Новая инженерно-геологическая карта шельфа арктических морей России
В статье обсуждается содержание впервые выполненной инженерно-геологической карты шельфа арктических морей РФ масштаба 1: 5 000 000.
Хозяйственное освоение шельфа, которое в значительной степени возродилось в конце первого десятилетия XXI века, привело и к усилению роли инженерно-геологических изысканий на континентальной окраине. Основную роль играют объекты нефтегазовой отрасли, которые в свою очередь рассматривают арктический шельф России как одну из наиболее перспективных областей. Это привело к возникновению потребности в обзорных мелкомасштабных картах геологического содержания, что диктуется рядом соображений. Во-первых, необходимостью разработки долгосрочных планов устойчивого развития арктических территорий, основанных на комплексном использовании природных ресурсов и на обобщении накопленного опыта проектирования, строительства и эксплуатации различных хозяйственных объектов на шельфе. Во-вторых, необходимостью предварительной инженерно-геологической характеристики и оценки перспективных участков поисков и разведки месторождений полезных ископаемых, в том числе углеводородов, россыпей и строительных песков. В-третьих, возможностью широкого использования инженерно-геологических карт в системах управления ГИСами и базами данных для решения задач мониторинга природной среды, рационального использования и охраны геологической среды. В-четвертых, необходимостью постоянного совершенствования теории и практики специального картографирования, непосредственно связанного с задачами проектирования, строительства и эксплуатации различных хозяйственных объектов и комплексов Арктической зоны.
Эти соображения и легли в основу решения агентства «Роснедра» о подготовке инженерно-геологической карты арктических морей России масштаба 1:5 000 000, которая была поручена ФГБУ «ВНИИОкеангеология». Это решение не было случайным, т.к. первые инженерно-геологические карты шельфа, при этом арктических морей, начали создаваться в институте НИИГА, восприемником которого и является современный институт «ВНИИОкеангеология».
Основные этапы развития инженерно-геологических изысканий на арктическом шельфе РФ
Уровень инженерно-геологической изученности арктического шельфа существенно уступает геологической. Работы по этому направлению в Арктике начали проводиться с 70-х годов XX века, практически одновременно с началом поиска на шельфе УВ сырья. Вплоть до конца прошлого века они выполнялись главным образом в Западно-Арктическом секторе, в редких случаях – в береговой зоне в восточно-арктических морях СССР. Основными организациями, возглавившими и проводящими вплоть до настоящего времени инженерно-геологические работы на шельфе арктических морей, являются ФГБУ «ВНИИОкеангеология» (Санкт-Петербург), Мурманская Арктическая морская инженерно-геологическая экспедиция (АМИГЭ) и в меньшей мере – Мурманская морская геологоразведочная экспедиция (МАГЭ). В настоящее время организаций, ведущих изыскания, десятки, т.к. потребность в них выросла многократно в связи с развитием морской инфраструктуры нефтегазового сектора.
Первые научно-исследовательские инженерно-геологические работы и инженерные изыскания на шельфе арктических морей начал проводить в начале 60-х годов НИИГА (Научно-исследовательский институт геологии Арктики). В 1969 году под руководством Я.В. Неизвестнова была начата разработка методики региональных и детальных инженерно-геологических и гидрогеологических работ на шельфе. В 70-е годы было подготовлено первое монографическое описание инженерной геологии шельфов и островов Советской Арктики [Неизвестнов, 1972, 1982], даны заключения по инженерно-геологическим условиям строительства портовых пунктов, морского газопровода через Байдарацкую губу, составлена программа инженерных изысканий для ТЭО возведения искусственных островов и оснований буровых установок на акваториальных продолжениях структур полуостровов Ямал и Гыдан.
В 70-х годах прошлого века началось инженерно-геологическое изучение нефтегазоперспективных площадей на баренцевоморском и карском шельфах (МАГЭ, АМИГЭ). В этот период были выполнены региональные геолого-геофизические работы масштаба 1:5 000 000 – 1:200 000 и были составлены карты рельефа дна, донных грунтов, геологические, геоморфологические и инженерно-геологические различных масштабов. В этот же период появились и первые картографические обобщения масштаба 1:5 000 000 [Козлов, 2004].
С 1980 года МАГЭ начинает проводить полистную геологическую съемку шельфа масштаба 1:1 000 000 (листы S-40, 41). В процессе этих работ были изучены рельеф дна и физико-механические свойства донных осадков, построены карты инженерно-геологического районирования.
