Шельфовые илы Охотского моря: Состав, физико-механические свойства, условия формирования

Актуальность диссертационной работы. Растущая заинтересованность человека во всестороннем освоении шельфовых зон морей, как потенциальных источников различных полезных ископаемых (нефть, газ, золото), необходимость строительства в прибрежной зоне сложных инженерных объектов (порты, дамбы, приливные электростанции) привели к образованию нового научного направленияморской инженерной геологии. В связи с этим на континентальном шельфе различных морей в настоящее время ведутся интенсивные геологические и инженерно-геологические работы. В частности, на шельфе Охотского моря бурный рост инженерно-геологических работ на акватории сопряжен с открытием в конце 70-х начале 80-х гг. крупных нефтяных и газоконденсатных месторождений. Причем, вопросы, возникающие в процессе проведения работ, связаны как с практическим освоением залежей нефти и газа, так и возведением разного рода сооружений на дне моря и в береговой зоне.

Различные инженерные сооружения: самоподъемные и полупогружные плавучие буровые установки (СПБУ и ППБУ), морские стационарные и ледостойкие платформы (ЛСП и МСП), подводно-устьевые окончания и нитки продуктопроводов, как правило, возводятся на новейших субаквальных отложениях, слагающих самую верхнюю часть осадочного разреза шельфа и, следовательно, являющихся естественным несущим основанием. Поэтому, очевидность всестороннего знания о составе, строении и физико-механических свойствах грунтов не вызывает сомнений.

Инженерно-геологические исследования проводились в различных районах континентального шельфа Охотского моря (сахалинский, камчатский, североохотский) в том числе и на акваториях заливов Анива, Терпения и Северо-Охотского прогиба, которые отнесены к разряду нефтегазоперспективных. Однако до настоящего времени различные аспекты свойств морских грунтов Охотского моря вообще и илов в частности, а именно они в подавляющем большинстве представляют новейшие отложения рассматриваемых регионов, практически не изучались.

Следовательно, изучение закономерностей распространения различных типов илов, формирование особенностей их состава и свойств, анализ пространственной изменчивости физико-механических показателей актуально как с теоретических позиций, так и в практическом плане, прежде всего с точки зрения наиболее рационального технического решения при выборе средств для поисков, разведки и добычи нефти со дна моря.

Цель работы — изучение геологического строения и инженерно-геологических условий шельфа Охотского моря в пределах СевероОхотского прогиба, заливов Терпения и Анива, а также детальное исследование чехла морских голоценовых илов, включавшее в себя выявление основных закономерностей формирования и пространственной изменчивости их гранулометрического, минералогического, химического состава и физических, физико-химических, прочностных и деформационных свойств.

Основные задачи исследований:

1) проведение стратификации четвертичных отложений верхней части разреза шельфа Охотского моря.

2) изучение минералогического состава морских голоценовых илов.

3) изучение физико-механических свойств илов.

4) выяснение закономерностей формирования физико-механических свойств илов регионов шельфа Охотского моря.

Использованный фактический материал: В основу работы положены материалы морских, полевых и камеральных инженерно-геологических изысканий выполненных на акватории Охотского моря Дальневосточной морской геологической экспедицией (ДМИГЭ) в 1987— 1992 гг. при непосредственном участии автора. В качестве опорных полигонов изучались донные грунты на 11 площадках расположенных в заливах Анива, Терпения и Северо-Охотском прогибе. Для характеристики голоценовых илов было проведено их комплексное изучение, по результатам бурения и опробования 523 скважин и 1300 определений основных показателей состава и физико-механических свойств.

Методика исследований. При выполнении работы применялись аналитические методы сейсмостратиграфии, лабораторные методы исследования физико-механических свойств грунтов, электронно-микроскопический метод исследования микростроения илов, рентгеновский метод изучения минерального состава илов, естественноисторический анализ процесса седиментации шельфовых грунтов.

Научная новизна. В результате проведенных работ научную новизну можно сформулировать следующим образом:

1) Проведена сейсмостратификация четвертичных отложений верхней части разреза шельфа заливов Анива, Терпения и североохотского шельфа Охотского моря.

