.
К настоящему времени выполнены разрозненные инженерно-геологические работы на нефтегазоперспективных площадях Баренцево-Карского шельфа (АМИГЭ, МАГЭ), на месторождениях ракушняков и трассах проектируемых коммуникаций (МАГЭ, ВНИИОкеангеология), на объектах геоэкологического изучения. Назрела острая необходимость регионального обобщения инженерно-геологических условий Западно-Арктического шельфа России как системы знаний о взаимодействии основных природных компонентов геологической среды шельфа с нефтегазопромысловыми сооружениями.
Предлагаемое диссертационное исследование раскрывает инженерно-геологические условия перспективной в отношении нефтегазоносности площади Баренцево-Карского шельфа, ограниченной с запада государственной границей России, с востока - полуостровом Ямал и с севера - широтой северного окончания архипелага Новая Земля.
Цель и задачи исследования.
Основная цель диссертационной работы - разработка теоретических основ и выработка общих практических рекомендаций по инженерно-геологическому обеспечению обустройства и безопасной эксплуатации месторождений углеводородов Баренцево-Карского шельфа.
Для достижения цели необходимо решить задачи:
1. Уточнить структуру системы знаний «Инженерная геология арктической шельфовой нефтегазоносной провинции».
2. Обобщить имеющиеся материалы по всем природным компонентам геологической среды с захватом морской (водной) и ледовой сред.
3. Выполнить инженерно-геологическую стратификацию грунтов с подробной характеристикой основных подразделений, образующих геологическую среду сооружений, а также всех основных взаимодействующих между собой компонентов инженерно-геологических условий.
4. Установить влияние свойств грунтов основания, природных и техногенных процессов на устойчивость инженерных сооружений.
Исходные материалы. Работа выполнена в целях реализации утверждённого 27 июля 2001 года Президентом России основополагающего документа, определяющего государственную политику страны в области морской деятельности - «Морской доктрины Российской Федерации на период до 2020 года», где указано, что «перспектива истощения запасов углеводородного сырья и других минеральных ресурсов на континентальной части предопределяет переориентацию разведки и добычи ресурсов полезных ископаемых на континентальный шельф, а в перспективе и на океанические склоны и ложа океанов». Детализация задач морской доктрины изложена в Федеральной целевой программе «Экология и природные ресурсы России (2002-2010)», в разработанной Министерством природных ресурсов России «Долгосрочной программе действий МПР России в части разведки и использования природных ресурсов и обеспечения охраны окружающей среды», «Концепции изучения и освоения УВ ресурсов континентального шельфа Баренцевоморской провинции», «Программе лицензирования и проведения геологического изучения разведки и разработки УВ ресурсов континентального шельфа Северных и Дальневосточных морей на период 2002-2005 гг.», отраслевой программе «Изучение геологического строения и минеральных ресурсов континентального шельфа России на 2002-2010 гг.». «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года» определяет континентальный шельф в качестве одного из приоритетов развития базы углеводородного сырья.
В основу диссертации положены результаты собственных исследований автора, выполненных во Всероссийском научно-исследовательском институте геологии и минеральных ресурсов Мирового океана (ВНИИОкеангеология) в 1991-2005 годах. Работы по научно-исследовательским темам, где автор был ответственным исполнителем (т. 402, 1996-98 гг.; т. 443, 1999-2000 гг.; т. 517, 2000 г.), были направлены на изучение инженерно-геологических условий нефтегазовых месторождений Западно-Арктического шельфа, выработку научно-методических основ инженерно-геологических исследований в системе мониторинга геологической среды шельфа, разработку инженерно- геологических аспектов геоэкологических требований к производству нефтегазоразведочных работ и к эксплуатации нефтегазовых месторождений на шельфах России. Использованы материалы комплексных инженерно- геологических работ на нефтегазоперспективных площадях Баренцево- Карского шельфа (АМИГЭ, МАГЭ и др.), на месторождениях ракушняков и трассах проектируемых коммуникаций (МАГЭ, ВНИИОкеангеология), на других объектах инженерно-геологического и геоэкологического изучения. Проанализировано около 30000 определений физико-механических свойств и свыше 4500 определений гранулометрического состава грунтов Баренцево- Карского шельфа, подготовлены обзорные карты: инженерно-геологическая и развития опасных геологических и природно-техногенных процессов и явлений. Пластовые воды различных участков Западно-Арктического шельфа были охарактеризованы при подготовке листов Государственной геологической карты Российской Федерации масштаба 1:1000000 (новая серия), часть из которых опубликована. Для листа, посвященного Печорскому морю, составлена инженерно-экогеологическая схема масштаба 1:2500000, отразившая опасные (для инженерных объектов) геологические и природно-техногенные процессы на шельфе и прилегающей суше. Кроме того, автор участвовал в работах по изучению инженерно-геологических условий строительства проектируемых вариантов подводных газопроводов Штокмановского газоконденсатного месторождения, в морских исследованиях инженерно-геологических условий подъёма затонувшей АПЛ «Комсомолец» и строительства трансарктической волоконно-оптической линии связи «Поларнед».
