УДК 624.331.1:[69:621.643](268.45+268.52)

 

Неизвестнов Я.В., Куринный Н.А., Kондpaтeнко А.В., Hapышкин Г.Д., Аветисов Г.П.

 

Инженерно-геологические условия строительства газопроводов и сооружений зон береговых примыканий на западно-арктическом шельфе России

 

 Аннотация

Дана характеристика основных компонентов инженерно-геологических условий строительства газопровода на Баренцево-Карской шельфовой зоне. Отмечена необходимость учета возможности обмерзания газопроводов при погружении их в донные осадки. Дана характеристика двух основных типов инженерно-геологических условий строительства сооружений береговых примыканий газопроводов.

Табл. l, ил.1, список литературы - 3 назв.

 

Под инженерно-геологическими условиями нами понимается система знаний о взаимодействии компонентов геологической среды с инженерными сооружениями, позволяющая принимать оптимальное решение по выбору местоположения и проектированию их строительства (табл.1). Характер взаимодействия геологической среды с инженерными сооружениями определяется как морфологией, составом, состоянием и инженерно-геологическими природных компонентов системы, так и особенностями инженерных сооружений.

Воздействие, например, газопровода на донные грунты зависит от веса (отрицательной плавучести) трубопровода и от характеристики движущегося в нем потока флюидов. На этапе предпусковых испытаний газопровод заполняется морской водой с плотностью 1025 кг/м3, впоследствии вытесняемой газом с плотностью (например, для Штокмановского газоконденсатного месторождения) 132 кг/м3 на входе при давлении около 14 МПа до 80 кг/м3 на выходе при давлении около 9 МПа. В соответствии с изменениями давления и плотности газа в трубе изменяются скорости потока и температура флюида вплоть до отрицательных значений.

Расчеты транспортировки газа на расстояние свыше 500 км, выполненные с помощью конструктивной математической модели, разработанной профессором Б.В. Филипповым, показывают, что снижение температуры в трубопроводе, лежащем на дне, относительно окружающей водной среды составит 0,5-0,7°. Такое снижение температуры в области распространения природных вод с зимними температурами, превышающими минус 1 - минус 1,5°, что свойственно центральной и южной частям Баренцевоморского шельфа, не приведет к катастрофическому обледенению трубопроводов. Однако, при погружении труб в донные осадки на глубину более чем 1/3 их диаметра, условия теплообмена изменяются и в этом случае вполне реально понижение температур более чем до минус 2°, что может повлечь за собой обледенение труб и создание аварийной ситуации. Такие явления возможны, в частности, на участках погружающейся по уклону трассы, где скорость движения флюидов увеличивается. В трубах большого диаметра (свыше 0,5-1,0 м), применяемых для создания подводных трубопроводов, развивается турбулентное течение, что усугубляет неравномерность движения потока флюидов в них. Трубопроводы вибрируют, создавая динамическую нагрузку на грунты основания.

Ниже рассмотрены основные природные компоненты инженерно-геологических условий (табл. l) с позиций их взаимодействия с газопроводами.

 

Горные породы и донные осадки (грунты)

 

В геологическом строении региона принимают участие горные породы практически всего стратиграфического диапазона докембрия и фанерозоя, перекрытые на морском дне почти сплошным чехлом донных осадков. Наиболее древние дорифейские горные породы Балтийского щита и кристаллического фундамента шельфа (гнейсы, амфиболиты, гранито-гнейсы, мигматиты. гранулиты, кварциты и др.) слагают берега Кольского полуострова, узкую полосу дна Баренцева моря и Североземельское побережье Карского моря. Рифейские метаморфизованные породы (конгломераты, гравелиты, песчаники, глинистые сланцы, окварцованные доломиты и др.), палеозойские карбонатные и терригенно-карбонатные породы складчатого основания и чехла, а также нижнетриасовые песчаники и конгломераты, консолидированные палеозойскими и киммерийской складчатостями, образуют берега полуострова Рыбачий, мыса Канин Нос, островов Долгий, Вайгач, Новоземельского архипелага и полуострова Таймыр, слагая также отдельные участки донной поверхности вблизи побережий. Перечисленные выше горные породы представляют собой, как правило, весьма прочные скальные, реже полускальные грунты. Участки морского дна, сложенные этими породами, являются малопригодными для прокладки трубопроводов из-за возможности повреждения труб.

