Gas shows within the southeastern shelf of the Crimea according to continuous seismoacoustic profiling data

Толық мәтін

Введение

Исследования выполнялись отрядом Института океанологии РАН в экспедициях научно-исследовательских судов (НИС) “Пеленг” Севастопольского отделения ГОИН и “Профессор Водяницкий” ФИЦ ИнБЮМ (115, 116, 124 и 126-ые рейсы) в 2018–2023 гг. в соответствии с Планом морских экспедиций на научно-исследовательских судах Минобрнауки России.

Цели исследования включали получение новых геолого-геоморфологических данных по истории развития шельфа полуострова Крым, необходимых для восстановления малоизученных этапов палеогеографической истории формирования континентальной окраины Крыма в новейшее время, которые позволят уточнить существующие представления об изменении уровня Чёрного моря, уточнить положение древней гидрографической сети и установить связи береговых и субаквальных морфоструктур. При этом решались задачи промера глубин, непрерывного сейсмического профилирования (НСАП) и акустического зондирования осадочных отложений, а также панорамной съёмки поверхности дна с помощью гидролокатора бокового обзора.

Следует отметить, что исследования с близкими целями и задачами в этом районе проводились рядом научно-исследовательских организаций. Среди них следует выделить работы института биологии южных морей имени А.О. Ковалевского РАН, институт геологических наук НАН Украины, ГНЦ АО Южморгеология, МГУ им. М.В. Ломоносова и др. [1–6].

Технически выполнение задач исследований включало: эхолотный промер и сейсмоакустическое профилирование шельфа, выполненных для промера глубин и получения изображений структуры верхнего слоя осадочных отложений в виде разрезов вдоль маршрута движения судна буксируемыми необитаемыми подводными аппаратами (БНПА), в частности, сейсмоакустическими и акустическими профилографами (рис. 1). В ходе работ были выявлены многочисленные аномальные зоны, связанные со скоплениями газа в верхней части осадочного чехла. Ввиду того, что сейсмоакустические исследования методом НСАП в этой части шельфа Крыма ранее практически не проводились, а акустическое профилирование проводилось очень ограниченно, то можно утверждать, что, практически, все обнаруженные сейсмоакустическим отрядом ИО им. П.П. Ширшова РАН в 2018–2023 гг. придонные скопления газа выявлены впервые.

Рис. 1. Схема работ НИС “Профессор Водяницкий” в 2018–2023 гг. 1 – изобаты; 2 – сейсмоакустические профили НСАП комплекса “Геонт-шельф” (чёрный цвет) и акустические профили профилографа АП-5Т (коричный цвет); 3 – скважины инженерно-геологических изысканий (ИГИ)

Методы исследований

Для НСАП использовался сейсмоакустический комплекс “Геонт-шельф” на основе электроискрового излучателя (“спаркер”) и приёмной сейсмокосы. Информация, полученная с помощью сейсмоакустического комплекса “Геонт-шельф” дополнялась данными геоакустического зондирования профилографом АП-5Т с рабочей частотой 5 кГц, использующего частотно-модулированную посылку.

Сейсмоакустический комплекс “Геонт-шельф” включает:

• сейсмический накопитель энергии SPES-600: блок управления разрядом и блок высоковольтных конденсаторов;
• устройство ввода сейсмических сигналов PSA-1;
• забортную буксируемую часть: излучатель спаркера и приемную антенну (сейсмокосу).
• Забортная буксируемая часть оборудования состоит из:
• многоэлектродного излучателя спаркера (на 64 потенциальных электрода);
• приёмной антенны: 25-ти метровой сейсмической косы с 10 пьезоприёмниками, помещёнными в полиуретановый шланг с шагом 2 м и залитыми жидким парафином;
• буксировочной штанги (“Выстрел”) длиной 5 метров с оттяжками из капронового фала;
• буксировочного кабеля излучателя спаркера и приемной сейсмокосы.

Сейсмическая коса буксировалась с правого борта с помощью выдвижной штанги “Выстрел”, а гондола профилографа опускалась за борт при помощи П-рамы (рис. 2).

Рис. 2. Фото НИС “Профессор Водяницкий”, показывающее буксировочные приспособления сейсмической аппаратуры. Стрелкой показана буксировочная штанга “Выстрел”

Устройство и принцип работы указанной аппаратуры подробно рассмотрены в работах [7, 8].