Научная новизна. Показано, что одним из главнейших инженерно-геологических факторов в регионе является нарушение устойчивости геологической среды нефтегазопромысловых сооружений при извлечении углеводородного сырья в процессе эксплуатации подводных сооружений (наряду с воздействием на донные грунты морских и подземных льдов различных типов). Разработаны инженерно-геологические классификации природных и техногенных процессов и явлений, уточнено для условий шельфа понятие устойчивости. Показана роль возможной низкой (отрицательной) температуры транспортируемого по трубам газа в возникновении опасных процессов вмерзания трубы в грунт и обледенения труб в водной толще; наибольшие нарушения устойчивости геологической среды ожидаются в полосе выклинивания пресных вод. Кроме того, элементы новизны присутствуют в других научных результатах: уточнена инженерно-геологическая стратификация Западно-Арктического шельфа России; разработаны условия формирования инженерно-геологических свойств песчано-глинистых отложений с привлечением положений полярного литогенеза и криодиагенеза; оценены количественные характеристики пространственной изменчивости прочностных свойств покровных осадков региона; уточнены гидрогеологические характеристики региона.
Защищаемые положения:
1. Из компонентов геологической среды Баренцево-Карского шельфа, взаимодействующих с сооружениями морских добычных комплексов и системы подводных газопроводов, наиболее важными, при активном участии океанографических и мерзлотных контролирующих факторов, являются: условия залегания, положение в рельефе, состав, состояние и свойства современных покровных осадков, плейстоценовых отложений и дочетвертичных мезозойско-кайнозойских образований; подземные флюиды; опасные геологические и техногенные процессы и явления.
2. Формирование физических свойств современных осадков региона носит однотипный характер, связанный с характером условий седиментации в голоцене; состав, состояние, условия залегания и прочностные свойства грунтов покровного инженерно-геологического комплекса определяются, в основном, батиметрической и циркумконтинентальной зональностями седиментогенеза.
3. На состав, состояние и инженерно-геологические свойства плейстоценовых отложений региона решающее влияние оказали гипергенные процессы промораживания на субаэральных этапах развития, сменяющиеся частичным протаиванием во время трансгрессий; на участках, подвергавшихся промораживанию, плейстоценовые глины и суглинки, как правило, не переходят в основной этап диагенеза и сохраняют физико-механические свойства, близкие к свойствам илов.
4. «Опасные» геологические и техногенные процессы и явления, изучение которых необходимо в процессе промышленного освоения региона, объединяются в следующие группы: эндогенные, литодинамические (гидродинамические и гравитационные), геокриогенные (мерзлотные и экзарационные), физико-химические и биохимические.
5. В геологической среде нефтегазопромысловых сооружений на современном уровне изученности региона чётко выделяются основные инженерно-геологические комплексы, оказывающие решающее влияние на устойчивость: мезозойско-кайнозойских (дочетвертичных) мягких, рыхлых и полускальных грунтов; палеозойских полускальных пород - на мегаустойчивость, связанную с возможной осадкой донной поверхности и возникновением техногенных землетрясений при откачке подземных флюидов; плейстоценовых мягких и рыхлых грунтов - на мезоустоичивость, связанную с давлением на дно нефтегазодобывающих платформ, других сооружений;
современных слабых и рыхлых покровных грунтов - на микроустойчивость, связанную с криогенным и механическим воздействием на грунт трубопроводов.
6. Оптимальной формой целевого мониторинга геологической среды Баренцево-Карского шельфа является система геоэкологической паспортизации морского нефтегазового месторождения, действующая с момента получения лицензии на проведение разведочных работ до момента полной ликвидации экологических последствий добычи после её проведения, завершения рекультивации геологической среды.
