УДК 550.834(268)

 

В.Д. Камuнскuй, В.А. Поселов, Г.П. Аветисов

Глубинные сейсмические исследования ВНИИОкеангеология и ПМГРЭ в глубоководной части Северного Ледовитого океана

 

Введение

 

Познание глубинного геологического строения любого региона Земли имеет научное и прикладное значение. В полной мере это относится и к Северному Ледовитому океану (СЛО) в целом и его глубоководной зоне в частности.

Глубоководный Арктический бассейн занимает центральное место в системе структур дна СЛО, он находится на стыке Атлантического и Тихого океанов, антиподальных по своему происхождению, истории геологического развития, строению литосферы. Благодаря такому особому «ключевому» положению Арктического бассейна, его геологическое изучение помогает пролить свет на особенности развития всего Мирового океана.

Труднодоступность, сложные климатические условия Арктического бассейна долгое время не позволяли реализовать в его пределах широкомасштабные геолого-геофизические исследования. Лишь с начала 1960-х годов в рамках экспедиций «Север» и «Северный полюс» силами сотрудников научно-исследовательского института геологии Арктики (ныне ВНИИОкеангеология) стали проводиться планомерные аэромагнитные наблюдения (руководитель А.М. Карасик), а также сейсмические работы (руководитель Ю.Г. Киселев), главным образом, в модификации метода отраженных волн (МОВ). Работы МОВ осуществлялись вдоль дрейфа станций на удлиненную крестообразную расстановку и по площади авиадесантным способом с использованием самолетов Ан-2 на короткую крестообразную расстановку с центральным пунктом взрыва. За почти 3D-летний период наблюдений была покрыта вся глубоководная часть СЛО, что позволило достаточно детально изучить структуру осадочного чехла на всю его мощность.

Попутно с наблюдениями МОВ удавалось в некоторых случаях реализовывать наблюдения КМПВ-ГСЗ. В силу имевшихся технических возможностей применялась обращенная система с передвижным пунктом взрыва, позволявшая получать первые представления о глубинном строении земной коры.

Установленные структурно-тектонические связи между чехольными отложениями шельфовых арктических морей и глубоководной части океана, большая мощность чехла, доходящая до 3-4 км, в совокупности с данными о геолого-тектоническом развитии СЛО позволили говорить об ожидаемой нефтегазоносности глубоководных зон океана и тем самым стимулировали необходимость организации новых геолого-геофизических исследований.

Минерально-сырьевая перспективность акватории СЛО, важное военно-стратегическое положение этого региона определили повышенный интерес к нему всех приарктических государств, России, Канады, Норвегии, Дании, США, а также Германии, Швеции, Финляндии. Практической реализацией этого интереса является стремление к разграничению тех частей акватории, которые находятся за пределами исключительных экономических зон государств. Эта проблема получила название проблемы Внешней границы континентального шельфа (ВГКШ), а решение ее может проводиться на основе статьи 76 «Конвенции ООН по морскому праву 1982 года». Согласно этой статьи, юридическое право того или иного государства может быть распростра­нено на те части глубоководной акватории, для которых доказана генетическая связь глубоководных структур с шельфовыми, или установлена мощность осадочного чехла не меньше 1 % от расстояния до подножья континентального склона.

Указанная ситуация резко активизировала организацию комплексных геолого-геофизических исследований Арктики.

Первым среагировал СССР, начавший работы по проблеме ВГКШ в 1986 году. Головной организацией, осуществлявшей научное руководство исследованиями, был назначен ВНИИОкеангеология ПГО «Севморгеология», исполнение полевых работ поручено Полярной морской геологоразведочной экспедиции (ПМГРЭ) ПГО «Севморгеология». Эти коллективы имели уникальный опыт проведения геолого-геофизических работ в СЛО, необходимый набор специалистов и технических средств.

С учетом указанных выше геологических критериев для определения положения ВГКШ необходимые геолого-геофизические исследования в каждом регионе должны решать следующие задачи:

- изучение вещественного состава и генезиса донных отложений и горных пород;

- определение основных элементов структурно-тектонического строения осадочного чехла, его мощность и ее изменчивость;

- определение положения и морфологию основных геофизических границ в земной коре до поверхности верхней мантии;

- определение мощности земной коры, выявление положения основных глубинных разломов и оценка их роли в развитии земной коры;

- выяснение генетической связи между геологическими структурами шельфа и глубоководной части океана.

Для решения указанных задач специалистами ВНИИОкеангеология и ПМГРЭ был разработан комплекс исследований, включающий в себя глубинные сейсмические зондирования (ГСЗ), сейсмические зондирования МОВ, наледные гравиметрические наблюдения, донное геологическое опробование по геотраверзам длиной не менее 600 км, а также аэрогравимагнитную съемку в полосе шириной не менее 100 км вдоль геотраверза.