Своеобразным итогом этого этапа исследований явилась докторская диссертация Я.В. Неизвестнова «Инженерная геология зоны арктических шельфов СССР», к которой была приложена карта общего (естественно-исторического) районирования и дана прогнозная инженерно-геологическая характеристика таксономических единиц [Неизвестнов, 1979].
В 70–80-х годах сформировалась методика инженерно-геологических изысканий на арктическом шельфе, основанная не только на изучении кернов и монолитов, но и на сейсмоакустическом профилировании.
В начале 80-х годов были составлены первые инструктивные документы по методике инженерно-геологических исследований на шельфе. Они опирались на результаты опытно-методических работ в южной части Баренцева моря, в результате которых были составлены мелкомасштабные карты инженерно-геологических условий масштаба 1:1 000 000 и 1:1 500 000 Баренцево-Карского шельфа, дана прогнозная оценка инженерно-геологических условий шельфа, изучено строение покрова четвертичных отложений Печероморского района, составлен ряд вспомогательных карт. На основе этих материалов Е.Л. Дзилной построена карта-схема инженерно-геологических условий и проведено инженерно-геологическое районирование южной части Баренцева моря [Методические…, 1983].
В 80-е годы АМИГЭ и другими экспедициями объединения «Союзморинжгеология» (наследницы ВНИИМОРГЕО) были проведены инженерно-геологические опытно-методические и производственные работы в целом ряде нефтегазоперспективных районов южной части Баренцево-Карского шельфа, в результате которых были обобщены данные по геологическому строению, мерзлотным условиям, проведено стратиграфическое расчленение новейших отложений, их верхние горизонты охарактеризованы инженерно-геологическими показателями, выявлены общие закономерности изменения инженерно-геологических условий. [Козлов, 2006].
В 1990-е годы произошло существенное сокращение инженерно-геологических исследований на арктическом шельфе России, но именно в это время появляются обобщающие работы по инженерно-геологическому районированию шельфа, прежде всего западно-арктического. Так, в 1995 г. были опубликованы результаты обобщения материалов морского инженерно-геологического бурения, непрерывного сейсмоакустического профилирования, геокриологических исследований и лабораторных анализов инженерно-геологических свойств грунтов, выполненных АМИГЭ в Западно-Арктическом регионе с 1980 г. [Мельников, Спесивцев, 1995].
Первая публикация обобщающих данных по инженерной геологии шельфов арктических морей СССР была осуществлена в восьмитомной монографии «Инженерная геология СССР», частично в томах 1, 2, 3, 4 и 5, а также в изданной в эти же годы монографии «Инженерная геология. Шельфы СССР» [Инженерная геология…,1990].
Начало 2000-х годов ознаменовалось активизацией геологоразведочных работ на арктическом шельфе России, включая инженерно-геологические изыскания. Во многом это связано с расширением работ в этом районе подразделений Газпрома и Роснефти, причем в этот период геофизические работы начались и на восточно-арктическом шельфе. Этот период характеризуется возрастанием роли геофизических методов и в первую очередь – сейсмоакустического профилирования [Гайнанов, Токарев, 2019, Рыбалко и др., 2019], однако существующие в настоящее время технологии и аппаратурные возможности этих методов изучения геологического разреза недостаточны для решения инженерно-геологических задач на мелководных акваториях в присутствии мерзлых пород. Так, наряду с сейсмоакустическими работами в зонах развития мерзлых пород на шельфе был успешно выполнен значительный электроразведочные работ, в частности – методом постоянного тока [Холмянский и др., 2000].
Большое значение имело составление в 2010 году институтом ВCЕГИНГЕО современной инженерно-геологической карты территории Российской Федерации масштаба 1:2 500 000 [Круподеров и др., 2011], которая закрепила методику составления обзорных мелкомасштабных инженерно-геологических карт.
Результаты мелкомасштабного инженерно-геологического картографирования арктического шельфа
Инженерно-геологическая карта представляет собой продукт самостоятельного картографирования, в результате которого на ней должны быть показаны все важнейшие природные и техногенные факторы, определяющие инженерно-геологические условия для регионального планирования, проектирования, строительства, эксплуатации сооружений и проведения инженерных работ на шельфе и в береговой зоне, а также для прогноза изменения геологической среды под влиянием инженерно-хозяйственной деятельности. На ней также должны найти отражение: рельеф морского дна, геологическое строение в самом широком смысле этого термина, обобщенная гидрогеологическая характеристика, геологические процессы и явления, включая общую оценку состояния берегов, техногенная структура, связанная с проектированием, строительством и эксплуатацией различных сооружений на морском дне и в прибрежной зоне.