Научное и практическое значение работы. Научное значение диссертации состоит в уточнении условий формирования состава и физико-механических свойств донных грунтов в условиях полярного литогенеза, в разработке классификаций опасных природных и техногенных геологических процессов, свойственных Баренцево-Карскому шельфу; оценке устойчивости геологической среды. Практическое значение работы заключается в создании информационной и методической основы для планирования мероприятий по промышленному освоению региона с соблюдением условий по защите геологической среды шельфа. В этом отношении заслуживает внимания концепция организации мониторинга нефтегазодобычи и транспортировки углеводородов по подводным трубопроводам.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались в 1999 году на XIII Международной научной школе морской геологии (Москва, ИО РАН); на научном семинаре «Проблемы освоения Российского Арктического шельфа» в Санкт-Петербургском Доме Учёных (1999 г.); на научно-практической геологической конференции «Геологическая служба и минерально-сырьевая база России на пороге XXI века», проходившей в рамках Всероссийского съезда геологов в 2000 г. (г. Санкт-Петербург); на отраслевой конференции «Концептуальные задачи геоэкологического изучения шельфа» (г.Санкт-Петербург, 2000); во время III съезда геокриологов России (г.Москва, 2005 г.). Кроме того, по научно-исследовательским темам, где автор являлся ответственным исполнителем, делались доклады на заседаниях Учёного Совета ВНИИОкеангеология: т.402 «Определить инженерно-геологические условия освоения нефтегазовых месторождений Западно-Арктического шельфа, создать обзорные инженерно-геологические карты региона масштаба 1:2000000» (1996-98 гг.); т.443 «Научно-методические основы инженерно-геологических исследований в системе мониторинга геологической среды шельфа России» (1999-2000 гг.); т.517 «Разработать инженерно-геологические аспекты геоэкологических требований к производству нефтегазоразведочных работ и к эксплуатации нефтегазовых месторождений на шельфах России» (2000 г.). Гидрогеологические и геоэкологические аспекты работы рассматривались и утверждались на заседаниях секции Госгеолкарты РФ масштаба 1:1000000 Главной редколлегии по геологическому картографированию МПР России.
Публикации. Основное содержание работы отражено в 32 публикациях, включая: авторскую монографию «Инженерная геология Западно-Арктического шельфа России» (СПб, 2004, 147 с); статьи в российских научных журналах, рекомендованных ВАК для опубликования результатов докторских диссертаций; статьи в сборниках научных трудов, коллективной монографии и тезисы докладов; авторские гидрогеологическая и инженерно-экогеологическая карты Печорского моря масштаба 1:2500000, изданные в рамках подготовки листов Государственной геологической карты Российской Федерации масштаба 1:1000000; главы Объяснительных записок к листам Госгеолкарты РФ (новая серия), приуроченным к Западно-Арктическому шельфу России (S-(36),37- Баренцево море; S-38 - 40 - Маточкин Шар; S-41-43 - о.Белый; R-38 - 40 - о. Колгуев; Т-37-40 - Земля Франца-Иосифа (южные острова); отраслевые нормативные документы, в числе которых «Методические рекомендации по определению физико-механических и коррозионных свойств донных осадков в судовых лабораториях», «Методические рекомендации по проведению инженерно-геологических исследований при геологической съёмке шельфа». В авторской монографии и статьях опубликованы карты и схемы региона: инженерно-геологическая карта Западно-Арктического шельфа России, схема развития опасных геологических и природно-техногенных процессов и явлений и др.
Защищаемые положения раскрыты в статьях, опубликованных в российских научных журналах, рекомендованных ВАК для опубликования результатов докторских диссертаций:
Козлов С.А. Концептуальные основы инженерно-геологических исследований Западно-Арктической шельфовой нефтегазоносной провинции // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», http://www.ogbus.ru/authors/Kozlov/ Kozlov_4.pdf. Опубликовано 14.02.2006. Уфа, 2006,46 с. - Положения 1, 6,4 и 5.
Козлов С.А. Роль позднекайнозойского промерзания в диагенезе донных отложений Баренцево-Карского шельфа // ГЕОЭКОЛОГИЯ. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2006, №1. с. 1-12-Положения 2 и 3.
Козлов С.А. Инженерно-геологическая стратификация Западно-Арктической нефтегазоносной провинции // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», http://www.ogbus.ru/authors/Kozlov/ Kozlov_3.pdf. Опубликовано 26.04.2005. Уфа, 2005,24 с. 2005. - Положения 1, 2 и 3.
Козлов С.А. Опасные для нефтегазопромысловых сооружений геологические и природно-техногенные процессы на Западно-Арктическом шельфе России // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», http://www.ogbus.ru/authors/Kozlov/Kozlov _2.pdf. Опубликовано 10.02.2005. Уфа, 2005, 24 с. - Положения 4 и 1.
