CC BY
22
УДК 551.345
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-1-32-39
ГЕОКРИОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ТРАССЫ ТРУБОПРОВОДА «СИЛА СИБИРИ» (КРАСНОЯРСКИЙ КРАЙ, ИРКУТСКАЯ ОБЛАСТЬ, РЕСПУБЛИКА САХА)
Анна Федоровна Сухорукова
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат геолого-минералогических наук, доцент, научный сотрудник лаборатории гидрогеологии осадочных бассейнов Сибири, тел. (383)363-80-36, e-mail: [email protected]
Представлены особенности распространения, мощности, строения криогенной толщи, температуры криолитозоны трассы трубопровода «Сила Сибири» в пределах Красноярского края, Иркутской области и Республики Саха. Освоение этой территории в связи с геологическими и гидрогеологическими изысканиями, связанными с поисками и разработкой рудных и нефтегазовых залежей, решением вопросов водоснабжения и строительства, другими задачами хозяйственного освоения этой огромной территории, показывает, что длительное существование и эволюция криолитозоны во многом определили современное состояние условий строительства и эксплуатации любых сооружений.
Ключевые слова: геокриологические условия, мощность, строение, температура криолитозоны, трубопровод «Сила Сибири».
GEOCRYOLOGICAL CONDITIONS OF THE ROUTE OF THE PIPELINE "POWER OF SIBERIA" (KRASNOYARSK TERRITORY, IRKUTSK REGION, REPUBLIC OF SAKHA)
Anna F. Sukhorukova
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 3, Prospect Аkademik Koptyug St., Novosibirsk, 630090, Russia, Ph. D., Associate Professor, Researcher, Laboratory of Hydrogeology of Sedimentary Basins of Siberia, phone: (383)363-80-36, e-mail: [email protected]
Features of the distribution, capacity, structure, temperature of the cryolithozone of the route "Siberia Power" in the boundaries of the Krasnoyarsk Territory, the Irkutsk Region and the Republic of Sakha are presented. The development of this territory in connection with geological and hy-drogeological surveys related to the search and development of ore and oil and gas deposits, the solution of water supply and construction, other tasks of economic development of this vast territory, shows that the long-term existence and evolution of the cryolithozone largely determined the current state of construction and operation of any facilities.
Key words: permafrost conditions, capacity, structure, temperature, permafrost, the pipeline "Power of Siberia".
Одной из наиболее важных особенностей, отличающих Сибирскую платформу от других платформенных регионов мира, является наличие криолитозоны, уникальной как по мощности, так и по площади распространения [1-6]. В результате проведения здесь разнообразных геологических и гидрогеологических изысканий, связанных с поисками рудных и нефтяных залежей, решением вопросов водоснабжения и строительства, разработкой месторождений по-
лезных ископаемых и другими задачами хозяйственного освоения этой огромной территории, становится все более очевидным, что 0,5-1,5 млн лет существования и эволюции криолитозоны во многом определили современное состояние условий строительства и эксплуатации любых сооружений.
Район исследования, согласно схеме геокриологического районирования Средней Сибири [5], практически полностью, за исключением северо-западной части, находится в южной геокриологической зоне (рис. 1).
Зона расположена в средних широтах 60-52° с.ш. и характеризуется неоднократно изменявшимся уровнем теплообмена на протяжении четвертичного периода. Этим изменениям соответствовало чередование периодов многолетнего промерзания и протаивания горных пород, существенное изменение геокриологических условий. В самаровскую, зырянскую и сартанскую эпохи похолоданий южная граница распространения криогенной толщи проходила южнее границы региона. В каргинскую эпоху и особенно в период термического максимума голоцена южная граница области криолитозоны значительно смещалась к северу. В позднем голоцене в результате нового похолодания породы промерзли вновь, подчиняясь широтно-зональным, относительно несуровым континентальным климатическим условиям. Промерзание пород в южных районах происходило не повсеместно.