2) Выяснены закономерности формирования физико-механических свойств илов в зависимости от глубины седиментационного бассейна.

I) Установлены диагенетические трансформации глинистых минералов (система «иллит-смектит», «хлорит-смектит») на ранних стадиях диагенеза.

4) Выявлены и изучены основные эндогенные геологические процессы определяющие инженерно-геологические условия североохотского шельфа и шельфа заливов Анива, Терпения.

Достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертационной работе, обуславливается большим объемом теоретических и экспериментальных исследований, а также реальной инженерно-геологической обстановки на опорных площадях различных регионов шельфа Охотского моря, где проводились детальные инженерно-геологические исследования.

Практическая значимость работы:

Разработанные региональные сейсмостратиграфические схемы и таблицы физико-механических свойств илов применялись:

• для оперативной постановке СПБУ на точку бурения в Охотском море в Дальневосточной морской инженерно-геологической экспедиции (ДМИГЭ), Южно-Сахалинск, 1987;1998.

• в составлении сводных отчетов по изученности шельфа России НПО «Союзморинжгеология», Рига, 1990.

• в составлении карты «Цитологические комплексы и экзогенные процессы суши и шельфа о. Сахалин» Масштаб 1:500 000, Хабаровск, 1992.

Апробаиия работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях НПО «Союзморинжгеология» (1989), ДМИГЭ (1987;1992), Всероссийской конференции по морской инженерной геологии ВНИИокеангеология (1993), научных семинарах геологического факультета СПбГУ.

Основные результаты исследований опубликованы в 10 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа общим объемом 193 страницы состоит из введения, четырех глав и заключения, списка литературы из 128 наименований, включает 37 рисунков и 19 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании комплексного изучения состава и свойств голоценовых шельфовых илов Охотского моря установлено два главных фактора определяющих закономерности формирования, а также их латеральной и вертикальной изменчивости:

•Геолого-географические условия осадконакопления;

•Характер и направленность диагенетических преобразований в донных осадках.

В первом факторе ведущую роль играют геологическое строение (общий геоструктурный план и тектоника) региона, распределение, и характер терригенного стока с суши, ледовая обстановка, гидродинамический режим бассейна седиментации и современные геологические процессы.

Практически все нефтегазоперспективные бассейны Охотского моря, а приурочены к зонам крупных депрессий земной коры — Северо-Охотский прогиб (североохотский шельф), Поронайский (запив Терпения) и Сусунайский (залив Анива) прогибы — сахалинский шельф. Все прогибыкайнозойские наложенные впадины.

В геологическом строении верхней части разреза шельфов принимают участи неогеновые и четвертичные образования, последние в свою очередь охватывают весь временной отрезок четвертичного периода от Qi до Qiv.

В четвертичное время происходило несколько трансгрессий моря, связанных с глобальными изменениями климата. Максимальная мощность морских четвертичных отложений по данным НСАП достигает 150 м.

Верхняя часть разреза четвертичных отложений экзогенного аккумулятивного шельфа открытых и внутренних халистаз Охотского моря характеризуется застойноводной обстановкой осадконакопления, в результате которой образовались мощные (до 10−12 м) толщи голоцен-современных глинистых илов. Морские шельфовые илы, залегая ниже «иловой линии» сплошным чехлом, хорошо выдержанным по простиранию, венчают разрез четвертичных (плейстоцен-голоценовых) отложений.

Геологический фактор, таким образом, выражается в том, что на участках стабильного прогибания земной коры идет активное накопление осадочного материала.

При формировании исходного материала в субаэральных условиях климатический фактор выражен в практически полном отсутствии процессов химического выветривания и преобладанием над ним физического Основной поставщик осадочного материала в бассейн седиментациитвердый сток рек, и в меньшей степени, абразия берегов и ледовый разнос. Во всех без исключения типах донного грунта, в той или иной степени, присутствует гравий и мелкая галька.

На обследованных площадях существует закономерная изменчивость состава и физико-механических свойств илов, как по глубине моря, так и по разрезу.

Основными критериями, которыми контролируется эта изменчивость, являются:

1. Характер (состав первичного материала и скорость поступления взвеси) терригенного стока с сопредельной суши.

