Высокоразрешающие сейсмоакустические исследования скоплений газа в голоценовых донных отложениях Амурского залива (Японское море)

Вестник ДВО РАН. 2011. № 3

УДК 550.83(26)/834:552.578.1

В.Н.КАРНАУХ, Е.Н.СУХОВЕЕВ, И.А.ЛИСТРОВАЯ

Высокоразрешающие сейсмоакустические исследования скоплений газа в голоценовых донных отложениях Амурского залива

Представлены результаты сейсмоакустических исследований северной части Амурского залива. Составлены карты мощности голоценовых осадочных отложений и поверхности акустического фундамента. В осадках залива обнаружены акустические аномалии, связанные с присутствием газа, сделана карта их площадного распространения. Предполагается, что поступление газа происходит из пород фундамента, представленных угленосными осадочными отложениями мелового и триасового возраста, и торфсодержащего слоя в основании осадочного чехла.

Ключевые слова: Японское море, Амурский залив, голоцен, высокочастотный профилограф, акустические аномалии, скопления приповерхностного газа.

High-resolution seismic survey of gas accumulations in the Holocene sediments of the Amur Bay (the Sea of Japan). V.N.KARNAUKH, E.N.SUKHOVEEV, I.A.LISTROVAYA (V.Ul'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok).

High-resolution seismic investigations were carried out to study the northern part of the Amur Bay. Isopach map of Holocene sediments and isobase map of acoustic basement surface are composed. Acoustic anomalies associated with gas presence were revealed. Their lateral extension has been mapped. Basement rocks, represented by the Cretaceous and Triassic coal sedimentary deposits and peat-containing strata in the basement of sedimentary cover are supposed to be the possible gas source origin. Analyses of the geological structure of the bay depression suggest that the Cretaceous and Triassic sediments with coal layers and peaty sediments in the base of Holocene strata are the possible the gas source origin.

Key words: the Sea of Japan, the Amur Bay, Holocene, high-frequency profiler, acoustic anomalies, shallow gas accumulations.

Глубина моря в северной части Амурского залива составляет 10-25 м, в юго-западном направлении увеличивается до 30-50 м. Южная часть депрессии залива заполнена кайнозойскими отложениями мощностью более 2500 м, залегающими на верхнепермских вулканогенно-осадочных породах и прорывающих их гранитоидах [1]. В северо-восточной части залива кайнозойские образования подстилаются угленосными осадочными отложениями мелового и триасового возраста мощностью свыше 3000 м.

Изучение четвертичных отложений Амурского залива имеет длительную историю. С 1960-х годов здесь выполнен большой объем геологических работ (отбор проб грунта дночерпателем и прямоточными трубками [6]), пробурены две скважины [2] и отработано несколько галсов методом непрерывного сейсмоакустического профилирования с электроискровым источником [5]. На основе этих работ были восстановлены условия современной и позднеплейстоценовой седиментации [6]. Важным результатом исследований было установление гетерогенной природы поверхности акустического фундамента (АФ) в заливе.

*КАРНАУХ Виктор Николаевич - кандидат геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией, СУХОВЕЕВ Евгений Николаевич - младший научный сотрудник, ЛИСТРОВАЯ Инна Александровна - инженер (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И.Ильичева ДВО РАН, Владивосток). *Е-шак karnaukh@poi.dvo.ru

На акватории северной части залива АФ соответствует кровле песков, отложенных примерно 10 200 л.н. В частях залива, примыкающих к склонам п-ова Муравьев-Амурский, островов Русский и Попова, АФ сопоставляется с кровлей кайнозойских, мезозойских и палеозойских образований. Но так как сейсмические исследования проведены в ограниченном объеме, до настоящего времени мало изучены детали строения осадочного чехла и ложа впадины Амурского залива. Также при проведении опытных работ с использованием профилографа здесь обнаружены акустические аномалии, предположительно связанные с присутствием газа в донных отложениях [3]. Характер распределения газовых включений по площади залива остался невыясненным. Для решения этих вопросов в 2009-2010 гг. Тихоокеанский океанологический институт им. В.И.Ильичева ДВО РАН выполнил высокоразрешающие сейсмоакустические исследования.

