ОКЕАНОЛОГИЯ, 2015, том 55, № 2, с. 312-320
МОРСКАЯ ГЕОЛОГИЯ
УДК 551:550.8:551.46
О ПРОЦЕССАХ ГАЗОВЫДЕЛЕНИЯ И ДЕГРАДАЦИИ ПОДВОДНЫХ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД НА ШЕЛЬФЕ МОРЯ ЛАПТЕВЫХ
© 2015 г. Л. И. Лобковский1, С. Л. Никифоров1, Н. Н. Дмитревский1, Н. В. Либина1, И. П. Семилетов2, Р. А. Ананьев1, А. А. Мелузов1, А. Г. Росляков1
1Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва 2Тихоокеанский океанологический институт ДВО РАН, Владивосток e-mail: lnatvit@mail.ru Поступила в редакцию 17.06.2013 г., после доработки 25.11.2013 г.
В 2011 и 2012 гг. были проведены междисциплинарные морские экспедиции в море Лаптевых на НИС "Академик М.А. Лаврентьев" и НИС "Виктор Буйницкий" в рамках проекта ориентированных фундаментальных исследований Российского фонда Фундаментальных исследований. Исследования выявили мощные газовые выбросы метана за счет деградации подводных многолетнемерз-лых пород (ПММП). Механизмы деградации ПММП связаны как с палеогеографическими, так и современными факторами формирования верхней осадочной толщи, а также структурными особенностями арктического региона. За счет размораживания подводной ПММП происходит образование больших объемов не только газов, но и воды, которые перемещаются как по разрезу верхней осадочной толщи шельфа, так и по поверхности того или иного слоя — с прибрежных прогретых участков к более холодным глубоководным, формируя субгоризонтально вытянутые конвективные ячейки, тем самым активизируя деструкционные процессы даже в условиях отрицательных придонных температур. При продолжающейся деградации ПММП эмиссия метана будет увеличиваться и приобретать массированный характер.
Б01: 10.7868/80030157415010128
ВВЕДЕНИЕ
Результаты последних экспедиционных исследований в восточных морях российской Арктики зафиксировали многочисленные следы ледовой экзарации на морском дне в широком диапазоне глубин, а также мощные выбросы метана, вероятно связанные с процессами деградации подводных многолетнемерзлых пород (ПММП). Возможной причиной, инициирующей газовые выбросы, может являться наличие зон разрывных нарушений, которые имеют широкое распространение, особенно на шельфе моря Лаптевых. Размораживание ПММП приводит не только к выделению газа, но и к образованию больших объемов воды, которая перемещается как вниз по разрезу осадочной толщи, так и по поверхности плотных слоев осадков - с прогретых участков к более холодным глубоководным, формируя наклонные вытянутые конвективные ячейки, тем самым активизируя деструкционные процессы даже в условиях современных отрицательных придонных температур [7].
Одной из вероятных причин современных климатических изменений в Арктике является образование и выделение большого количества метана за счет деградации субаквальных много-летнемерзлых пород. Моря восточного сектора
российской Арктики привлекают особое внимание, так как в их осадочной толще содержится большое количество газовых гидратов [8], накопление которых происходило в течение длительного времени. Особенностью четвертичного периода были чередования ледниковых и межледниковых эпох и, соответственно, неоднократные и длительные периоды изменения климата и связанные с этим крупномасштабные колебания уровня Мирового океана. На шельфе Северного Ледовитого океана покровное оледенение носило региональный характер. В пределах восточного сектора шельфа российской Арктики покровное оледенение практически отсутствовало, и его поверхность развивалась в субаэральных условиях с низкими отрицательными температурами. В результате периодического осушения и затопления шельфа была сформирована слоистая структура верхней осадочной толщи, причем в регрессивные циклы (эпохи похолоданий) происходило интенсивное вымораживание исходной поверхности. В трансгрессивные циклы (эпохи потепления) накапливались относительно рыхлые морские отложения. При этом устойчивая отрицательная температура придонной воды способствовала консервации этой слоистой структуры. Во время последнего оледенения
о. Шмидта ч -\
о. Пионе
о. Комсомолец
/
82° 80° СЕВЕР Й ЛЕДОВИТЫЙ ОКЕАН
170°
ш*
^ о. Октябрьской Революции
V0
/Ч
о-ва
. Большевик
^ о. Старокадомского
КАРСКОЕ Вилъкицкого о. Мал. Таймыр МОРЕ
о-ва Комсомольской правды
ФаЭ0е*
4S-
76°
Генриетты о. Жаннетты
. Беннетта
п-ов Таймыр горы Hitppa оз. Таймыр
'»Гц
Л А
о. Бол. Бегичев
Гра*ида постоянных
о. Жохова
О«
М О
Р Е
П Т Е В Ы Х
JrM
о. Котельный
Г S3 г^^Н
о .
&
^Й ж . у
и
у
У
160°
о. Новая Сибирь
utcftH 4 ВОСТОЧНО-СИБИРСКОЕ
WWm
К
Сындасско
оворыбное л о
С
Анабарский
Юрюнг-Хая г
о. Столбовой
пр.Э^ о-ва МОРЕ
^ о"?»0 о. Мал. Ляховский
JV**
о. Бол. Ляховский
72°
X.
некский зал.