Верхнепермско-мезозойские и палеогеновые отложения платформенного чехла представлены песками, алевритами, глинами, песчаниками, алевролитами с редкими прослоями известняков и бурых углей. На большей части шельфа мягкие и рыхлые отложения верхних горизонтов рассматриваемого комплекса подстилают аналогичные по составу и свойствам новейшие отложения [3]. Лишь на окраинно-шельфовом поднятии и кое-где на внутришельфовых на донную поверхность выходят консолидированные (скальные и полускальные) породы средних и нижних горизонтов чехла. Так, Земля Франца-Иосифа и прилегающая часть шельфа сложена весьма прочными базальтами трапповой формации, разбитыми многочисленными разломами на мелкие блоки наподобие «битой тарелки». Новейшие отложения представлены комплексами ледово-морских, морских и континентальных отложений: песками, глинами, супесями, мореноподобными валунными глинами и суглинками мощностью 20-170 м. Лишь па вершинах внутришельфовых поднятий и прибрежных участках размыва дна чехол новейших отложений отсутствует. Наибольшей плотностью и прочностью среди новейших отложений обладают мореноподобные суглинки, плотность их составляет 1900-2400 кг/м3, удельное сцепление 20-130 кПа, угол внутреннего трения 15-32°, модуль деформации 12,4-37,4 МПа. В верхней выветрелой зоне плотность этих грунтов в ряде случаев снижается до 1730-1930 кг/м3, удельное сцепление до 3 кПа, угол внутреннего трения до 5-18°, модуль деформации до 1,2-11 МПа.

Современные донные осадки на глубинах моря 0-100 м представлены преимущественно крупнообломочными и песчаными разновидностями, а на глубинах моря свыше 100 м состоят из глинистых разновидностей (супесчаные, суглинистые и глинистые илы). Мощность их на вершинах новейших поднятий (плато Персея, Центральное, Адмиралтейства, Приканинский район) менее 0,2 м, во впадинах и желобах, фиордах и бухтах - свыше 4-15 м. Пески характеризуются плотностью 1720·2100 кг/м3, углом внутреннего трения под водой 10-37°, модулем деформации 1-17 МПа. Пески в верхних слоях обладают подвижностью, вовлекаясь в потоки взвешенных частиц. Нередко пески мощностью несколько метров подстилаются слабыми глинистыми текучими и текучепластичными грунтами, обладающими значительно более низкой несущей способностью, чем перекрывающие их отложения.

Глинистые, суглинистые и супесчаные илы на открытом шельфе развиты, как правило, на глубинах свыше 100 м, в прибрежных бухтах илы залегают с глубин 5-15 м. Плотность илов 1350-2060 кг/м3. Прочность на сдвиг илов, залегающих  у донной поверхности 1-3 кПа. На поддонных глубинах 4-5 м прочность увеличивается до 10-25 кПа с градиентом 2-4 кПа/м. Для илов характерна высокая биохимическая активность, выражающаяся в продуцировании метана, растворяющегося в поровых водах. Индекс тиксотропной чувствительности глинистых илов по единичным определениям 2-3.

Рельеф шельфа, образованный перечисленными комплексами горных пород, имеет сложный характер, что обусловлено как наличием неотектонических депрессий, не компенсированных осадконакоплением, так и экзогенными процессами, особенно интенсивно проявляющимися в областях, переживших в недавнем геологическом прошлом субаэральный этап развития.

В общем морфоструктурном плане шельф Баренцева моря характеризуется наличием шельфовых желобов и шельфовых равнин, образующих основные мегаформы донного рельефа. Средняя крутизна их склонов 2-3°, что определяет возможность прокладки трубопроводов. Желоба сопряжены с валами и образуют линейно-ориентированные в СЗ-ЮВ направлении систему форм. Вкрест простирания этих форм глубина увеличивается в СВ направлении от уреза берега до 150 м в районе Штокмановского газоконденсатного месторождения (ШГКМ). Увеличение глубины сопровождается уступами высотой до 100 м, крутизной до 12°, что считается уже нежелательным для прокладки трубопроводных коммуникаций. Склоны валов, как правило, террасированы. Трассы трубопроводов от месторождения углеводородов к Мурманскому побережью должны пересекать наиболее крупные желоба и мегапрогибы, такие как Предтиманский, Нордкапский и Гусиный, сопряженные с желобами положительные формы рельефа - валы и мегавалы: Мурманский, Мурмано-Тиманский, Колгуево-Печорский.