Исходные данные и результаты работ

Работы проводили методом непрерывных профильных наблюдений с применением высокочастотного профилографа «GeoPulse Subbottom Profilier» с борта НИС «Малахит» и «Импульс». Использовали сигнал с частотой 3,5 кГц. Длина сигнала равна 2 циклам выбранной частоты. Частота посылок составляла 10 излучений в секунду. Сигнал фильтровался в полосе частот 3-5 кГц. Данные регистрировались программой GeoPro 2 на ПК PowerBook G4. Для определения местоположения судна использовалась система спутниковой навигации GPS Model 120 XL. Скорость судна при работах составляла 4-7 узлов.

По результатам исследований составлены карты рельефа поверхности АФ и мощности осадочного чехла (рис. 1). На карте АФ выделяются две депрессии, разделенные валообразным поднятием. Первая расположена между полуостровами Песчаный и Муравьев-Амурский, простирается в меридиональном направлении, имеет крутые борта и характеризуется грубо симметричной в поперечном сечении формой. На большей части депрессии ее днище находится на глубине 40-50 м (при вычислении принята скорость звука в осадках 1600 м/с), и лишь в ее южной части (около о-ва Русский) наблюдается увеличение глубины АФ до 60 м. Депрессия заполнена осадками мощностью 20-30 м. Борта депрессии располагаются в интервале глубин 20-40 м и перекрыты отложениями толщиной 10-20 м. Вторая депрессия располагается в юго-западной части залива и характеризуется асимметричной формой. Восточный борт (глубина 25-35 м) крутой, западный (глубина 20-30 м) относительно пологий. Область максимальных значений глубины АФ во второй депрессии (30-40 м) отмечается рядом с основанием ее восточного борта. Мощность осадков здесь составляет 5-15 м. Другая область повышенных значений мощности отложений (до 15 м) наблюдается в северной части депрессии, рядом с п-овом Песчаный. Валообразное поднятие простирается от п-ова Песчаный до о-ва Русский. Его вершина располагается на глубине 20-25 м. От о-ва Русский поднятие отделено узкой долиной с глубинами АФ 30-35 м, заполненной осадками мощностью около 10 м. Характерной чертой строения поднятия является присутствие холмообразного осадочного тела, лежащего на субгоризонтальной поверхности фундамента. Мощность осадков здесь достигает примерно 10 м, уменьшаясь к краям поднятия примерно до 5 м.

В 1970-х годах в северной части залива напротив м. Грозный пробурена геологическая скважина 2В [2] (рис. 1б). По результатам изучения керна [8] определены состав и возраст донных осадков (рис. 2а) и восстановлены условия их формирования. Один из наших профилей пройден через скважину, поэтому оказалось возможным сопоставить выделенные на профиле слои с колонкой скважины (рис. 2б) и выявить их хорошую корреляцию. Это позволило определить возраст основных слоев в осадках северной части залива. Так, поверхность, принимаемая нами за акустический фундамент, соответствует кровле песков, отложенных около 10 тыс. л.н. Корреляция границ слоев в осадочном чехле

Рис. 1. Карта поверхности акустического фундамента (а) и мощности осадочных отложений (б) северной части Амурского залива. Изолинии проведены через 2,5 м. 1 - сейсмоакустические профили; 2 - местоположение скважины 2В (по работе [6] и на основе консультации Ю.Д.Маркова). На врезке - местоположение профилей, приведенных на рис. 2-5

и в скважине связана с климатическими изменениями и колебаниями уровня моря в голоцене. Выделены границы с возрастом 2300, 5200, 8200 и 9900 лет. Последняя характеризуется высокоинтенсивными отражениями и делит голоценовый чехол залива на две толщи, резко различающиеся акустическим обликом. В нижней толще происходят интенсивные отражения различной степени стратифицированнос-ти - от параллельных до хаотических и наклонных. Осадки толщи выше указанного горизонта представлены отражениями переменной интенсивности и внутренним рисунком от непрерывного параллельно-слоистого до полупрозрачного и прозрачного.

Примечательной особенностью строения северной части залива является наличие в осадочном чехле акустических аномалий различного вида: «покров», «колонна», «мутность» и «столбы».

Акустический «покров» выражается в виде интервала неупорядоченных непрерывных отражений длительностью до 10 мс, которые полностью скрывают и делают неразборчивым расположенную ниже них часть сейсмической записи (рис. 3, 4). Верхняя кромка аномалии, как правило, ровная и субгоризонтальная, иногда наклонная, повторяет наклон слоев осадочного чехла и характеризуется наличием высокоинтенсивных отражений. Борта аномалии, как правило, имеют крутую субвертикальную кромку. Размер аномалий от 200-300 до 1000 м. Аномалии данного типа встречаются, как правило, в основании или средней части осадочного разреза.