Козлов С.А. Оценка устойчивости геологической среды на морских месторождениях углеводородов в Арктике // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело», http://www.ogbus.ru/authors/Kozlov/Kozlov_l .pdf. Опубликовано 11.01.2005. Уфа, 2005, 21 с. - Положения 5 и 6.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 328 страниц текста, включающих 47 таблиц, 37 рисунков, и список литературы из 299 наименований. Содержание диссертации отвечает системному раскрытию компонентов инженерно-геологических условий Баренцево-Карского шельфа. В главе 1 раскрыты теоретические и методологические основы инженерно-геологического изучения нефтегазоносных провинций арктического шельфа, в последующих главах - отдельные компоненты инженерно-геологических условий: донный рельеф (глава 2), горные породы и донные осадки (глава 3), подземные флюиды (глава 4), опасные геологические процессы и явления (глава 5), техногенные воздействия (глава 6).
Благодарности. В первую очередь автор благодарен за помощь и всестороннюю поддержку заведующему Лабораторией инженерной геологии дна Мирового океана д.г.-м.н. Я.В.Неизвестнову, под руководством которого долгие годы работал. Искренняя благодарность коллегам, с которыми тесно сотрудничал при получении и обработке фактического материала, к которым в разное время обращался за консультациями и советами: А.З.Бурскому, Ю.П.Егорову, В.А.Жамойде, В.Г.Зайончеку, [В.С.Зархидзд, М.С.Захарову, В.Н.Иванову, Н.Б.Ильинской, Н.Л.Колчиной, А.В.Кондратенко, Н.Г.Корвет, Н.Н.Куликову, Н.А.Куринному, Б.Г.Лопатину, А.Ю.Опекунову, Е.В.Полякову, В.Н.Раскатову, О.В.Решетовой, Г.А.Холмянской, М.А.Холмянскому, С.И.Шкарубе и др. Признателен за научно-организационную поддержку исследований академику РАН [И.С.Грамбергуі члену-корреспонденту РАН Ю.Е.Погребицкому, академику РАЕН С.И.Андрееву, д.г.-м.н. В.Л.Иванову. Благодарен В.Д.Каминскому за содействие и предоставление благоприятных условий при выполнении данной работы.
Теоретические основы инженерно-геологического изучения нефтегазоносных провинций арктического шельфа
Объектом авторских исследований является подводная технолитосфера (геологическая среда) Западно-Арктической шельфовой нефтегазоносной провинции России, под которой понимается область развития донных осадков и горных пород, в перспективе находящихся под воздействием инженерных сооружений. Провинция включает в себя перспективные в отношении нефтегазоносности площади Баренцево-Карского шельфа (табл. 1.1), ограничена с запада государственной границей России, с востока -полуостровом Ямал и с севера - широтой северного окончания архипелага Новая Земля. Инженерно-геологические условия Западно-Арктической шельфовой нефтегазоносной провинции России рассмотрены автором в ракурсе региональной инженерной геологии, исследующей строение и свойства геологической среды различных регионов в связи с осуществляемой или планируемой инженерно-хозяйственной деятельностью человека [Теоретические основы..., 1985-86]. При этом комплексно исследуются инженерно-геологические условия территории, включающие «...характер горных пород, условия их залегания и свойства, рельеф территории, мерзлотные и гидрогеологические особенности, современные геологические процессы и явления, как природные, так и техногенные» [Сергеев, 1989]. Региональная инженерная геология изучает структурно-пространственную организацию и эволюцию геологической среды, состав, состояние и свойства слагающих её компонентов, их взаимодействия и изменчивость в связи с планируемой или осуществляемой деятельностью человека; т.е. занимается изучением инженерно-геологических условий крупных регионов для решения теоретических и практических задач, связанных с освоением этих территорий [Кирюхин, Норова, 2004]. Основные положения современной инженерной геологии как науки о взаимодействии компонентов геологической среды с инженерными сооружениями заложены в трудах Ф.П.Саваренского [1939], И.В. Попова [1959], В.Д.Ломтадзе [1977, 1984, 1999], Е.М.Сергеева [1978, 1979], В.И.Осипова [1979, 1989, 2001], В.Т.Трофимова [1996, 2000], Я.В.Неизвестнова [1982,1989, 2004] и др. Таким образом, предмет авторских исследований - региональные инженерно-геологические условия, особенности их формирования и закономерности пространственно-временной изменчивости; объект изучения - геологическая среда Западно-Арктической шельфовой нефтегазоносной провинции России.