Шельфовые равнины в рельефе представлены изометричными в плане плато (Центральное Баренцево плато, Демидовская банка, Гусиная банка и Мурманская банка), разделяющими поперечно-ориентированную зону разломов шельфа Баренцева моря. Последняя в рельефе выражена желобами СВ простирания такими, как Медвежинский, Самойлова, Западно-Новоземельский и т.д.

При рассмотрении рельефа с позиции практической реализации инженерно-технических задач, необходим его анализ в масштабах 1:10 000 - 1:50 000, т.е. анализ мезорельефа, размеры которого сопоставимы с конструкциями инженерных сооружений и от морфометрических характеристик которого зависит установка этих сооружений на дне. Например, рассматриваемые выше макроформы рельефа, желоба, валы, плато на шельфе Баренцева моря повсеместно осложнены западинами и изолированными поднятиями амплитудой до 30 м, образующими сложный по составу и морфометрическим  характеристикам мезорельеф различной пространственной ориентации. Размер этих мезоформ в плане достигает 100 м, крутизна склонов до 10°, сложены эти формы обычно глинами. Детальная съемка позволила установить их количественное распределение по площади – в пределах 15·20 форм на 1 кв.км. Мезорельеф, как правило, характеризуется относительной симметрией форм. Для мезорельефа достаточно крупных размеров характерно наличие долин СЗ простирания протяженностью от 500 м до 2 км и относительным переуглублением до 10 м. Поперечный профиль этих долин имеет V -образную форму, крутизна склонов достигает 10°

Весьма интересны останцовые формы рельефа на глубинах 230-270 м. Этот рельеф представлен изометричными в плане формами диаметром в основании от 250 до 400 м, высотой до 40 м и крутизной склонов до 12°. Вершины этих форм имеют субгоризонтальную поверхность. Повторяемость их достигает 25 на 1 кв.км. Сложены они преимущественно мореноподобными суглинками. Достаточно сложна и разнообразна характеристика мезорельефа прибрежных районов шельфа Баренцева моря. В районе полуострова Канин на относительно выравненной прибрежной равнине и глубинах до 20 м мезорельеф характеризуется наличием вдольбереговых валов, баров, ложбин, положение которых ежегодно меняется в период осенне-зимней циркуляции. Косы, образованные выносом рек, имеют СВ ориентацию и за пределы 20 м изобаты практически не распространяются. Прибрежная равнина в этом районе характеризуется относительно пологим береговым склоном. Из микроформ донного рельефа, распространенных в периферических частях Баренцевской и Западно-Сибирской плит, у побережий Кольскогo полуострова, мыса Канин Нос, Новой Земли, Земли Франца-Иосифа, Таймыра и Северной Земли опасность для подводных трубопроводов представляют скальные, нередко остроугольные остaнцы размерами несколько метров в поперечнике.

 

Поровые и подземные воды

 

Подземные воды, содержащиеся в порах и трещинах донных осадков и горных пород на глубинах возможного заложения трубопроводов, относятся к следующим типам: первый – седиментационные воды морского состава в порах донных осадков (поровые воды), обладающие, в основном, как и морские воды. средней и высокой степенью коррозионной агрессивности к бетону и металлическим конструкциям; второй, распространенный, в основном, вдоль Кольско-Канинского побережья, – пресные воды, формирующиеся на суше, повышают температуру замерзания среды до 0°; третий – хлоридные натриевые (хлор-кальциевые по В.А. Сулину) рассолы вымораживания с минерализацией до 100 г/л, формирующиеся у берегов Земли Франца-Иосифа, Новой Земли и других арктических побережий, обладающие высокой степенью агрессивности к бетонам и металлам.

 

Геологические процессы и явления

 

Из современных геологических процессов и явлений, в наибольшей степени оказывающих отрицательное влияние на устойчивость подводных газопроводов, в условиях арктических морей прежде всего следует отметить воздействие на дно айсбергов, плавучих и припайных льдов. Глубина выпахивания дна айсбергами достигает 10 м при ширине полосы выпахивания в несколько сотен метров (2). Перевернутые вследствие торошения льдины могут образовывать борозды глубиной до первых метров. Ледовое воздействие на дно осуществляется, главным образом, в прибрежной полосе на глубинах до нескольких десятков метров. Айсберги могут воздействовать на вершины подводных возвышенностей на глубинах до 100 и более метров, Относительно мелководная зона шельфа до глубин 60-90 м подвержена также действию морских волнений и течений, вызывающих перенос осадков. Особенно часто эти процессы развиваются в Печорском море и вдоль южного побережья Карского моря, Интенсивность процессов определяется поступлением в море рыхлого материала от термоабразионных берегов о. Колгyев, Большеземельской тундры, Ямала и Гыдана.