В северной части этой зоны наряду с новообразованием верхнеголоцено-вых многолетнемерзлых пород могла сохраниться реликтовая криогенная толща. В южных районах многолетнемерзлые породы залегают в виде изолированных островов, количество и размеры которых увеличиваются в северном и северо-восточном направлениях. Только вдоль северной окраины зоны в наиболее суровых современных климатических условиях криогенная толща имеет сплошное распространение. Рыхлые четвертичные отложения промерзали в основном эпигенетически [3]. В южных районах криогенная толща имеет одноярусное строение и залегает непосредственно ниже или на некоторой глубине от подошвы сезонно-талого слоя. В пределах северной части зоны так же, как и на территории Западной Сибири, криогенная толща имеет двухъярусное строение. Здесь существуют реликтовые толщи охлажденных пород.
Выделение умеренно континентальной подзоны определяется историей развития криогенной толщи. Подзона располагается непосредственно к югу от границы распространения мерзлых пород. В северной части подзоны, на глубинах 100-300 м, сохранились остатки яруса охлажденных пород, насыщенных водами с отрицательными температурами. В подзоне отчетливо прослеживаются ее признаки перехода от островного распространения криогенной толщи (южно-континентальная подзона) к сплошному распространению (североконтинентальная подзона). Отмечается резкое уступообразное увеличение мощности при ее переходе от древней криогенной толщи к верхнеголоценовой, где существенно снижается интенсивность многих криогенных процессов. В отличие от Западной Сибири, эта подзона значительно уже, что объясняется существенным различием геологических и климатических условий. Сохранение реликтового яруса охлаждения оказалось возможным только благодаря суро-
вым климатическим условиям и слабой подвижности или застойности рассолов, явившихся аккумулятором холода [5].
66 78 90 102 114 126 138
Рис. 1. Схема геокриологического районирования Средней Сибири [5]
1 - Северная геокриологическая зона: а) аркто-океаническая подзона; б) североконтинентальная подзона; 2 - Южная геокриологическая зона: а) умеренно континентальная подзона; б) южно-континентальная подзона; границы: 3 - геокриологических регионов; 4 - зон; 5 - подзон; 6 - провинций; 7 - южная и северная границы распространения криогенных толщ; 8 - район исследования; провинции: I - Таймырская, II - Северо-Сибирская, III - Путоранская, IV - Анабаро-Оленекская, V - Вилюйская, VI - Якутская, VII - Тунгусская, VIII - Енисейская, IX - Ангаро-Ленская
Область прерывистого распространения ММП протягивается вдоль юго-западных окраин Тунгусского и южных окраин Якутского артезианских бассейнов в виде полосы шириной до 100-300 км. Остальная территория платформы, включая большую часть Ангаро-Ленского артезианского бассейна, может быть отнесена к области островного, реже редкоостровного, развития криоли-тозоны.
По данным бурения скважин в юго-западной части района исследования мощность многолетней мерзлоты увеличивается в северо-восточном направлении, составляя на междуречье Ангары и Подкаменной Тунгуски от 3 до 50 м и достигая на отдельных участках в бассейне р. Нижней Тунгуски 300 м. В южных и западных районах исследуемой территории положение в разрезе поверхности пород с нулевой температурой в основном совпадает с подошвой многолетней мерзлоты [2].
На большей части рассматриваемой территории мощность многолетней мерзлоты слабо зависит от абсолютных отметок поверхности, что позволяет предполагать для южных районов условия перехода от океанического к континентальному типу высотной геокриологической поясности. На юге приенисей-ской части Тунгусского бассейна обычная мощность мерзлой зоны составляет 5-10 м, а в устье р. Сарчихи и в с. Нижне-Имбатском она превышает 117 и 284 м соответственно. Такое же резкое изменение мощности многолетней мерзлоты наблюдается и в среднем течении р. Тайги и р. Сухой Пит, где, по данным Н. Г. Шубенина, она возрастает до 50-170 м. Это дает основание предполагать на отдельных участках сохранение реликтовой криогенной толщи, широко развитой в Западной Сибири [4].