Инженерно-геологические условия шельфа, представляющие собой систему знаний о взаимодействии элементов геологической среды с инженерными сооружениями, по Я.В.Неизвестнову, включают в себя подсистемы (элементы приведены в скобках) [Методические рекомендации..., 1998]: - горные породы и донные осадки (стратификация, условия залегания, положение в рельефе, состав, состояние и свойства грунтов); - подземные флюиды (состав, состояние и свойства); - геологические процессы и явления (естественные - сейсмические, вулканические, тектонические, гравитационные, криогенные, экзарационные процессы, перенос взвесей течениями и др.; техногенные -взмучивание и др.); - инженерные сооружения (удельное давление на дно, характер передачи нагрузки, продолжительность воздействия, особенности взаимодействия с грунтом, материалы строительных конструкций). При этом инженерно-геологические условия рассматриваются не как механическая сумма подсистем и элементов, а как единая, сложная, развивающаяся динамическая система, в которой все компоненты не только связаны и взаимодействуют между собой, но находятся в сложных и многообразных формах связи со всей окружающей средой [Бондарик и др., 1967]. Приведённые компоненты системы, однако, требуют некоторого развития, уточнения применительно к предмету авторских исследований (рис. 1.2). Важнейшей самостоятельной подсистемой инженерно-геологических условий следует считать рельеф (геоморфологические условия). Его значение и самостоятельная роль в системе инженерно-геологических условий очевидны [Трофимов, 1976, 1977, 2002; Ломтадзе, 1999, Королёв, 1995]. Западно-Арктическому шельфу, а в наибольшей степени - Баренцеву морю, свойственна существенная расчленённость. Рельеф шельфа представлен сложным чередованием структурных, структурно-скульптурных и скульптурных форм различного генезиса и возраста, является одним из важнейших компонентов инженерно-геологических условий.
Геоморфология и инженерно-геологическая типизация рельефа
Задаче изучения древних и современных процессов рельефообразования на шельфах Баренцева и Карского морей посвящены многолетние исследования второй половины XX века, проводимые учреждениями Министерства морского флота (ГУ ММФ), Министерства геологии (ПГО «Севморгеология», ВСЕГЕИ и др.), Академии наук (Институт океанологии имени П.П.Ширшова, Геологический институт, Институт географии и др.), Министерства рыбного хозяйства (ПИНРО и др.), Министерства нефтяной и газовой промышленности (АМИГЭ). При преобладающих глубинах 100-350 м в Баренцевом и 30-100 м в Карском море результаты замера площадей субгоризонтальных поверхностей позволили наметить несколько максимумов их распространения, приуроченных к батиметрическим глубинам 20-30, 60-70, 100-110, 170-180, 270-280, 300-310 м. Современный рельеф шельфов Баренцева и Карского морей характеризуется исключительно высокой расчленённостью, подчёркиваемой присутствием обширных депрессий и желобов, платообразных подводных возвышенностей, валов, впадин и других крупных форм рельефа. Ландшафтный облик рельефа обусловлен сложным сочетанием структурных, структурно-скульптурных и скульптурных форм различного генезиса и возраста, отображённых на морфоструктурной схеме Западно-Арктического шельфа (рис.2.1).
Структурные формы рельефа имеют прямую унаследованную связь со структурно-тектоническими элементами шельфа. Так, вероятно, что структурные формы северо-западного простирания, такие как Кольский прогиб, Мурманская и Канинская возвышенности, Восточно-Печорская впадина, наследуют структурную ориентировку байкальского возраста, структурные формы северо-восточного простирания (мегавал Адмиралтейства, Южно-Баренцевская синеклиза и др.) согласуются с ориентировкой структур каледонского возраста, а структурные формы, субпараллельные осевым зонам Новоземельского антиклинория (Южно-Новоземельский жёлоб и др.), подчёркивают структуру герцинского фундамента [Аксёнов и др., 1987]. Среди положительных форм рельефа широким распространением пользуются структурно-денудационные возвышенности, получившие развитие как в пределах архейско-протерозойских пород фундамента, так и в пределах складчатых структур каледонид и герценид. Отражая строение фундамента, они были обособлены региональными разломами, обусловившими их глыбово-блоковую морфотектонику и разделение грабенообразными желобами. Эти поднятые над поверхностью шельфа и прилегающих желобов на 200-400 м возвышенности, среди которых Мурманская, Центрально-Баренцевский свод, свод Персея, нередко вытянуты в длину на 200-500 км. Вне типично сбросовых участков они имеют обычно довольно пологие склоны и выровненную поверхность с маломощной толщей голоценовых осадков и лишь в отдельных случаях осложнённую моренными грядами, выступами коренных пород и депрессиями (как например на Центрально-Баренцевском своде, где при небольшой расчленённости рельефа встречаются неширокие депрессии с относительной глубиной 20-30 м и отдельные поднятия с превышением до 40 м).