На глубинах 100 и более метров, где поверхность морского дна преимущественно сложена слабыми глинистыми осадками, заметное передвижение грунтовых масс обусловлено главным образом гравитационными процессами (оползни, сплывы, течение грунтов, мутьевые потоки), имеющими не столь широкое развитие, как процессы протекающие на мелководье. Гравитационные процессы приурочены главным образом к относительно крутым подводным склонам, возникая при нарушении равновесия грунтовых масс за счет осадконакопления, тектонических движений или техногенного воздействия.

Основные проблемы, возникающие при выборе оптимальных трасс газопроводов, могут быть решены за счет детального изучения рельефа на сложных (широкое развитие мезо- и микроформ) участках дна, пересекаемых трассами в полосе шириной порядка 5-10 км (возможно и более) и физико-механических свойств грунтов, в основном, «слабых» осадков с расчетом возможного обледенения газопроводов на поверхности дна и при погружении в донные осадки.

Для защиты трубопроводов от интенсивного воздействия экзогенных процессов на мелководье обычно проектируется погружение их в донные грунты, начиная с глубины моря 100-120 м. Возможным препятствием для осуществления подобных проектов является развитие вблизи берегов поддонных многолетнемерзлых грунтов и наличие скальных горных пород, что усложняет также выбор зон берегового примыкания продуктопроводов.

В целом, при выборе зон береговых примыканий трубопроводов в Арктике приходится сталкиваться с двумя основными типами инженерно-геологических условий. Один из них характерен для складчатого обрамления (берегов поднятий) сложенными скальными породами кристаллического и складчатого фундамента шельфа; другой - свойственен берегам, образованным молодыми рыхлыми осадочными отложениями верхних горизонтов Баренцевской и Западно-Сибирской плит.

Первый тип инженерно-геологических условий наиболее ярко выражен для берегов Кольского полуострова. Баренцевоморское побережье Кольского полуострова, приуроченное к тектоническому контакту области устойчивого поднятия - Балтийского щита с областью устойчивого погружения - Баренцевской плитой характеризуется широким развитием скальных береговых уступов высотой 40-150 м. Балтийский щит многочисленными разломами разбит на серии тектонических блоков. В приконтактовой зоне раздробленность щита увеличивается. Блоки испытывают разнонаправленные вертикальные движения, с которыми связаны землетрясения (рис.1) с магнитудой 4-4,9. Макросейсмический эффект этих землетрясений может составить 4-8 баллов в эпицентре. В частности, разрушительное землетрясение с магнитудой 4.2, имевшее в эпицентре интенсивность 8 баллов, произошло в 1989 г. южнее г. Кировска. Ранее еще более сильное землетрясение, произошло в горле Белого моря. Необходимо отметить, что землетрясения достаточно высокой интенсивности могут возникать во всей Мурман-Финмаркенской зоне возможных очагов землетрясений, протянувшейся на шельфе вдоль северного побережья Кольского полуострова, при ширине от 200 м на северо-западе до 50 км на юго-востоке.

Вторая аналогичная по своим параметрам зона возможных землетрясений перекрывает архипелаг Новая Земля и прилегающие прибрежные акватории Баренцева и Карского морей. Вертикальными перемещениями блоков относительно друг друга сформирован весьма контрастный рельеф коренного ложа в подводной и надводной частях зоны возможного примыкания трубопроводов. Под дном моря неровности рельефа поверхности кристаллических пород нередко снивелированы песчано-глинистыми осадками, мощность которых колеблется от 0-2 м на приподнятых блоках до 30-70 м на опущенных. Подводные береговые склоны на участках протяженностью более 100 м часто имеют уклоны свыше 8-10°.

Кристаллические породы при выходе на поверхность дна образуют выступы типа рифов и банки. При выборе зон примыканий на Кольском полуострове и в идентичных по инженерно-геологическим условиям областях следует решить следующие проблемы:

- поиск участка подводного берегового склона с крутизной менее 7°, сложенного рыхлыми грунтами мощностью свыше 5 м, или ­выбор участка пригодного для строительства тоннеля вне зон активных разрывных нарушений;

- проведение сейсмического микрорайонирования с целью определения возможных участков пересечения сейсмоактивной зоны в сейсмически наиболее выгодных условиях или поиска конструктивного решения задачи безопасного строительства трубопровода в сейсмоопасной зоне;

- проведение режимных наблюдений за скоростью современных вертикальных движений тектонических блоков горных пород в зоне примыканий;

- увязка с современными тектоническими движениями тенденции изменчивости других геологических процессов: интенсивности волновой переработки прибрежных осадков, динамики изменения береговой линии и т.д.