Ъ
Р С к
Попигай
Таймылыр а я Н и 3 м . я>
о
Саскылах
110
0 100 200 j_I_
400 км
Лап'
п-ов Лопатка
120°
-Хая
Найба-= Усть-Куйга
130°
4^гНрса» Htt3M
Янский зал. Нижнеянск...
Рис. 1. Район работ с указанием исследовательских полигонов в 2011 и 2012 гг.
восточный арктический шельф России был также осушен, а на его поверхности доминировали крио-генно-эоловые процессы. В летнее время происходила активизация флювиальных процессов, о чем свидетельствуют четко выраженные палеодолины рек [5, 10]. В результате слоистая структура верхней осадочной толщи приобрела различные, а порой контрастные физические свойства.
Исследования, проведенные в экспедициях на НИС "Академик М.А. Лаврентьев" и НИС "Виктор Буйницкий" (2011 и 2012 гг.) в море Лаптевых (рис. 1), подтверждают отсутствие следов поздне-четвертичного покровного оледенения и, наоборот, фиксируют погребенные палеодолины рек, свидетельствующие о субаэральном развитии шельфа в соответствующий период времени. Организация и проведение этих экспедиций осуществлялись с участием сотрудников Дальневосточного отделения РАН, Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН, Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН и Международного Арктического Научного Центра Уни-
верситета Аляска, г. Фэрбанкс (International Arctic Research Center, University Alaska, Fairbanks).
ОСНОВНЫЕ ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЙ
И ИСПОЛЬЗОВАВШАЯСЯ АППАРАТУРА
Цель исследований - сейсмоакустическое изучение верхней осадочной толщи и рельефа морского дна для картирования границы ПММП и выявления газовыводящих путей выбросов метана, в том числе и за счет деградации ПММП.
При проведении морских исследований использовалась следующая аппаратура:
— двухчастотный гидролокатор бокового обзора "Гидра" 250/500,
— узколучевой параметрический эхолот-про-филограф "SES-2000 standard" ,
— аппаратурно-программный сейсмоакусти-ческий комплекс "Геонт-шельф",
— спутниковая навигационная система С-Nav 2050R.
Рис. 2. Штанга с антеннами ДГБО (а) и эхолота-про-
филографа (б) в походном положении.
Основные технические характеристики ГБО "Гидра" 250/500: рабочие частоты - 250/500 кГц; тип зондирующего сигнала - тон или ЛЧМ; ширина полосы обзора на каждый борт - 3-4 глубины воды (при глубинах под килем до 100 м).
Узколучевой параметрический эхолот-профи-лограф "SES-2000 standard" (производство компании "Innomar Technologie GmbH", Германия) является двухканальной акустической системой, реализующей параметрический эффект формирования полезного низкочастотного сигнала. В рабочем режиме антенна эхолота-профилографа излучает в воду два высокочастотных нелинейных сигнала большой мощности (сигналы накачки) с близкими к 100 кГц частотами. В толще воды при этом формируются низкочастотные сигналы разностной частоты. Основным преимуществом сформировавшихся разностных сигналов является их узкая диаграмма направленности, практически полное отсутствие боковых лепестков, высокое проникновение в грунт за счет низкой разностной частоты и высокое разрешение, соответствующее несущей частоте 100 кГц.
Основные технические характеристики про-филографа "SES-2000 standard": первичные частоты - 95-110 кГц; вторичная частота - 4-15 кГц; ширина луча - ±1.8°; рабочий диапазон глубин -1-1000 м; проникновение в осадки - до 50 м; вертикальное разрешение - до 5 см.
Аппаратурно-программный комплекс "Геонт-шельф" используется для проведения работ методом одноканального непрерывного сейсмического профилирования. В качестве источника сейсмических сигналов применяется излучатель типа " спар-кер", работающий от емкостного накопителя энергии. Рабочий диапазон частот - 300-800 Гц, прием осуществляется на одноканальную косу длиной 20 м, глубина проникновения сигнала 100—150 м (в зависимости от свойств грунта).
В 2012 г. в экспедиции на НИС "Виктор Буй-ницкий" для оценки структуры осадков в придонном слое дополнительно была использована донная вибрационная пробоотборная трубка с длиной керноприемника 5 м. Следует отметить, что техническое обеспечение и методика морских работ полностью соответствовали современным международным требованиям.
Антенны эхолота-профилографа и гидролокатора бокового обзора были установлены на одной крепежной штанге (рис. 2) и использовались в работе одновременно, что позволило взаимно дополнить информативность каждого из используемых методов, а также расширить возможности интерпретации получаемых данных [1].
Использовавшийся гидроакустический комплекс позволял фиксировать выходы газа в воду и положение газового фронта под дном. На сейсмо-акустических записях признаками аномального газонасыщения осадков являлись: возрастание амплитуды отражений и появление большого количества дифрагированных волн, экранирование нижележащих границ (зоны акустической тени) и задержка времени регистрации отражений от нижележащих границ, вызывающая их ложное пригибание, а также куполообразные и конусообразные вертикально ориентированные области акустически прозрачной или хаотической записи, резко дискордантные отражениям от субгоризонтальных геологических границ.
Наиболее информативным с точки зрения прямой регистрации выходящих в воду газовых потоков являлся высокочастотный канал эхоло-та-профилографа SES-2000, позволявший идентифицировать практически все формы газовыделения - от одиночных мелких источников до сплошных газовых факелов, протяженностью до 1 км.
Сейсмоакустическое профилирова
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.