Большая юго-западная часть исследуемого района находится в зоне островного и редкоостровного развития криогенной толщи, которая занимает здесь менее 50 % площади и имеет максимальную мощность от первых до 50 м [4, 5].
В лаборатории гидрогеологии осадочных бассейнов ИНГГ СО РАН составлена карта масштаба 1 : 2 500 000 мощности криогенной толщи территории Краснояркого края, Республики Саха и Иркутской области, на которой отмечена трасса трубопровода «Сила Сибири» (рис. 2). Карта построена на основе имеющейся базы данных о «0» и отрицательных температурах 322 скважин (более 500 замеров) и с учетом опубликованных материалов о мощности крио-литозоны.
Севернее широты Ярактинско-Аянского и Дулисьминского месторождений островная мерзлота переходит в прерывистую. При этом быстро возрастает ее мощность, достигающая в районе Верхнечонского месторождения уже 150-250 м. К северо-востоку и востоку от него мощность криогенной толщи несколько снижается, до 50-80 м в районах Центрально-Талаканской и Озерной площадей, но далее к северу и северо-востоку возрастает, составляя до 200-340 м на Среднеботуобинском, до 200-250 м на Иктехском, Верхневилю-чанском и Иреляхском (Мирнинском) и до 350 м на Вилюйско-Джербинском месторождениях.
Рис. 2. Схематическая карта мощности криогенной толщи:
1 - трассы трубопровода «Сила Сибири»; 2 - административные границы;
3 - скважины в которых проводились исследования многолетнемерзлых пород;
4 - изогипсы
Глубина нулевой изотермы в этой области также в большинстве случаев определяется уже не столько обычными причинами, формирующими геотемпературное поле в районах распространения криолитозоны, сколько интенсивностью и глубиной проникновения естественной конвекции криогалинных рассолов в области отрицательных температур, возникающей вследствие отсутствия у таких рассолов максимума плотности (4 оС у пресной воды). Из-за этого рассолы, охлаждаясь в верхней части разреза, становятся более тяжелыми и стремятся опуститься в более глубокие горизонты, из которых более теплые рассолы поднимаются вверх, охлаждаются, и весь процесс повторяется снова и снова. Таким образом, распространение рассолов в криолитозоне обусловливает возникновение в ней как бы огромного природного «холодильника», в котором сами они играют роль хладагента [5].
Преимущественно сплошным распространением криолитозона пользуется севернее р. Подкаменной Тунгуски. В то же время на этой территории известно довольно много источников подземных вод, состав и повышенная минерализа-
ция которых свидетельствуют об их связи с подмерзлотными водоносными горизонтами. Южнее р. Подкаменной Тунгуски предполагается преимущественно прерывистое распространение мерзлоты, а в бассейне р. Ангары - островное. На самой р. Подкаменной Тунгуске прямыми температурными измерениями нулевая температура зафиксирована на глубине 46 м на Лиственичной и 37 м на Куюмбинской площадях. В бассейне р. Ангары «острова» многолетнемерзлых пород приурочены к средним и верхним частям притоков р. Ангары и к ее долине. Площадная доля мерзлоты не превышает здесь 30-40 %, а ее мощность -10, реже - 20 м.
Наиболее благоприятными местами для реализации масштабной разгрузки подземных рассолов на поверхности в центральных районах Тунгусского бассейна служат многочисленные зоны интрузивных и тектонических нарушений сильно литифицированного осадочного чехла, преимущественно в отрицательных наименее промороженных формах рельефа. В этой связи наличие сквозных таликов под озерно-речными долинами является не только условием для реализации восходящей разгрузки в криолитозоне, но и следствием криогидродина-мического режима недр и эндотермического воздействия подмерзлотных вод на криогенную толщу в очагах разгрузки. Узкие таликовые зоны в области преимущественно сплошного распространения мерзлоты на западе Сибирской платформы имеют протяженность до 100 км и более.