-8.

а 7

и 6

а 5

о III —

ч 4

о

и 3

а и II 2

о

н

>а и I 1

Г1 ' 1^1

17.5:

-20-25-

30";

35"1

40-

- 1300

- 2300

- 5200

- 8200

| 9900 10200

45

Рис. 2. а) разрез плейстоцен-голоценовых отложений скважины 2В [8]. А - отдел; Б - горизонты; В - слои; Г - глубина от уровня моря; Д - колонка скважины; Е - абсолютная хронология по Т.Нильсону. 1 - ил пелитовый; 2 - ил алевритовый с примесью щебня и обрывков водорослей; 3 - песок; 4 - гравий и галька; 5 - ил пелитовый с торфом; 6 - пестроцветные глины; б) пример сейсмоакустического профиля, иллюстрирующий строение осадочного чехла и акустического фундамента северной части Амурского залива. Датировка возраста основных границ выполнена на основе сопоставления с разрезом осадочных отложений скважины 2В. Цифры в прямоугольниках - возраст границ в осадочном чехле, лет. Здесь и на рис. 3-5 шкала глубины моря показана с учетом глубины погружения забортного модуля прибора

70

а

Акустические «колонны» выглядят как узкие (шириной первые десятки метров) прозрачные и полупрозрачные вертикальные зоны, нарушающие структуру записи (рис. 5). Верхняя кромка аномалии обычно представлена высокоинтенсивным отражением. Часто «колонны» группируются по 5-10 аномалий и имеют в поперечнике до 400 м. В группах кровли отдельных аномалий могут находиться на одном уровне или быть разнесенными на разные горизонты. Данный тип аномалии распространен в нижней части осадочного разреза на глубине 14-18 м от поверхности морского дна.

В акустической «мутности» присутствует интервал беспорядочных хаотических отражений различной степени интенсивности, среди которых иногда частично распознаются отражающие горизонты (рис. 3-5). Характерной чертой аномалии данного типа является неровная, часто пилообразная верхняя кромка, контуры которой, как правило, нечеткие. Амплитуда изрезанности кромки достигает 10 м. Края аномалий пологие, изредка рядом с ними наблюдаются горизонты высокоинтенсивных отражений. Акустическая

Рис. 3. Пример сейсмоакустического профиля, иллюстрирующий облик акустических аномалий типа «покров» (АП), «мутность» (АМ) и «колонна» (АК) в средней части залива. ВИО - горизонт высокоинтенсивных отражений. Здесь и на рис. 4, 5 жирными вертикальными стрелками обозначено положение акустических «столбов»

10

20'

30

40

С

Ю

* 50

60

70'

10

а 15 2

20

-25 е

Кратное отражение Акустический фундамент

Частичная проницаемость аномалии (фрагментарное

прослеживание отражающих Субвертикальный Ровная верхняя

горизонтов)

край аномалии

кромка аномалии

Рис. 4. Пример сейсмоакустического профиля в восточной части залива

«мутность» проявляется на глубинах 1-10 м ниже дна, в поперечнике составляет несколько километров. Частным случаем аномалии данного типа являются акустические «столбы» конусообразной формы, которые начинают прослеживаться непосредственно из структур акустического фундамента (рис. 3-5). Диаметр основания «столбов» около 70 м, высота 16 м, внешние контуры, как правило, нечеткие. Часто «столбы» располагаются в краевых частях «покровов», рядом с их краями наблюдаются горизонты высокоинтенсивных отражений. «Столбы» могут быть одиночными, с расстоянием между ними 400-1000 м,

а могут группироваться вместе по 2-5 аномалий. Вершины «столбов» располагаются на глубине 2-10 м ниже дна.

Обсуждение результатов

Предшествующими исследованиями установлено, что в позднем плейстоцене, когда уровень моря был ниже современного на 80 м, Амурский залив представлял собой болотистую равнину, на которой накапливались континентальные отложения - галечники и пески [6]. Морская седиментация в заливе началась в раннем голоцене вслед за гляцио-эвстатическим повышением уровня моря. К моменту начала отложения наиболее древних морских осадков в заливе (10 200 л.н.) поверхность Японского моря располагалась на глубине 43-48 м от современного уровня [4]. В последующем уровень моря поэтапно поднимался, периодически случались кратковременные регрессии с амплитудой 4-6 м. В результате осадконакопления в морских условиях залив оказался заполненным илистыми отложениями мощностью 20-25 м [5].