Параметры регистрации

Перед началом работ проводилась настройка аппаратуры сейсмической съёмки. Были выполнены настроечные записи НСАП, по которым установили следующие параметры регистрации:

• мощность излучателя не менее 600 Дж при С = 50 Мкф;
• диапазон частот 100–1200 Гц;
• период излучения 1.5 с;
• усиление 20×100 = 2000;
• время регистрации 100 мкс × 4000 = 400 мс;
• скорость судна 8–10 узлов.

По мере изменения глубин параметры регистрации менялись. Кроме профилографа с источником типа “спаркер”, для изучения придонной части разреза, в указанных рейсах применялся высокочастотный акустический профилограф и бортовой эхолот. Для исследования строения верхней толщи осадочных отложений был применён метод непрерывного акустического профилирования на ходу судна акустическими импульсами с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) несущей частоты, который был реализован с использованием акустического профилографа АП-5Т, разработанного в ИО им. П.П. Ширшова РАН. АП-5Т включает буксируемое тело (носитель акустических антенн), кабельную буксирную линию, накопительную кабельную вьюшку, судовой электронный блок и персональный компьютер для отображения и регистрации данных. При пересчёте времени в глубину скорость волн считалась постоянной и принималась равной скорости в верхнем слое грунта.

Результаты исследований и их обсуждение

С учётом изученности верхней части осадочного чехла крымского шельфа и керченско-таманского шельфа, а также результатов исследований фауны остракод в инженерно-геологических скважинах Глубокая-1 и Глубокая-2 (см. рис. 1) было установлено, что в строении выделенных на сейсмоакустических профилях сейсмокомплексов участвуют голоценовые ново- и древнечерноморские отложения (СК-7), новоэвксинские отложения верхнего неоплейстоцена (СК-6), карангатские и узунларские (СК-5, СК-4) и древнеэвксинские (СК-3) отложения среднего неоплейстоцена. Сейсмокомплексы CK-2 и СК-1 представлены, по-видимому, более древними, ранними неоплейстоценовыми отложениями чаудинского ритма. Нижние слои залегают на триас-юрских породах таврической серии, являющихся фундаментом. Более подробно сейсмостратиграфическое расчленение неоген-четвертичных отложений юго-восточного шельфа Крыма с привязкой к скважинам инженерно-геологического бурения на структуре Глубокая нами дано в работе [9].

При интерпретации полученных результатов были выделены аномальные участки записи, стратиграфически приуроченные к верхнеплейстоценовым отложениям и отождествляемые со скоплениями природного газа. Было отмечено, что часть из выявленных аномалий приурочена к областям развития палеодельт плейстоценовой погребённой гидросети. Известно, что каждая река имеет двухэтажное строение. Помимо песчаных скоплений, связанных с конусами выноса палеорек, на юго-восточном шельфе аккумулирующим резервуаром также могут являться аллювиальные отложения их подруслового ложа. Именно с этой частью палеодельты могут быть связаны значительные газофлюидные скопления.

На рис. 3 показан фрагмент сейсмоакустического профиля, на котором в интервале 80–120 м отмечаются отложения палеорусел и приуроченные к ним газовые скопления.

Рис. 3. Фрагмент сейсмоакустического профиля 1 НСАП на траверсе г. Ялта. Стрелками показаны газовые скопления, приуроченные к отложениям верхнего неоплейстоцена

Отмеченные участки отличаются от сопредельных по ряду динамических и кинематических признаков, характерных для газопроявлений в сейсмическом волновом поле.

Наиболее характерными признаками, создающими аномальные эффекты в поле отражённых волн, являются: резкое возрастание амплитуд, изменения полярности волн с положительной на отрицательную, прогибание под “яркими пятнами” границ ниже залегающих отражающих горизонтов за счёт уменьшения скорости прохождения волн в газосодержащих грунтах.

Методика выявления газовых аномалий и их интерпретация в сейсмическом волновом поле Чёрного моря и в других акваториях довольно подробно изложена в ряде работ [10–12].

На рис. 4 показаны выделенные на сейсмоакустических профилях скопления газа в придонной части разреза, приуроченные к верхнеплейстоцен-голоценовым отложениям.

Рис. 4. Схема газовых скоплений в юго-восточной части крымского шельфа по данным сейсмоакустического профилирования

Выделяемые по сейсмическим признакам аномальные зоны, отождествляемые со газовыми скоплениями, нами разделяются на три типа.