Довольно значительная прерывистость многолетней мерзлоты даже в бассейне р. Нижней Тунгуски, в том числе и на ее северных притоках, подтверждаемая распространением в наиболее глубоко врезанных долинах очагов разгрузки подмерзлотных хлоридных вод повышенной минерализации и резко повышенными температурами в колонковых скважинах профиля, пробуренного вдоль р. Нижней Тунгуски, на Верхненимдинской и Бахтинской площадях, вскрывших рассолы в отложениях верхнего палеозоя и триаса (5-24 оС на глубинах до 200-670 м), не позволяет преувеличивать значение мерзлоты в качестве регионального водоупора, под которым могли скапливаться значительные, как иногда предполагают, количества углеводородов. Как раз там, где идет разгрузка теплых глубинных рассолов, которые могли бы формировать залежи нефти и газа, сплошность криогенной покрышки нарушается, а наиболее выдержана она в разрезах, промытых пресными инфильтрационными водами, где нет восходящего подтока флюидов. Относительно формирования газогидрат-ных залежей под многолетней мерзлотой, предполагаемого некоторыми исследователями, следует заметить, что для образования гидратов требуется выполнение таких условий, как предельное насыщение подземных вод газом и дисперсное смешивание свободного газа с водой сверх его растворимости в соотношениях, когда объемы газа значительно превышают объемы воды в породе, а также низкая минерализация холодных подмерзлотных вод. Причем оба эти условия должны выполнятся на значительных площадях, а залежи образовываться в очень короткий в геологическом смысле период времени (не более 1,5 млн лет). Низкие температуры за время существования гидратов не должны прерываться теплыми периодами, а поступление газов с составом, удовлетво-
ряющим возможности образования гидратов, должно быть одновременно струйным, чтобы обеспечить требуемые соотношения их с водой, и массовым для широкого диспергирования водно-газовой смеси. Для накопления газов под гидратной покрышкой последняя должна иметь форму, обеспечивающую возможность их накопления. Следовательно, гидратные залежи могут образовываться только при разрушении уже существующих месторождений, причем улавливаться в форме гидратов, видимо, будет только ничтожная доля первоначальных запасов. Очевидно, что все перечисленное оставляет мало надежд на обнаружение газогидратных залежей, экранированных мерзлотой и гидратами промышленного значения, хотя на севере Тунгусского бассейна незначительные гидратные скопления, видимо, могут быть обнаружены [1, 3, 5].
По малочисленным имеющимся данным, минимальные температуры наблюдаются в самой верхней части зоны отрицательных температур. В бассейне р. Подкаменной Тунгуски градиенты в мерзлой толще меняются по глубине в целом незакономерно, но наиболее высокие их значения приурочены к интервалу глубин 20-30 м, т. е. примерно к «нейтральному слою» (слою постоянных годовых температур).
Ниже мерзлоты располагается зона неустойчивых температур, где геотемпературные градиенты в карбонатно-терригенных отложениях ордовика и эвенкийской свиты несколько снижаются и характеризуются значениями 1,9-4,5 оС/100 м, которые постепенно уменьшаются на расстоянии 80-100 м ниже мерзлоты до обычных в этих породах значений. И только глубже этой зоны распределение температур и геотермических градиентов определяется преимущественно величинами глубинного теплового потока и теплопроводностью слагающих разрез пород. Такое распределение температур в верхней части разреза свидетельствует о прогрессирующем в настоящее время охлаждении осадочного чехла Тунгусского бассейна под действием современных климатических условий и об увеличении глубины промерзания пород [7-10]. Косвенным подтверждением последнего являются высокие напоры подземных вод в подмерзлотном водоносном горизонте, обычно проявляющие себя при вскрытии скважинами-самоизливами. Напротив, в центральной Якутии, например, где предполагают деградацию мерзлоты [5], напоры подмерзлотных вод аномально низки.