Показ такой обильной информации потребовал больших усилий по свертке информации, выбору наиболее наглядных изобразительных средств. Основной и принципиальной трудностью являлся сравнительно небольшой процент площади морского дна, где уже были проведены инженерно-геологические изыскания (не более 10 %). Это с самого начала не позволило использовать основной принцип инженерно-геологического картографирования – показ типов грунтов с их характеристикой по физико-механическим свойствам. Поэтому в качестве контрольного источника о площадном распространении рыхлых грунтов по всему арктическому шельфу решено было использовать материалы картографирования четвертичных отложений, которые были отображены на «Геологической карте четвертичных отложений Российской Федерации с прилежащим шельфом масштаба 1:2 500 000, подготовленной в 2005 г. (автор Е.А. Гусев).
Наряду с четвертичными отложениями существенное значение для инженерно-геологического картографирования представляют и дочетвертичные породы, которые характеризуют состав цоколя что необходимо для проектирования инженерных сооружений на шельфе. Эта информация также была получена с соответствующих мелкомасштабных карт, охватывающих арктический шельф РФ.
Исходя из имеющихся на настоящий день доступных для картографирования материалов, при составлении инженерно-геологической карты шельфа арктических морей принята следующая схема генерализации картируемой информации:
Рельеф морского дна показан с помощью изобат с шагом 50–100 м сплошными тонкими линиями чёрного цвета;
Под инженерно-геологическим комплексом понимается толща горных пород, расположенных в стратиграфической последовательности и характеризующаяся сходством или закономерной изменчивостью инженерно-геологических характеристик [Словарь…, 1960].
Всего было выделено 14 ИГК и для каждого приведены возраст, литологический состав грунтов, привязка к определённой фациальной обстановке, мощность, площадь распространения с геоморфологической характеристикой и обобщённая атрибутивная инженерно-геологическая характеристика по имеющейся информации. Для показа ИГК было использовано главное изобразительное средство – цвет. При этом дисперсным грунтам в текучем, слабо литифицированном и слабо уплотнённом состоянии отдана жёлто-зелёная гамма оттенков, а более уплотнённым и литифицированным грунтам – розовато-коричневая, со сгущением тона от песчаных грунтов к глинистым. Таким выбором было закреплено важное положение, что с инженерно-геологической точки зрения первостепенное значение имеет состав грунтов, слагающих верхнюю часть геологического разреза.
ИГК-1 – слабые, преимущественно связные глинистые грунты текучей консистенции, обладающие значительной вязкостью и липкостью. В генетическом отношении – это типичные нефелоидные морские отложения, покрывающие поверхность аккумулятивных шельфовых равнин, а также склоны и днища батиальных впадин. Мощность этих отложений – до 10 м. Возраст – голоценовый, часто даже верхнеголоценовый.
ИГК-2 – преимущественно рыхлые несвязные грунты, представленные песками и супесями различной зернистости, часто с небольшой примесью гальки и дресвы коренных пород. Реже отмечаются галечники или валунно-галечные отложения небольшой мощности. Для всех типов отложений характерно отсутствие или очень низкое содержание алевропелитовых частиц ( Для всех выделенных выше ИГК в пояснительной записке охарактеризованы физико-механические свойства слагающих их осадков. Они заимствованы из публикаций и доступной фондовой литературы и сведены в базы данных. При этом сразу выяснилась резкая разница в наличии данных по западно-арктическому и восточно-арктическому шельфам. Она определяется как особенностями геологического строения, так и, главное, степенью геологической изученности. При достаточно ограниченной изученности западно-арктического шельфа на начало 2015 года восточно-арктический шельф имел ее практически на нулевом уровне (сказанное относится и к сейсмоакустической изученности морей Лаптевых, Восточно-Сибирского и Чукотского).
Западно-арктический шельф, особенно баренцевоморский, характеризуется расчлененным рельефом, значительной погруженностью бровки шельфа (300 м до 700 м в желобах) и денудационным характером современного развития, когда на значительной части поверхности морского дна вскрываются подстилающие отложения или породы, вплоть до коренных. Особое значение с инженерно-геологической точки зрения приобретает наличие в верхней части разреза ледниковых отложений, которые резко отличаются по своим свойствам от других типов четвертичных образований.
Восточно-арктический шельф отличается относительной мелководностью (бровка шельфа лежит на глубине 180–200 м), большой выровненностью и мощным покровом современных нефелоидных осадков с очень низкими показателями прочностных и деформационных свойств. Очень важной особенностью осадков трех восточных шельфовых морей является наличие мерзлых осадков, вплоть до погребенных льдов. Это резко осложняет как проведение самих инженерно-геологических изысканий (с мерзлотой часто соседствуют скопления газов, что повышает опасность проведения бурения), так и выбор площадок под техногенные объекты, безопасных с точки зрения устойчивости грунтов.