Мелкими структурными формами рельефа являются мелководные платообразные возвышенности, обычно ограниченные глубинными разломами, выраженными в рельефе шельфа отчётливыми уступами и желобами, - это структурные плато Южно- и Северо-Канинское, Гусиное и Моллера. В юго-западной части Баренцевоморского шельфа расположен Рыбачинский вал, простирающийся вдоль побережья Кольского полуострова на 130 км, имея ширину 20-25 км. Вал имеет довольно крутые склоны высотой в несколько десятков метров, обусловленные сбросами северо-западного простирания.
Широкое распространение на Баренцево-Карском шельфе получили крупные отрицательные формы рельефа - структурные впадины, иногда называемые аккумулятивными низменностями. Обширные пространства шельфа Баренцева моря заняты Центральной впадиной, разделяемой на Южно-и Северобаренцевоморский структурные элементы. Впадина представляет собой синклинорную структуру, простирающуюся почти параллельно Новой Земле на 600 км. Ширина впадины изменяется от 25-30 до 150-160 км, максимальная глубина достигает 390 м.
Структурно-скульптурные формы обязаны своим происхождением изменению структурного рельефа экзарационной и аккумулятивной деятельностью четвертичных ледников, в меньшей степени субаэральными эрозионно-денудационными процессами. Вдоль северного побережья Кольского полуострова, Новой Земли, против фьордовых бухт располагаются подводные фьорды, представляющие собой затопленные при трансгрессии структурно-экзарационные формы рельефа и обычно имеющие корытообразный поперечный профиль. При глубине вреза в десятки метров их ширина составляет 5-Ю км. Большинство подводных фьордов отделено от их подводного продолжения на шельфе мелководными, с глубинами до 20-30 м, порогами-ригелями, обычно сложенными коренными породами.
Краевые внутришельфовые желоба (в том числе Восточно-Новоземельский и Южно-Новоземельский) представляют собой относительно глубоководные отрицательные структурно-скульптурные формы рельефа гляциальных шельфов, простирающиеся субпараллельно береговой линии и имеющие ширину в несколько десятков километров при глубине (для Новоземельских желобов) около 200-500 м. Желоба обычно имеют тектоническое происхождение и приурочены к синклинальным складкам, испытывающим оседание по разломам. Их первичный рельеф изменён экзарационной или экзарационно-аккумулятивной деятельностью четвертичных ледников, или субаэральной речной эрозией.
Комплекс мезозойско-кайнозойских (дочетвертичных) полускальных, мягких и рыхлых отложений
В поздней перми - раннем триасе, при резкой смене карбонатного осадконакопления на терригенное, образуется пограничный орогенный пояс и оформляется Арктическая геодепрессия [Погребицкий, 1976]. Начало триаса характеризуется обширной трансгрессией в северной части Баренцевоморского региона, особенно усилившейся в оленекском веке. В разрезах скважин и обнажений на шельфе (архипелагах) триасовые отложения вскрываются практически повсеместно, достигая наибольших мощностей в пределах Южно-Баренцевской, Северо-Баренцевской и Северо-Новоземельской впадин.
Залегают триасовые отложения, как правило, с размывом на горизонтах верхней перми. По особенностям вещественного состава на акватории выделяются несколько типов разреза [Баренцевская..., 1988]: 1. Западно-Баренцевский. Здесь нижний отдел представлен индским и оленекским ярусами общей мощностью около 900 м: красноцветными, пёстроцветными и сероцветными породами с прослоями алевролитов и песчаников (Ті і), переходящими вверх по разрезу в серо-зелёно- и пестроцветные аргиллиты и аргиллитоподобные глины с прослоями мелкозернистых песчаников и известковистых алевролитов (Тіо). Средний отдел (190-200 м) представлен анизийским и ладинским ярусами: серыми и пёстроцветными преимущественно глинистыми и алеврито-глинистыми отложениями, реже - песчаниками и алевролитами. Верхний отдел в объёме карнииского и низов норииского ярусов представлен преимущественно сероцветными песчано-алевритовыми и алеврито-глинистыми породами (до 280 м). 2. Колгуевский. Нижний отдел представлен яркоокрашенными песчаниками, алевролитами и глинами с кальцитовыми стяжениями и бобовинами гидроокислов железа (до 900 м). Средний триас - пёстроцветные глины и алевролиты с прослоями мелкозернистых песчаников (160-340 м). Верхний триас (верхи норийского яруса отсутствуют) представлен сероцветными слоистыми глинами и алевролитами с подчинёнными прослоями мелкозернистых песчаников (150-335 м). 3. Южно-Баренцевский. Нижний триас представлен чередованием коричневато-красных и красно-фиолетовых аргиллитов с серовато-зелёными алевролитами (500-750 м). Средний триас - сероцветные аргиллитоподобные глины и крупнозернистые алевролиты с редкими прослоями песчаников (до 460 м). Верхний триас (в объёме карнийского и нижней части норийского ярусов) представлен сероцветными глинами, глинисто-алевритовыми образованиями и песчаниками (420-440 м). 4.