Первый тип аномалий связан с придонными “бескорневыми” скоплениями газа в следствие диагенеза в третичных отложениях. Они образуют характерные зоны потери корреляции, обусловленные поглощением сейсмического сигнала на участках скоплений газа. Выделяемые по амплитудно-частотным признакам, размеры этих скоплений по латерали могут достигать нескольких километров. На рис. 5 показана зона потери корреляции, связанная с локальным скоплением газа в придонной части юго-восточного шельфа на меридиане г. Судак. Такие скопления образуются в результате латерального движения флюида по восстанию слоёв. По-видимому, газофлюидная смесь мигрирует по песчаным пропласткам со стороны Западно-Черноморской впадины вверх по восстанию слоёв в направлении берега.

Рис. 5. Фрагмент сейсмоакустического профиля 2 НСАП шельфа и склона в районе Судакской бухты. Стрелкой показано газовое скопление в отложениях верхнего плейстоцена

Второй тип аномалий обусловлен вертикальными перетоками глубинного газа под действием аномально высоких пластовых давлений, с характерными узкими вертикальными зонами, часто именуемых в публикациях “флюидный прорыв”. Для них характерно вертикальная столбчатая форма и направленность с образованием небольших, до нескольких метров высотою и десятки и даже сотни метров шириною, поднятий в рельефе дна. В их пределах наблюдается сложный рисунок записи, связанный, по-видимому, со скоплениями песка, выносимого флюидными потоками по вертикальным разломам из глубинных горизонтов, с образованием поднятий в рельефе дна. По отношению к общему характеру записи, такие участки носят явно деструктивный характер, поэтому в специализированной литературе их, в определённых случаях, именуют зонами деструкции. На рис. 6 стрелками показаны поднятия в рельефе дна в четвертичных отложениях южнее Алушты, по-видимому, образованное разгрузкой газоводяной смеси, с выносом песчаного материала на поверхность дна.

Рис. 6. Фрагмент сейсмоакустического профиля 3 НСАП шельфа на траверсе г. Алушта. Стрелками показаны: 1) газовые проявления, вероятно, связанные с грязевулканической деятельностью (c координатами 44. 36. 38 с. ш., 34. 29. 36 в. д.); 2) приуроченные к современным поднятиям фундамента юго-восточной материковой окраины Крыма

Отмеченные выше поднятия в рельефе дна есть форма проявления локальных газовых потоков глубинных углеводородов, обычно сопровождающихся, помимо песка, выбросами сопочной брекчии, обломочного материала, воды и формирующих конусовидные холмы с кратерами на вершинах. Образование грязевых вулканов характерно для мест выхода углеводородов. Существует немало примеров подобных образований, как в Чёрном море, так и в других акваториях [12].

Геодинамическая активность в геологическом районе от г. Ялты до г. Алушты проявляет себя по системам разломов и отдельным вертикальным зонам деструкции горных пород. Следы движения потоков глубинных флюидов – субвертикальные геологические тела, которые проникают на поверхность по крупным нарушениям сплошности осадочного чехла и связаны с интенсивными локализованными зонами разгрузки углеводородных флюидов. Отмеченные субвертикальные геологические тела могут являться каналами миграции углеводородов, проявляясь на поверхности выходами газов, нефти, воды. Как следствие, в этих зонах наблюдаются вулканизм, диапиризм и вертикальное структурообразование, выделение и струйная вертикальная миграция водорода, латеральная миграция подвижных флюидов и другие, связанные с этим явлением, геологические процессы [13].

Изучением состава газа совместно занимались сотрудники Института морских биологических исследований имени А.О. Ковалевского РАН (Севастополь) и Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова. Образцы пузырькового газа ими отбирались при помощи специальных газовых ловушек, установленных на морское дно в районе мыса Фиолент, бухты Ласпи, прибрежья г. Ялты и др. Проведённые исследования состава газовых сипов показали, что в компонентном составе пузырькового газа преобладает метан. Установленный этими работами полигенный состав флюидных потоков метана, вероятнее всего, объясняется их глубинной миграцией [14, 15].