В голоценовых осадках северной части залива мы обнаружили специфические акустические аномалии различного вида. Из литературных источников известно, что подобные аномалии широко распространены в осадках шельфа Мирового океана, а их образование связано с присутствием газа в поверхностных осадках [9]. В работе обоснована возможность использования сейсмических методов для обнаружения скоплений газа [12]. Установлено, что при использовании сейсмических частот в диапазоне от нескольких сотен герц до нескольких десятков килогерц проникновение акустической энергии в осадки во многом зависит от присутствия в среде свободного газа. Слои и области осадочного чехла, заполненные пузырьками газа, ведут себя как высокоэффективные рассеиватели акустической энергии, препятствуют распознаванию структуры осадочного покрова ниже газонасыщенных горизонтов и демонстрируют ясно видимые на сейсмических записях специфические рисунки типа акустической «мутности». Другим характерным сейсмо-акустическим показателем наличия газонасыщенных осадков является горизонт высокоинтенсивных отражений, который возникает из-за увеличения отражающей способности от кровли заполненного газом осадочного слоя. Появление аномалий типа акустического «покрова» может быть вызвано разрушением первичной слоистости осадочного чехла в результате миграции порового газонасыщенного флюида или поглощения и рассеяния акустической энергии на кровле слоя газосодержащих осадков. Во всех этих случаях нельзя выявить пространственную связь аномалий с источником поступления газа. Исключением являются структуры типа акустических «колонн», образование которых связывается с вертикальной миграцией газосодержащего флюида и скоплением его в ограниченном пространстве. В этом случае можно установить местоположение источника газа.

Верхние кромки аномалий Амурского залива можно разделить на два типа. Первый представлен высокоинтенсивным отражающим горизонтом, относительно прямолинейным и часто параллельным первичной слоистости осадочного чехла. Это наблюдается у аномалий типа «покров» и «колонна» и свидетельствует о поступлении значительного объема (более 5%) газа [11], накопление которого контролируется стратиграфией чехла, а также о высокой концентрации газа в ограниченном пространстве в кровле аномалии. Верхняя кромка второго типа характеризуется нечеткими, размытыми контурами, что обычно для аномалий типа «мутность». Внутри аномалий частично сохранена исходная слоистость. Это значит, что рассеяние акустической энергии на содержащихся в осадке газовых пузырьках заметно меньше, чем в районах развития акустического «покрова», и объясняется существенно меньшим (< 1%) содержанием газа [10].

Мы провели картирование выделенных аномалий (рис. 6) и установили на акватории залива две обширные области акустической «мутности» северо-восточного простирания, параллельные западному берегу п-ова Муравьев-Амурский. Их длина достигает 4,5 км

Рис. 6. Карта распространения акустических аномалий, связанных с присутствием газа в голоценовых осадках северной части Амурского залива. 1 - «покров»; 2 - «колонна»; 3 - «мутность»; 4 - «столбы»; 5 - контуры зоны гипоксии (содержание кислорода менее 63 цМ [7]); 6 - изогипса поверхности акустического фундамента; 7 - изобаты, м

при ширине до 1,3 км. Между областями «мутности» распространена аномалия сложной формы типа «покров», ее длина 6,5 км, максимальная ширина 1,2 км. Суммарная площадь, занятая газонасыщенными осадками, составляет примерно 18 км2. Кроме того, к северу и западу от этого места выделены многочисленные локальные проявления аномалий типа «мутность» и «покров» при резком преобладании последних. Также широко распространены одиночные аномалии типа «колонна» (около 70) и «столб» (около 40). Весь район внедрения газа в осадки достигает 12 км в длину и 6,5 км в ширину.

Во многих случаях можно установить пространственную связь аномалий «покров», «столб» и (иногда) «мутность» с положением источника газа. Как правило, это породы акустического фундамента (рис. 3-5), в котором присутствуют угленосные осадочные отложения мелового и триасового возраста