Новоземелъскш Нижний триас в пределах вала Адмиралтейства представлен тёмно-серыми аргиллитами с включениями пирита (Тії) и преимущественно красноцветными песчано-глинистыми породами с прослоями алевролитов и тёмно-серых аргиллитов с тонкими линзами угля (Ті о). Мощность нижнетриасовых отложений 1467 м. Средний триас хорошо изучен на Крестовой, Лудловской и Ферсмановской площадях, представлен переслаиванием аргиллитов, песчаников и алевролитов. В отдельных прослоях отмечаются углефицированные растительные остатки и пропластки углей. Мощность колеблется от 800 до 1100 м. Верхний триас представлен карнийским и норийским ярусами. Карнийская часть разреза - преимущественно песчаники мелкозернистые, кварцевые и полимиктовые, с прослоями углистых пород мощностью 300-350 м. Норийские отложения представлены переслаиванием аргиллитов, алевролитов и песчаников, мощность 250-590 м. В юрский период продолжается общее погружение региона Западно-Арктического шельфа, к средней юре происходит постепенное становление морских условий на всём Баренцевском и севере Карского шельфов. С конца кимериджа, и особенно в волжском веке, в центральных частях седиментационного бассейна появились впадины глубиной свыше 200м, в которых аккумулировались преимущественно тонкослоистые глинистые осадки, обогащенные органическим веществом - битуминозные «чёрные» глины. Такие относительно глубоководные отложения установлены в Енисей-Хатангском прогибе, на архипелаге Земля Франца-Иосифа, на поднятии Персея, в Южно-Баренцевской впадине, на о.Колгуев. Юрско-меловые отложения покрывают весь шельф практически сплошным чехлом различной мощности (от 600 до 3200 м). Наиболее полный разрез вскрывается в Южно-Баренцевской впадине. Здесь юрские отложения, представленные тремя отделами, залегают на триасовых с размывом. Нижний отдел юрской системы представлен песчаными и крупноалевритовыми породами со значительной долей средне- и крупнозернистых песков с включениями гравия и гальки преимущественно кварцевого состава, мелкими линзами углей и карбонатными конкрециями. К югу, у острова Колгуев, отложения нижней юры имеют сходный состав. Мощность достигает 400 м. Среднеюрские отложения представлены крупными пачками песчаных, алевритовых и глинистых пород, чередующихся как по простиранию, так и в разрезе. Мощность 300-320 м. К югу, у острова Колгуев, мощность уменьшается до 70-100 м, в разрезе преобладают слоистые алеврито-глинистые породы. Верхнеюрские отложения представлены тёмно-серыми алеврито-глинистыми породами. В верхней части большинства разрезов вскрываются чёрные тонкослоистые глины. В пределах некоторых районов вследствие постюрского размыва этот интервал юрского разреза имеет мощность 20-30 м или отсутствует полностью.
Таймыро-Североземельская гидрогеологическая складчатая область
Расположенный на северо-западе региона гидрогеологический адмассив Земли Франца-Иосифа характеризуется весьма высокой неотектонической раздробленностью и широким развитием гипабиссального и эффузивного основного вулканизма, сложен в основном двумя гидрогеологическими этажами (исключая редкие трещинно-жильные скопления вод фундамента). Нижний гидрогеологический этаж представлен мезозойскими преимущественно терригенными отложениями общей мощностью не менее 3,5 км (по данным бурения [Грамберг и др., 1985]): аргиллитами, алевролитами, песчаниками триаса-валанжина. Почти вся толща нижнего триаса состоит из гидрослюдистых черных аргиллитов; породы среднего триаса, хорошо изученные в трех параметрических скважинах на островах Земли Франца-Иосифа, сложены преимущественно темно-серыми и черными битуминозными аргиллитами; доля глинистых пород в разрезе среднего триаса составляет в среднем около 75 % [Безруков и др., 2000]. Фильтрационно-ёмкостные свойства нижнего этажа в целом очень низкие, за исключением терригенных пород отдельных горизонтов разреза среднего, верхнего триаса и нижней юры могут содержать пласты мощностью до 40-50 м с повышенной пористостью (более 15 %) и водами рассольного типа.