Третий тип аномалий относится к приподнятым блокам пород фундамента юго-восточной материковой окраины Крыма. К ним приурочены скопления газа, которые на сейсмоакустических профилях выглядят в виде динамически затемнённых участков, в пределах которых наблюдается потеря корреляции отражающих горизонтов. На широтном профиле от меридиана п. Малореченское до меридиана м. Чауда отчётливо выделяются приподнятые и опущенные приподнятых по вертикальным разломам блоки пород таврической серии, перекрытые маломощными отложениями верхнеплейстоцен-голоценового возраста. Участки интенсивного газопроявления приурочены к приподнятым в современное время тектоническим блокам, а путями миграции газофлюидной смеси являются ограничивающие их разломы (рис. 7).

Рис. 7. Фрагмент регионального широтного сейсмоакустического профиля 4 НСАП по линии п. Малореченское – мыс. Чауда. Стрелками показаны: 1) газовые проявления, вероятно, связанные с грязевулканической деятельностью (c координатами 44.42.80 с. ш., 35.00.87 в. д.); 2) приуроченные к современным поднятиям фундамента юго-восточной материковой окраины Крыма

В районе работ первый тип аномалий стратиграфически приурочен, преимущественно, к приповерхностной части верхнеплейстоцен-голоценовых отложений, а второй и третий типы могут охватывать более значительный интервал записи.

Первый тип аномалий связан с толщами палеодельтовых и палеорусловых накоплений. Проявление этих газов и формирование их скоплений обусловлено латеральной миграцией вверх по поднятию слоев.

Аномалии второго и третьего типов связаны с проявлениями глубинно-миграционных газов и приурочены, прежде всего, к активным тектоническим зонам и областям развития грязевого диапиризма. При этом крупные тектонические нарушения играют решающую роль в создании вертикальных каналов миграции газофлюидных потоков и формировании газовых струй. Сотрудниками АО “Южморгео” были опубликованы анализы химического и изотопного составов газов из осадков (процентное содержание гомологов метана, концентрация углекислого газа и азота), отобранных в пробах грунта в северо-западной части Чёрного моря в зоне разлома на континентальном склоне и в глинах грязевых вулканов. Их идентичный состав привёл авторов к выводу о том, что газ метан имеет преимущественно глубинное происхождение. В верхние слои осадочного чехла он поступает путём фильтрации или струйной миграции [16].

На акустических профилях отчётливо выделяется просачивание газа из осадочных пород в воду в зонах разгрузок (рис. 8).

Рис. 8. Фрагмент акустического профиля 5 вблизи г. Ялта, в районе горы Аю-Даг, показывающий выход газа на поверхность дна в точке c координатами 44°33′ 28′′ с. ш., 34°23′ 85′′ в. д.

Обсуждение результатов

Сейсмостратиграфический анализ полученных материалов показал, что выявленные на юго-восточном шельфе Крыма газовые проявления в количестве 40 аномалий, стратиграфически приурочены к верхнеплейстоцен- голоценовым отложениям. В качестве аккумулирующих пород могут выступать отложения плейстоценовых палеодельт, следы которых обнаружены по данным НСАП в районе исследования.

Генетически, выявленные аномалии нами подразделяются на три типа. Первый тип связан с придонными “бескорневыми” скоплениями газа, образованных латеральными перетоками. Второй тип обусловлен узкими вертикальными зонами выхода газофлюидной смеси под действием аномально высоких давлений. Третий тип газовых скоплений приурочен к разломам, связанных с приподнятыми блоками пород фундамента.

Выполненные сейсмоакустические исследований также показали, что для материковой окраины Крыма характерно блоковое строение. Дифференцированные вертикальные неотектонические движения здесь играли и продолжают играть решающую роль в строении юго-восточного шельфа, в формировании глубинных разломов, как каналов миграции флюидов из глубинных горизонтов на поверхность дна [17, 18]. Именно в зонах активной разломной тектоники происходит формирование газовых скоплений, грязевых вулканов и газовых сипов. Выявленные работами НИС “Профессор Водяницкий” различные типы газофлюидных проявлений являются тому подтверждением. Газонасыщенные, с зонами АВПД, отложения являются особенностью субаквальной инженерно-геологической обстановки. Площади их распространения являются опасными для инженерного строительства. Давление и выбросы газа в водную толщу сопровождаются деформацией поверхности дна, формированием оползней, снижением несущей способности грунтов и т.п. Разгерметизация газовых скоплений в верхней части разреза в ходе бурения может привести к прорыву газа, образованию котлованов и загазованности водной толщи [19, 20].

Выводы

Выявленные по данным сейсмоакустического профилирования придонные скопления метана расположены в юго-восточной части крымского шельфа и приурочены к песчанистым отложениям плейстоцен-голоценового возраста, преимущественно, вблизи разломных зон.