Для всестороннего анализа инженерно-геологических условий шельфовых морей России в Арктике, кроме основной карты, было подготовлено еще четыре схемы масштаба 1:15 000 000, каждая которых отражает отдельные аспекты этих условий: инженерно-геологического районирования, оценки интенсивности проявления современных геологических процессов и геологических опасностей, районирования шельфовой зоны по характеру и интенсивности проявления техногенных воздействий.
Из них наибольшее и, главное, самостоятельное значение имеет схема инженерно-геологического районирования арктического шельфа. При ее составлении для о боснования и картографического отображения закономерностей формирования инженерно-геологических условий был использован метод традиционного трёхступенчатого районирования с выделением регионов, областей и районов. Для выделения регионов использовались, как правило, структурно-тектонические признаки, областей – геоморфологические, районов (и подрайонов) – классификационные характеристики пород поверхностных отложений. Так, в качестве инженерно-геологических регионов выделяются западно-арктический шельф и восточно-арктический шельф. При выделении инженерно-геологических областей во главу угла ставился геоморфологический фактор с привлечением элементов тектонической структуры. Для выделения инженерно-геологических районов использовался принцип смешанного районирования, учитывающий как индивидуальные характеристики, так и типологические черты. В качестве первых рассматривались специфические морфоскульптурные характеристики в пределах той или иной акватории, в качестве вторых – особенности современных процессов литодинамики, определяющие устойчивость и закономерности современного развития инженерно-геологической обстановки в целом. С этой точки зрения рассматривались районы преимущественно аккумулятивного типа развития (АК) – 1 тип, денудационного типа развития (ДЕН) – 2 тип, смешанного типа (АК-ДЕН) – 3 тип, транзитного типа развития (ТР) – 4 тип. Соответственно, для районов 1 типа характерна относительно стабильная инженерно-геологическая обстановка, определяемая накоплением мощных покровных отложений; для районов 2 типа – неустойчивая и изменчивая по пространству и по времени инженерно-геологическая обстановка, определяемая направленностью процессов денудации и размыва; для районов 3 типа – переходная нестационарная инженерно-геологическая обстановка, определяемая господством аккумулятивно-денудационных процессов, сильно изменчивых по пространству и по времени; для районов 4 типа – нестабильная инженерно-геологическая обстановка, определяемая процессами размыва коренного ложа и разнонаправленного переноса донных отложений.
В конечном счете было выделено 26 инженерно-геологических районов, для каждого из которых была приведена полная инженерно-геологическая характеристика, включающая геоморфологические, гидролитодинамические, литологические, неотектонические, в том числе сейсмические, а также мерзлотные и другие опасные с геологической точки зрения факторы.
Схема оценки интенсивности проявления современных геологических процессов и геологических опасностей освоения шельфовой зоны окраинных морей Северного Ледовитого океана содержит информацию об интенсивности развития экзогенных и эндогенных геологических процессов и опасности их проявления. Это – склоново-гравитационные и ветро-волновые явления на акваториях, криогенные процессы, землетрясения и др. В пределах шельфа в настоящее время одной из наиболее широко распространенных опасностей признаны скопления газов различной природы. Д ля картографирования степени проявления опасных геологических процессов был выбран количественный принцип, широко используемый в квалиметрии и в картах оценки геоэкологического состояния шельфов. Районирование проведено по интенсивности проявления опасных факторов, которое определяется их количеством (1, 2, 3 и более). Им приданы стандартные цвета опасности: зеленый (благоприятный), желтый (требующий внимания или умеренное проявление) и красный (интенсивное проявление, опасный район).
Инженерно-геологическая карта арктического шельфа РФ дополнена также «Схемой районирования шельфовой зоны по характеру и интенсивности проявления техногенных воздействий». На ней цветом выделены четыре вида техногенных воздействий площадного характера: кратковременного воздействия на верхний слой донных отложений в районах интенсивного судоходства и донных работ исследовательского характера; проведения взрывных работ, сопровождающихся существенными изменениями рельефа морского дна и структуры тел, сложенных горными породами; захоронения отходов промышленности и атомной энергетики; зоны постоянного воздействия со стороны тралового рыболовного флота. Исходя из степени и глубины наблюдающихся техногенных изменений, выделены три категории: площади с весьма несущественными изменениями, с низкой степенью изменений и с умеренной степенью среды.