 

Организация работ

 

Впервые этот комплекс, в котором главную роль играют работы ГСЗ, был реализован в 1989 году. Возглавлял экспедицию М.Ю. Сорокин, сейсмические работы - Г.П. Аветисов.

Первой проблемой, которая встала при организации работ, было решение о выборе способа базирования экспедиции в районе исследований. Рассматривались два возможных варианта: база на дрейфующем льду и база на судне. Каждый из этих вариантов имел свои плюсы и минусы.

В пользу ледовой базы, в первую очередь, было то, что основную нагрузку по ее организации несла гидрография Северного флота Министерства обороны, проводившая широкомасштабные исследования в рамках экспедиции «Север-89». Работы велись в апреле на мощном, надежном ледовом покрове, в условиях уже наступившего круглосуточного светового дня и, как правило, наилучшей для полетов погоде. Серьезнейшим отрицательным фактором было то, что в районе рабочего полигона могло не оказаться подходящей для базы льдины. Кроме того, тяжелым испытанием для людей и аппаратуры в это время года является холод.

Судовой вариант позволял выбрать место базирования непосредственно на полигоне, но работы пришлось бы переносить на летнее время, что создавало другую проблему: ледовый покров должен был быть достаточно надежным для посадки вертолетов и расстановки регистраторов и в то же время преодолимым для судна. Кроме того, в летнее время в Арктике, как правило, часты туманы, препятствующие регулярной, надежной работе с использованием авиации. Эти отрицательные факторы судового варианта усугублялись отсутствием какого-либо опыта работ.

В итоге именно фактор наличия или отсутствия опыта оказался решающим в пользу выбора в 1989 году ледового варианта. Как показали проведенные работы, все лучшие и худшие предположения сбылись. Льдину удалось выбрать не ближе 150-200 км от полигона, морозы доставали и людей, и аппаратуру, погода была исключительно летная.

В последующие три года по инерции выбирали тоже ледовый вариант, хотя военная гидрография прекратила свои работы, и организация базы полностью легла на ПМГРЭ (руководитель М.Ю. Сорокин), к тому же и погода иногда подводила.  

После 1992 года полевые работы в силу всероссийских финансовых проблем были прерваны и возобновлены лишь в 2000 году силами ПМГРЭ (руководители М.Ю. Сорокин и В.Д. Каминский) и продолжены в 2005 и 2007 гг. силами ВНИИОкеангеология (руководители В.Д. Каминский и В.А. Поселов).

На втором этапе работ предпочтение уже было отдано судовому варианту. Организация ледовой базы стала вряд ли возможной из-за развала сети полярных аэропортов, в то же время практически безработным оказался ледокольный флот, который удалось задействовать для научных целей.

В 2000 и 2005 гг. в качестве судна-носителя использовалось НЭС «Академик Федоров», сопровождаемый атомными ледоколами «Россия» и «Арктика» соответственно. Работы велись в июле-сентябре.

В 2007 году полигон находился в районе Великой Сибирской полыньи, что заставило перенести наблюдения на май-июнь и использовать только атомный ледокол «Россия».

 

Методика и технология работ

 

ГСЗ. Важность и сложность стоящих перед ГСЗ геологических задач исключала использование систем одиночных годографов. Была разработана система встречных и нагоняющих годографов, которая с корректировками и усилением применялась в течение всего периода полевых исследований в 1989-1992 гг., 2000, 2005 и 2007 гг.

В течение каждого сезона тремя расстановками отрабатывался геотраверз длиной 400-600 км.

В начальном 1989 году длина каждой расстановки составляла 110 км, шаг регистрации 10-15 км, 5 пунктов взрыва: центральный, два фланговых и два выносных. Расстояние между пунктами взрыва колебалось от 45 до 70 км. Использовались 11 регистраторов автономного телеуправляемого комплекса «Тайга» с 500-метровой 6-канальной расстановкой точечных групп сейсмографов. Максимальная длина годографа составляла 170 км. Возбуждение сейсмических волн осуществлялось взрывами сосредоточенных зарядов тротила весом 100-500 кг, опускаемых под лед на глубину 50-100 м.

В последующие, 1990-1992 гг., количество регистраторов было увеличено до 18, в 2000, 2005 и 2007 гг. - до 30. Шаг наблюдений уменьшился до 5 км. Количество пунктов взрыва увеличилось до 8 с шагом 40 км, а в 2005 и 2007 гг. с шагом 50 км. Начиная с 2000 года, в качестве регистрирующей аппаратуры начали применять цифровой комплекс «ГЕОН».