Верхний гидрогеологический этаж мощностью свыше 500 м сложен преимущественно терригенно-вулканогенными готерив-альбскими отложениями и развитыми фрагментарно маломощными (до 10 м) терригенными отложениями кайнозоя. По данным сейсмозондирования в юго-восточной части адмассива, полная мощность надбазальтовых отложений может достигать 150 м [Киселёв, 1962]. Породы сильно дислоцированы неотектоническими блоковыми подвижками, связанная с этим пространственная связь различных гидрогеологических горизонтов этажа и поверхности морского дна определяет преимущественно морской солевой состав грунтовых вод. Толще вулканогенных и вулканогенно-осадочных образований нижнего мела присущи поры, каверны, разветвленная система трещин, определяющие трещинно-порово-кавернозный характер коллекторов, среди которых ожидаемые мощности пластов с повышенной пористостью могут достигать 25—30 м. Коэффициенты фильтрации водоносных горизонтов нижнего мела колеблются в широких пределах: массивные базальты (водоупор) - 8-Ю"5, миндалекаменные базальты (на глубине 100-114 м) - Ю-2, кавернозные пористые базальты - Ю1-Ю2 м/сутки (по данным Я.В.Неизвестнова). Для подземных вод может быть характерно повышенное содержание ССЬ, вплоть до 500 мг/л и выше. Углекислый характер отдельных водоносных комплексов верхнего гидрогеологического этажа определяется возможностью метаморфического разложения карбонатсодержащих пород и дегазацией глубинных зон земной коры. Оценивая гидрогеологические условия Западно-Арктической шельфовой нефтегазоносной провинции в целом, следует отметить в основном нормальный или сверхгидростатический (с коэффициентом аномальности, как правило, не более 1,2-1,3) характер пластовых давлений подземных вод. Коррозионная среда - большей частью средне агрессивная (по СниП 2.03-11-85 «Защита строительных конструкций от коррозии»). К числу основных причин развития опасных для инженерных сооружений геологических процессов относятся геодинамические (связанные преимущественно с сейсмической опасностью), палеогеографические и гидрометеорологические факторы.
Важнейшими палеогеографическими факторами, определившими развитие криолитозоны и связанных с ней современных опасных геологических процессов, являются позднекайнозойские регрессии и трансгрессии, а также характерная климатическая обстановка, определившая промерзание шельфа на субаэральных этапах развития региона и протаивание его на субаквальных этапах. Криогенные процессы на рассматриваемой площади протекали, начиная с позднего миоцена, когда глубокому промерзанию во время регрессии подвергался весь шельф. Во время трансгрессий, под водной толщей, горные породы протаивали. Так, многолетнемерзлая толща породы, сформировавшаяся до начала позднего плейстоцена в течение позднемиоценовой, среднеплиоценовой, ранне- и среднеплейстоценовой регрессий, полностью деградировала во время бареальной трансгрессии (125-75 тыс. лет назад). Уровень моря на этом этапе поднимался почти до отметки +100 м [Неизвестнов и др., 1995]. Последнее региональное промерзание шельфа происходило во время сартанской регрессии, максимальное развитие которой было от 24 до 12 тыс. лет назад. Хотя понижение моря во время регрессии не превышало 140 м (по данным же А.О.Селиванова [1996], достигало отметки -169ч—174 м), посткриогенные породы распространены до современных глубин моря 250-300 мив ряде случаев более метров, что обусловлено интенсивными вертикальными движениями земной коры на новейшем этапе развития региона. Промерзанию и подземному льдообразованию подвергалась вся доголоценовая толща горных пород за исключением отложений бореальной трансгрессии, залегающих в желобах и других впадинах на современных глубинах свыше 250-300 м. Деградация толщи многолетнемерзлых пород шельфа, сформировавшихся во время сартанского этапа субаэрального развития, происходила с начала голоценовой трансгрессии, 10 тыс. лет назад, когда температура поддонных отложений повысилась сначала до - 1,8ч—1,9С, а во время максимального потепления, 6-8 тыс. лет назад, до +2ч-+3С. В первой половине субатлантического периода, характеризующегося существенным похолоданием климата, около 2,5 тыс. лет назад, температура придонных вод вновь понизилась до точки замерзания, - 1,8ч-1,9 С, что естественно сказалось на темпах деградации и характере криогенных процессов в целом [Геокриология СССР, 1988].