1. Впервые была проведена систематизация инженерно-геологической информации как из государственных, так и из частных источников. Все полученные данные сведены в базу данных, что позволит существенно снизить затраты на инженерно-геологические изыскания.
2. Впервые на основе данных о геологическом строении шельфа, результатах инженерно-геологических изысканий и их обобщения составлена «Инженерно-геологическая карта окраинных морей Северного Ледовитого океана Арктической Зоны Российской Федерации масштаба 1:5 000 000» В ней показаны пространственное расположение инженерно-геологических комплексов – разнородных геологических тел, которые могут быть выделены в пространстве и показаны на карте с использованием доступных методов изучения условий залегания, стратиграфо-генетической принадлежности, состава, состояния и свойств составляющих его пород, структурно-фациальных комплексов дочетвертичных пород, основные тектонические нарушения, определяющие положение крупных структурно-фациальных зон. Приведены обобщенные характеристики физико-механических свойств четвертичных отложений. Данная карта предназначена для получения общих представлений об инженерно-геологическом строении акваторий при планировании различных инженерных объектов на дне арктических морей.
3. Проведено инженерно-геологическое районирование дна морей Арктического сектора России с выделением инженерно-геологических регионов, инженерно-геологических областей и инженерно-геологических районов. Дана обобщенная инженерно-геологическая характеристика инженерно-геологических районов.
4. Выполнена классификационная оценка интенсивности проявления современных геологических процессов и геологических опасностей освоения шельфовой зоны окраинных морей Северного Ледовитого океана. Проведено районирование арктического шельфа по типам геологических опасностей и возможной интенсивности их проявления.
5. Проведено районирование арктических морей Российской Федерации по характеру и интенсивности проявления техногенных воздействий на дно шельфа. Выделены районы с незначительной, низкой и умеренной степенью изменений геологической среды под влиянием таких процессов. В целом констатировано, что на современном этапе такое воздействие носит ограниченный характер в локальных районах и преимущественно на западно-арктическом шельфе России.
6. Выполненные работы могут считаться лишь первым шагом в построении сводной карты инженерно-геологических условий на арктическом шельфе России и потребуют более детального обобщения результатов инженерно-геологических изысканий.
1. Гайнанов В.Г., Токарев М.Ю. Сейсмоакустические исследования при инженерных изысканиях на акваториях // Геофизика, 2018, № 3, с. 10–16. Инженерная геология СССР. Шельфы СССР. М.: Недра, 1990. 240 с.
2. Козлов С.А. Инженерная геология западно-арктического шельфа России. МПР РФ, ВНИИОкеангеология, СПб, 2004, 147 с.
3. Козлов С.А. Концептуальные основы инженерно-геологических исследований западно-арктической шельфовой нефтегазоносной провинции // Нефтегазовое дело, 2006 / http://www.ogbus.ru
4. Круподеров В.С. , Андрианов В.Н. , Чекрыгина С.Н. Инженерно-геологическая карта России // Разведка и охрана недр, 2011, № 9, с. 17–19.
5. Мельников В.П., Спесивцев В.И. Инженерно-геологические и геокриологические условия шельфа Баренцева и Карского морей. Новосибирск, Наука, 1995, 198 с.
6. Методические рекомендации по инженерно-геологическому изучению нефтегазоперспективных районов шельфа / И.Л. Дзилна, В.Г. Ульст // Рига: ВНИИморгео, 1983, 80 с.
7. Неизвестнов Я.В. Некоторые особенности инженерно-геологических условий островов и побережья Арктического бассейна// Доклады симпозиума по инженерно-геологическим условиям Черного моря. Тбилиси,1972, с.127–131.
8. Неизвестнов Я.В. Методологические основы изучения инженерной геологии арктических шельфов СССР // Инженерная геология, № 1, 1982. С. 3–16.
9. Неизвестнов Я.В., Холмянский М.А. Применение электроразведочных работ для решения геокриологических задач на шельфах северных морей // Сб. методик инженерно-геологических исследований и картирования области вечной мерзлоты. Вып. 2. Якутск, 1977. С. 6–7.
10. Рыбалко А.Е., Локтев А.С., Токарев М.Ю., Росляков А.Г. и др., Выявление и картирование гравитационных и современных геодинамических процессов при инженерно-геологических изысканиях и геологическом картировании на шельфовых морях // Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации. Материалы Пятнадцатой Общероссийской научно-практической конференции изыскательских организаций. М.: ООО «Геомаркетинг». 2019., с. 483–487.
Keywords: Engineering Geology, Shelf, Map, seismicc methods, Engineering Geology Zoning, Geological Hazards.
Источник