Выявленные аномалии находятся в области развития палеодельтовых систем, породы которых обладают хорошими аккумулирующими свойствами.

Выделено три типа газовых скоплений, генетически связанных с латеральными перетоками, грязевулканической деятельностью и вертикальной миграцией по глубинным разломам.

Выходы газа на поверхность дна обусловлены сейсмической активностью сооружения Горного Крыма и являются следствием проявлений новейшей тектоники.

Периодическая активизация разломных блоков, лежащих в основании осадочного чехла, вносит значительный вклад в формирование приповерхностных газовых скоплений, что свидетельствует о вероятности их глубинного происхождения.

Выявление газовых скоплений в придонной части осадочного чехла имеет важное значение с точки зрения мониторинга потенциально опасных районов для инженерного строительства и судоходства.

Для уточнения генезиса и зональности газовых скоплений, выявленных по данным сейсмоакустики, необходимо по всем линиями сейсмоакустических профилей НСАП дополнительно провести полный комплекс исследований, включая акустическое профилирование, исследования гидролокатором бокового обзора и эхолотирование.

Благодарности

Авторы выражают благодарность морякам НИС “Профессор Водяницкий” и сотрудникам ИМБЮМ за постоянную помощь в работе.

Источники финансирования

Исследования проведены в рамках государственного задания по теме № FMWE-2024-0024, а также при финансовой поддержке проекта РФФИ № 20-05 00384_А.

Авторлар туралы

А. Khortov

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: khortov.av@ocean.ru
Ресей, Moscow

A. Pronin

Email: khortov.av@ocean.ru
Ресей, Moscow

N. Rimsky-Korsakov

Email: khortov.av@ocean.ru
Ресей, Moscow

A. Mutovkin

Email: khortov.av@ocean.ru
Ресей, Moscow

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар

Әрекет

1. JATS XML

Жүктеу

2. Fig. 1. Scheme of the R/V Professor Vodyanitsky operations in 2018–2023. 1 – isobaths; 2 – seismoacoustic profiles of the NSAP of the Geont-shelf complex (black) and acoustic profiles of the AP-5T profiler (cinnamon); 3 – engineering-geological survey wells (EGS)

Жүктеу (241KB)

Метадеректер

3. Fig. 2. Photo of the research vessel Professor Vodyanitsky showing the towing devices of the seismic equipment. The arrow shows the Vystrel towing rod.

Жүктеу (156KB)

Метадеректер

4. Fig. 3. Fragment of seismoacoustic profile 1 NSAP on the Yalta traverse. Arrows indicate gas accumulations associated with Upper Neopleistocene deposits

Жүктеу (173KB)

Метадеректер

5. Fig. 4. Scheme of gas accumulations in the south-eastern part of the Crimean shelf based on seismoacoustic profiling data

Жүктеу (143KB)

Метадеректер

6. Fig. 5. Fragment of seismoacoustic profile 2 NSAP shelf and slope in the area of ​​Sudak Bay. The arrow shows a gas accumulation in the Upper Pleistocene deposits

Жүктеу (470KB)

Метадеректер

7. Fig. 6. Fragment of seismoacoustic profile 3 NSAP shelf on the traverse of the city of Alushta. Arrows indicate: 1) gas manifestations, probably associated with mud volcanic activity (with coordinates 44. 36. 38 N, 34. 29. 36 E); 2) confined to modern uplifts of the basement of the south-eastern continental margin of Crimea

Жүктеу (810KB)

Метадеректер

8. Fig. 7. Fragment of the regional latitudinal seismoacoustic profile 4 NSAP along the line Malorechenskoye settlement – ​​Cape Chauda. Arrows indicate: 1) gas manifestations, probably associated with mud volcanic activity (with coordinates 44.42.80 N, 35.00.87 E); 2) confined to modern uplifts of the basement of the southeastern continental margin of Crimea

Жүктеу (124KB)

Метадеректер

9. Fig. 8. Fragment of acoustic profile 5 near the city of Yalta, in the area of ​​Mount Ayu-Dag, showing the release of gas to the surface of the bottom at a point with coordinates 44°33′ 28′′ N, 34°23′ 85′′ E.

Жүктеу (515KB)

Метадеректер

Presented by Academician of the RAS M.F. Fedonkin July 8, 2024