В результате в завершающие 2005 и 2007 гг. была реализована следующая система наблюдений на расстановке (рис. 1):

- 30 точек регистрации со средним шагом 5-6 км, что дает длину базы наблюдений 150 км;

- пункты взрыва ПВ через 50 км: четыре в пределах расстановки регистраторов и по два выносных с каждой стороны, т.е. всего восемь ПВ. Максимальная длина годографа 250 км;

- возбуждение сейсмических волн взрывами зарядов тротила весом 0,2-1,2 т, количество ВВ на расстановку 6 т, на весь профиль - 18 т.     

Использованы   цифровые регистраторы «ДЕЛЬТА-ГЕОН-I» с сейсмографами СК-I П, имеющими собственную частоту 1 Гц:

- число каналов 3;

- частотный диапазон 0,2-15 Гц;

- динамический диапазон 100 Дб;

- максимальная частота дискретизации 140 Гц (интервал дискретизации 7 мс);

- режим работы программируемый.

Рис.1 Системы наблюдений ГСЗ-МПВ

В качестве транспортных средств использовались два вертолета. В разные годы это были либо Ми-8, либо Ка-З2 и Ми-8, обеспеченные спутниковой навигационной системой «НАВСТАР». В первые годы при работах с аппаратурой «Тайга» для телевключения регистраторов привлекался самолет Ан-2.

Очевидно, что представляемые работы, выполнявшиеся по стандартным в целом системам наблюдений, уникальны, в первую очередь, по технологии их реализации. Уникальность состоит в том, что пункты регистрации и возбуждения сейсмических волн располагались на движущемся  со средней скоростью 5-6 км в сутки льду, сходящемся, расходящемся, сдвигающемся. Это создавало, во-первых, опасность потери техники, а, во-вторых, к постоянному изменению координат и расстояний, что естественно отражалось на точности последующих построений. Поэтому решающим фактором для качественного выполнения работ было время между началом и концом отработки расстановки. Гарантированная минимизация этого времени могла быть достигнута при соблюдении следующих условий:

- вылет на профиль при устойчивой летной погоде и четко организованная, без сбоев и срывов работа на профиле. Возможность выполнения первого условия целиком зависела от сезона наблюдений и точности метеопрогноза. Ожидание устойчивой летной погоды, особенно в летние месяцы, было чревато срывом работ, так как продолжительность полевых работ ГСЗ составляла максимум две недели. Решение о вылете принималось командиром летного отряда, решающим фактором при этом было мастерство полярных летчиков, которое ни разу не подвело.

Выполнение второго условия целиком зависело от профессионализма руководителей и участников сейсмических работ, именно, от четко разработанной технологии и отлаженной работы на профиле операторов станций и особенно взрывников.

В общих чертах технология работ на профиле при ледовом и судовом базировании была схожей, хотя реализация ее в первом случае  значительно сложнее. В первую очередь это было связано с гораздо большими расстояниями подлета и, соответственно, меньшей загрузкой вертолета, а также с тяжелыми климатическими условиями (морозы 30-35°). Кроме того, были еще следующие, чисто технические трудности:

- регистраторы комплекса «Тайга» рассчитаны для работы при температуре воздуха не ниже минус 10°. Поэтому, для каждого регистратора  изготовлялись специальные термоизолирующие контейнеры, в которые перед вылетом закладывались обычные грелки с кипятком;

- для включения регистраторов в рабочий режим приходилось поднимать на 2- 3 км самолет Ан-2, с которого подавался радиосигнал;

- из-за малого количества спутников возможность использования спутниковой навигационной аппаратуры была ограниченной по времени: работать можно было по шесть часов через шесть.

И, наконец, в первый год не было никакого опыта таких широкомасштабных работ в Арктике, тем более в зимнее время. Не ясно было, возможно ли вообще такое, не будет ли потеряна аппаратура и взрывчатка, обойдется ли без несчастных случаев.

К чести исполнителей надо сказать, что все прошло четко и слаженно. В последующие годы уже было легче.

Работы с судна оказались технологически проще. Это связано с небольшими расстояниями подлетов и значительно большим, по сравнению с «Тайгой», совершенством аппаратурного комплекса «ГЕОН». Регистраторы легче, температурный диапазон шире, да и работы проводились в более теплое время, включались автоматически по заданной программе, спутниковая навигация работала без перерывов.

Приобретенный опыт работ позволил разработать оптимальную технологию производства наблюдений, благодаря которой отработка расстановки проводил ась за 15-17 часов, правда, напряженной работы. Вот суть этой технологии.

Судно становится в центре расстановки и с него начинаются полеты на профиль.

Схема полетов вертолетов Ми-8 при отработке одной расстановки ГСЗ следующая:

Первый вылет - установка регистраторов.