2. Гидродинамический режим акватории.

3. Удаленность от берега и глубина моря.

4. Направленность и динамика последующих сингенетических преобразований.

5. Влияние биоты.

Характер терригенного стока с побережья обуславливает в первую очередь минеральный состав илов. Помимо кварца и полевых шпатов. которые в основном слагают песчаную и пылеватую фракции, алевритовая и пелитовая фракции в части глинистых минералов напрямую зависит от речного стока. В заливах Анива и Терпения каолинит, хлорит, иллит и смектит представлены примерно в равных пропорциях, а на североохотском шельфе подавляющее преимущество остается за иллитом и смектитом. Причем чем дальше от берега, тем больше в составе глинистой фракции смектита и меньше иллита.

Распределение и характер терригенного стока с побережья, близость или удаленность тех или иных участков от устьев рек отражается в свою очередь на физико-механических свойствах грунтов. Чем дальше от источника питания, тем выше Уе, п, 1р и ниже р, с, Е.

Гидродинамический режим акватории (приливные течения практически отсутствуют, а постоянные образуют круговые системы с направлением вдоль берега) выражен в основном в гранулометрическом составе донных грунтов: чем удаленнее от берега тот или иной участок шельфа, тем дисперснее состав илов его слагающих. В центральных частях заливов в застойноводной седиментационной обстановке (сахалинский шельф) и на внешнем крае шельфа (североохотский) фракции <0.001 в илах более 50−55%.

Инженерно-геологические свойства илов шельфа Охотского моря < л характеризуются высокими значениями физико-химических показателей (У до 150%), 1р до 55 п до 90%) и низкими прочностными и деформационными л характеристиками (с=0.015 МПа, Р=3−5°, Е до 1 МПа).

Удаленность от берега и глубина моря обуславливают, прежде всего, водно-физические свойства илов. Увеличение Уе, 1р, п, Сорг и уменьшение р отмечается по направлению от берега к открытому морю.

Динамика и направленность последующих сингенетических преобразований в илах Охотского моря выражается в уменьшении ¥-е, п, 1р на 50−70% и увеличении с, {, Е с глубиной залегания инженерно-геологического разреза.

Изменению физико-механических свойств с глубиной по осадку сопутствуют заметные диагенетические преобразования минеральной части глинистой фракции.

В основном происходят трансформационные изменения в системе «иллит-смектит», в сторону лучшей окристаллизованности гидрослюды и общего увеличения смешаннослойных, на ранних стадиях диагенеза происходящих в грунтовой толще.

Эти изменения отражается на геохимии илов с глубиной осадка: уменьшается содержание И^р БЮ?, N⁰, ЫаО, К?0 и возрастает АЬ03, Ре О, СаО.

И, наконец, существеннейшую роль в формировании свойств играет биотическая составляющая (5−7%). Чем больше Сорг, тем выше ¥-е, п, 1р и ниже р, с, Е. Аналогичная картина наблюдается и по суммарному белку (СБ): чем выше СБ тем выше Уе, 1р, I).

Таким образом, состав и свойства илов шельфа Охотского моря результат действия целого ряда факторов, которые, накладываясь, друг на друга и формируют их современный инженерно-геологический облик.

Изучение закономерностей формирования физико-механических свойств дает возможность прогнозировать последние на различных участках шельфа при проведении инженерно-геологических работ.

Изученные шельфовые илы из-за низких прочностных характеристик являются весьма неблагоприятным основанием для морских гидротехнических сооружений — самоподъемных и полупогружных плавучих буровых установок — опирающихся в процессе эксплуатации на грунт. В изученных регионах геологоразведочные и геолого-поисковые работы на нефть и газ необходимо проводить с помощью плавучих буровых установок,.

182 удерживающихся на точке бурения с помощью системы якорей, которая позволяет провести необходимые работы за достаточно короткий период времени (1−2 месяца). Прогноз для линейных сооружений (нефтеи газопроводы) наиболее благоприятен.

Инженерное решение промышленной добычи углеводородов возможно, по всей вероятности, только с помощью подводно-устьевых окончаний.