При поисках зон примыкания аналогичные проблемы, усугубленные ледовым воздействием на дно и промерзанием - протаиванием поддонных отложений прибрежной зоны, возникнут и на других интенсивно поднимающихся берегах (Новоземельского архипелага и Таймыро-Североземельской области). Однако для  Канино-Тиманской и Пай-Хой – Новоземельско-Таймырской зоны поднятий свойственно чередование береговой линии, сложенной скальными породами (наподобие Кольского побережья), с участками сложенными рыхлыми отложениями (как дня второго типа берегов).

Второй тип свойственен берегам острова Колгуев, Мало- и Большеземельской тундры, полуострова Ямал и Гыдан. В рассматриваемых областях прибрежная суша и морское дно в геолого-структурном отношении представляют единое целое, по терминологии Ю.Е. Погребицкого, внyтpиматериковую Печорскую плиту и Южно-Карскую котловину Западно-Сибирской внyтpиматериковой плиты [1]. Берега сложены мощным комплексом рыхлых четвертичных отложений, находящихся в многолетнемерзлом состоянии, обычно обнажающихся на береговых обрывах высотой в среднем 5-20 м. Морские берега здесь относятся к двум типам. Самый распространенный тип - интенсивно отступающие берега со скоростью до 10 м/год (например, на севере о. Колгуев), обрывающиеся непосредственно в море. Подножье берегового уступа отделено от уреза воды лишь узкой приливно-отливной полосой. На береговом обрыве интенсивно протекают термоабразионные, термокарстовые и гравитационные процессы.

Другой, менее распространенный тип, представлен относительно стабильными пологими берегами. Обычно такой тип берегов свойственен приустьевым участкам рек, впадающим в море. Однако, наиболее крупные реки (например, Печора) выносят очень большой объем минеральных взвесей, отлагающихся в основном вблизи их устья и формирующих поперечные и вдольбереговые потоки наносов. На таких участках после штормов рельеф донной поверхности мелководья (Печорская губа, например) может совершенно измениться. Меняют свое положение подводные песчаные валы и «кошки».

Необходимо отметить, что многолетнемерзлые породы, имеющие сплошное распространение в приморской части Большеземельской тундры и на севере Западной Сибири, развиты и под дном Печорского и Карского морей с поддонной глубины 5-20 и более метров. При этом до изобаты 20-25 м распространение мерзлых пород имеет сплошной или почти сплошной характер, мористее до изобаты 60-120 м распространение мерзлых пород приобретает прерывистый и островной характер.

Основные инженерно-геологические проблемы при выборе зон берегового примыкания трубопроводов к берегам рассматриваемого типа следующие:

- составление прогноза динамики береговой линии в связи со скоростью и знаком вертикальных движений земной коры, особенностями ледового и гидродинамического режима морского бассейна и характеристики переноса взвесей, образующихся за счет выноса речным стоком, размыва берега и дна бассейна, волнениями;

- установление параметров многолетнемерзлой толщи в прибрежной зоне (глубины залегания кровли, ее сплошности, температуры, просадочности при оттаивании и т.д.) и составление прогноза криогенных  гравитационных процессов, связанных с ее деградацией;

- прогноз возможного обледенения газопроводов, заглубленных в грунты.

В заключение следует подчеркнуть, что для успешного решения всех перечисленных инженерно-геологических проблем на стадии предпроектной проработки вопросов транспортировки углеводородного сырья, большую пользу может принести геологическая съемка шельфа с инженерно-геологическим картированием мелкого и среднего масштабов, выполняемая предприятиями «Роскомнедр».

 

Список литературы

 

1. Геологическое строение СССР и закономерности размещения полезных ископаемых. Том «Моря Советской Арктики» / Ред. И.С. Грамберг, Ю.Е. Погребицкий. Л., Недра. 1984. 280 с. с картами.

2. Инженерная геология СССР. Шельфы СССР. / Ред. К.И. Джанджгава, И.С. Комаров, Я.В. Неизвестнов. М., Недра, 1990. 240 с.

3. Неизвестнов Я.В. Инженерно-геологические свойства донных грунтов Баренцево-Карского шельфа // Тр. l-ой международной конференции «Освоение шельфа арктических морей России». 1993. C.107-110.

Вернуться на главную страничку