мощностью свыше 3000 м [1]. Анализ карты АФ показывает, что практически вся область газонасыщенных осадков располагается в части залива с глубинами АФ более 38 м (рис. 6). Важно отметить, что район газовых внедрений в заливе неоднороден: количество и размеры аномалий увеличиваются в южном направлении к области наибольшей глубины АФ - 45-50 м. Формирование этой части залива можно объяснить эрозионной деятельностью водотоков протореки Раздольная в позднем плейстоцене, в результате чего обнажились угленосные пласты. Последующая дегазация углей, вероятно, стала основной причиной поступления газа из недр, его скопления в осадках и способствовала формированию большей части газовых аномалий. «Колонны», как правило, располагаются поблизости от «покрова» или непосредственно над ним (рис. 5). Возможны две причины их образования. Первая - разрушение «покрова» вследствие достижения критического значения содержания газа, миграция его вверх по разрезу и частичная консервация в небольших полостях под слоями-покрышками. Вторая причина - участие газообразных продуктов разложения торфа в образовании локальных аномалий скопления газа, так как «колонны» часто встречаются в основании слоя осадков, отложенных 9900-8200 л.н. Известно, что нижняя часть этого слоя сложена пелитовыми илами с торфом [2, 8].

В 2005-2007 гг. в Амурском заливе обнаружена область с низким содержанием кислорода в придонном слое воды (зона гипоксии) [7]. Вероятно, появление этой аномалии обусловлено сочетанием нескольких факторов антропогенного характера и особенностями гидродинамики вод залива. Сопоставление контуров зоны гипоксии и мест скопления газа в донных осадках залива показывает, что эти явления пространственно связаны (рис. 6). То есть около половины площади зоны приходится на места развития газонасыщенных осадков. Данное наблюдение дает основание предположить, что природа гипоксии имеет сложный характер, она формировалась под воздействием газа из недр залива.

Таким образом, по результатам высокоразрешающих сейсмоакустических исследований на площади Амурского залива составлены карты мощности голоценовых осадочных отложений и поверхности акустического фундамента. В северной части залива обнаружены и оконтурены области акустических аномалий, связанные с присутствием газа в осадочном чехле. Сделан вывод, что газ поступает из пород фундамента, представленных угленосными осадочными отложениями мелового и триасового возраста и торфсодержа-щего слоя в основании осадочного чехла. На формирование зоны гипоксии может влиять газ, поступающий из недр залива.

ЛИТЕРАТУРА

1. Васильев Б.И. Объяснительная записка к листу К-52-XII Геологической карты СССР. М.: Госгеолтехиздат, 1961. 76 с.

2. Васильев Б.И., Репечка М.А., Караулова Л.П. О скорости осадконакопления голоценовых отложений в северо-западной и центральной частях Японского моря // Вопр. геологии дна Японского моря. Владивосток: ТОИ ДВНЦ АН СССР, 1973. С. 124-128.

3. Касаткин Б.А., Косарев Г.В., Ларионов Ю.Г. Опыт использования акустического профилографа для мониторинга акватории Амурского залива // Разведка и охрана недр. 2002. № 1. С. 20-22.

4. Короткий А.М. Колебания уровня Японского моря и ландшафты прибрежной зоны (этапы развития и тенденции) // Вестн. ДВО РАН. 1994. № 3. С. 29-42.

5. Марков Ю.Д., Радкевич Р.О. Интерпретация сейсмоакустического профиля в Амурском заливе // Геология дна окраинных морей Тихого океана. Владивосток: ТОИ ДВНЦ АН СССР, 1975. С. 122-126.

6. Марков Ю.Д. Южноприморский шельф Японского моря в позднем плейстоцене и голоцене. Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1983. 128 с.

7. Тищенко П.Я., Сергеев А.Ф., Лобанов В.Б. и др. Гипоксия придонных вод Амурского залива // Вестн. ДВО РАН. 2008. № 6. С. 115-125.

8. Троицкая Т.С. Миграционная последовательность комплексов бентосных фораминифер в голоценовых осадках Амурского залива (Японское море) // Среда и жизнь в геологическом прошлом: палеоэкологические проблемы. Новосибирск: Наука, 1974. С. 30-40.

9. Fleisher P., Orsi T.H., Richardson M.D., Anderson A.L. Distribution of free gas in marine sediments: a global overview // Geo-Mar. Lett. 2001. Vol. 21, N 2. P. 103-122.

10. Garcia-Gil S., Vilas F., Garcia-Garcia A. Shallow gas features in incised-valley fills (Ria de Vigo, NW Spain): a case study // Cont. Shelf Res. 2002. Vol. 22, N 16. P. 2303-2315.

11. Gregory A.R. Fluid saturation effects on dynamic classic properties of sedimentary rocks // Geophysics. 1976. Vol. 41. P. 895-913.

12. Judd A.G., Hovland M. The evidence of shallow gas in marine sediments // Cont. Shelf Res. 1992. Vol. 12, N 10. P. 1081-1095.