В изучаемом регионе наибольшее значение имеют влияние низких температур и широкое распространение мерзлых пород в верхней части разреза, что необходимо учитывать при планировании геологоразведочных работ. Районы широкого распространения криогенной толщи, кроме того, наиболее уязвимы с точки зрения влияния производственных геологоразведочных процессов на экологическую обстановку.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Геокриология СССР. Средняя Сибирь / под ред. Э. Д. Эршова. - М. : Недра, 1989. -
414 с.
2. Геокриологические условия Западной Сибири, Якутии и Чукотки. - М. : Изд-во АН СССР, 1964. - 139 с.
3. Баулин В. В. Многолетнемерзлые породы нефтегазоносных районов СССР. - М. : Наука, 1985. - 176 с.
4. Мерзлотно-гидрогеологические условия Восточной Сибири / под ред. П. И. Мельникова. - Новосибирск : Наука, Сиб. отд-ние, 1984. - 192 с.
5. Фотиев С. М., Данилова Н. С., Шевелёва Н. С. Геокриологические условия Средней Сибири. - М. : Наука, 1974. - 138 с.
6. Кудрявцев В. А. Принципы геокриологического районирования. Сер. геология. -1978. - № 3. - С. 11-23.
7. Девяткин В. Н. Тепловой поток криолитозоны Сибири. - Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1993. - 165 с.
8. Тепловой поток и геотемпературное поле Сибири / А. Д. Дучков, Л. С. Соколова, В. Т. Балобаев и др. // Геология и геофизика. - 1997. - Т. 38, № 11. - С. 1716-1729.
9. Железняк М. Н. Геотемпературное поле и криолитозона юго-востока Сибирской платформы. - Новосибирск : Наука, 2005. - 227 с.
10. Балобаев В. Т. Геотермия мерзлой зоны литосферы севера Азии. - Новосибирск : Наука, 1991. - 192 с.
REFERENCES
1. Geokriologija SSSR. Srednjaja Sibir' / Pod red. Je.D. Jershova. - M.: Nedra, 1989. - 414 s.
2. Geokriologicheskie uslovija Zapadnoj Sibiri, Jakutii i Chukotki. - M.: Izd-vo AN SSSR, 1964. - 139 s.
3. Baulin V.V. Mnogoletnemerzlye porody neftegazonosnyh rajonov SSSR. - M.: Nauka, 1985. - 176 s.
4. Merzlotno-gidrogeologicheskie uslovija Vostochnoj Sibiri / Pod red. P.I. Mel'nikova. -Novosibirsk: Nauka, Sib. otd-nie, 1984. - 192 s.
5. Fotiev S.M., Danilova N.S., Sheveljova N.S. Geokriologicheskie uslovija Srednej Sibiri. -M.: Nauka, 1974. - 138 s.
6. Kudrjavcev V.A. Principy geokriologicheskogo rajonirovanija. Ser. geologija. - 1978. -№ 3. - S. 11-23.
7. Devjatkin V.N. Teplovoj potok kriolitozony Sibiri. - Novosibirsk: Nauka, Sib. otd-nie, 1993. - 165 s.
8. Teplovoj potok i geotemperaturnoe pole Sibiri / A.D. Duchkov, L.S. Sokolova, V.T. Balobaev i dr. // Geologija i geofizika. - 1997. - T. 38, № 11. - S. 1716-1729.
9. Zheleznjak M.N. Geotemperaturnoe pole i kriolitozona jugo-vostoka Sibirskoj platformy. -Novosibirsk: Nauka, 2005. - 227 s.
10. Balobaev V.T. Geotermija merzloj zony litosfery severa Azii. - Novosibirsk: Nauka, 1991. - 192 s.
© А. Ф. Сухорукова, 2018