I вертолет. Загрузка 15 регистраторов (300 кг) и 5-6 человек.

Дальность 75 км до крайней точки расстановки; возвращение на судно с 15 посадками через 5-6 км. При посадках вертолет не выключается.

II вертолет параллельно делает все то же самое на другой половине расстановки

После того, как все регистраторы расставлены, начинается подготовка пунктов взрыва и отработка расстановки.

Второй вылет - отработка крайних пунктов взрыва

I вертолет. Загрузка 2 т ВВ и 6-7 человек. Дальность 175 км до крайнего пункта взрыва; возвращение на судно с двумя посадками. На посадках - выгрузка ВВ, отлет на безопасное расстояние во время взрыва.

Il вертолет параллельно делает все то же самое на другой половине расстановки.

Третий вылет - отработка ближних пунктов взрыва

I вертолет. Загрузка 0,8 т ВВ и 8-10 человек. Дальность 25 км до ближайшего пункта взрыва, после производства взрыва еще 50 км до следующего пункта взрыва; возвращение на судно с 15 посадками, на каждой из которых снятие регистратора.

II вертолет параллельно делает все то же самое на другой половине расстановки.

Определение координат пунктов взрыва и регистрации производилось при каждом их посещении.

После отработки расстановки судно перемещалось в центр следующей, и все повторялось в том же порядке. Отдельные фрагменты производства работ ГСЗ показаны на рис. 2.

Рис. 2 Фрагменты производства работ ГСЗ

Всего за период с 1989-1992, 2000, 2005 и 2007 годов в глубоководной части Арктического бассейна российскими исследователями было отработано 3600 км профилей ГСЗ и 240 км профилей МПВ (рис. 2, см. цв. блок, с. 15).

МОВ. В задачу наблюдений методом отраженных волн входило детальное расчленение толщи осадочного чехла.

При работах с ледовой базы зондирования МОВ проводились по трассе дрейфа базы на крестообразную расстановку с длиной плеч 1150 м и количеством каналов 24. Взрывы 5-10 детонаторов, погруженных под лед на 8-10 м, производились в центре креста каждые 4 часа. Для получения скоростного разреза раз в сутки регистрация велась из трех пунктов взрыва на расстановку, удлиненную до 3550 м.

Указанная система наблюдений МОВ на ледовой базе была разработана под руководством Ю.Г. Киселева в процессе многолетних исследований в рамках экспедиций «Север».

В качестве регистрирующей аппаратуры использовалась станция СМОВ-0-24 и сейсмоприемники СВ-20.

Плановая привязка зондирований осуществлялась с помощью приемоиндикаторов «МХ­1502» СНС «Транзит» и «МХ-4400» системы GPS.

При работах в судовом варианте производились зондирования в точках постановки регистраторов «ГЕОН». Взрывали 5-10 детонаторов, опущенных в лунки на глубину 8-10 м.

В качестве регистрирующей аппаратуры использовались цифровые регистраторы SM22 ВНИИОкеангеология:

- число каналов б;

- частотный диапазон 0,2-150 Гц;

- динамический диапазон 130 Дб;

- максимальная частота дискретизации 1 кГц;

- режим работы программируемый.

Регистрация велась на 6-канальную расстановку длиной 100 м, ориентированную вдоль линии профиля.

Наблюдения МОВ проводились на каждой точке наблюдений ГСЗ во время третьего завершающего вылета вертолета после снятия регистраторов «ГЕОН».

Материалы описанных выше глубоководных профилей ГСЗ-МПВ позволили сформировать на данном уровне изученности Арктического бассейна представления о геологической природе и эволюции его структур и их соотношения со структурами континентальной окраины.

Созданные по данным ГСЗ скоростные модели земной коры, подтверждают предположение Н.С. Шатского о существовании в центральной части Арктического бассейна древнего кратонного блока, названного им Гиперборейской платформой. Данные ГСЗ указывают на присутствие практически на всех разрезах в области Центрально-Арктических поднятий слабо редуцированной верхней коры, свидетельствующей о том, что в процессе эволюции Арктического бассейна произошло ее утонение при сохранении признаков типичных для структуры коры континентального типа.

В Амеразийском суббассейне в зоне сочленения поднятий Ломоносова и Менделеева с Восточно-Сибирским шельфом по материалам ГСЗ выделены приконтинентальные прогибы с сильно редуцированной верхней корой, что характерно для континентального рифтогенеза.

Таким образом, уникальность материалов глубоководных профилей ГСЗ состоит в том, что с помощью их получены надежные доказательства континентальной природы поднятий Ломоносова и Менделеева и их структурной  связи с материковой окраиной.

Вернуться на главную страничку