22ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ ОЗЕР И ПРОЦЕССОВ НОВООБРАЗОВАНИЯ МНОГОЛЕТНЕМЕРЗЛЫХ ПОРОД НА ПОЛУОСТРОВЕ ЯМАЛ НА ОСНОВЕ ДАННЫХ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ
С.Г. Корниенко1, Л.Н. Крицук2, К.И. Якубсон1, Н.В. Ястреба2 1 - Институт проблем нефти и газа РАН, 2 - ВСЕГИНГЕО e-mail: spaceakm2@ogri.ru
Освоение нефтегазовых месторождений Арктических районов, и в первую очередь на полуострове Ямал, связано с трансформацией природных ландшафтов и изменением температурного режима мерзлых грунтов, состояние которых существенно влияет на безопасность функционирования объектов нефтегазового комплекса. В настоящее время на полуострове Ямал открыто 26 месторождений углеводородов, три из которых (Бованенковское, Тамбейское и Новопортовское) уже разрабатываются; построена первая нитка магистрального газопровода и железная дорога к Бованенковскому нефтегазоконденсатному месторождению (НГКМ). В настоящее время на восточном побережье полуострова в районе п. Сабетта реализуется масштабный проект по освоению Южно-Тамбейского газоконденсатного месторождения, включающий строительство завода по сжижению природного газа и морского порта для его транспортировки в Европу и Азию. Очевидно, что в ближайшее время техногенное воздействие на хрупкую природу Ямала будет существенно возрастать.
Основные геоэкологические риски при освоении полуострова Ямал связаны с широко распространенными здесь подземными льдами, залегающими на разных глубинах, поскольку при нагрузке они теряют свою несущую способность, а их вытаивание приводит к развитию таких быстро протекающих криогенных процессов, как термокарст и термоэрозия. Изменение температурного и влажностного режимов грунтов, особенно с переходом температур отметки 0 °С, приводит к изменению состава, строения и свойств грунтов, их прочности, сжимаемости и несущей способности, что, в свою очередь, приводит к активизации криогенных процессов. Основными причинами деформаций сооружений в криолитозоне являются локальные, неравномерные просадки мерзлых грунтов при оттаивании или пучение водонасыщенных грунтов при их замерзании. Очевидно, что вероятность развития подобных процессов должна учитываться при проектировании и строительстве объектов.
Согласно существующим представлениям, полуостров Ямал расположен в зоне сплошного распространения многолетнемерзлых пород (ММП) со среднегодовой
температурой грунтов от -2 °С ^ -4 °С на юге полуострова до -7 °С ^ -9 °С на севере. Однако вследствие широкого распространения на полуострове озер разной морфологии и размеров многолетнемерзлые грунты на полуострове Ямал характеризуются значительной прерывистостью с поверхности и наличием подозерных таликов различной мощности, которая зависит от размеров и глубины озер. Озера чрезвычайно широко распространены на полуострове Ямал, а система их расположения отражает тектоническое строение территории и, прежде всего, наличие дизъюнктивных дислокаций платформенного чехла, характер новейших и современных тектонических движений и существование в прошлом и в настоящее время залежеобразующих подземных льдов [1]. Минимальные значения озерности (отношение суммарной площади озер к общей площади исследуемой территории) на полуострове Ямал (5-10%) характерны для высоких геоморфологических уровней - дренированных водораздельных пространств; максимальные (до 30%) - для речных пойм и низких террас. Озерность увеличивается на участках современного либо былого близкого к поверхности залегания мощных подземных льдов вследствие развития термокарстовых процессов. Концентрация озер и их размеры возрастают в зонах глубинных разломов фундамента и платформенного чехла плиты, с которыми, в свою очередь, связаны нефтегазоносные локальные структуры.
Озера Ямала являются одним из ведущих элементов ландшафта и важнейшим компонентом геокриологических условий, определяющим прерывистость ММП с поверхности и специфику их температурного режима. Спуск и возникновение озер приводит к дестабилизации состояния ММП и активизации опасных для технических объектов геокриологических процессов. В последние годы, благодаря доступности архивных данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), и в первую очередь космических снимков (КС) со спутников серии Ьапёва1;, стало возможным проводить масштабное исследование динамики озер на всей территории полуострова Ямал.
Ранее на основе анализа архивных аэрофотоснимков (АФС) и КС отдельных участков территории полуострова была установлена заметная и устойчивая тенденция сокращения площади крупных озер и появления хасыреев (котловин спущенных озер) при одновременном увеличении площади развеваемых песков и развитии линейного термокарста, что, скорее всего, свидетельствует о преобладающем неотектоническом поднятии значительной части полуострова Ямал [2]. Дешифрирование материалов ДЗЗ, картографирование ландшафтов и многочисленные промеры глубины озер (в процессе
инженерно-геокриологических работ) позволили выявить основные морфогенетические группы озер, различающиеся формой, глубиной и размерами [3]. Была установлена тектоническая обусловленность их распространения и генетическая связь с неотектоническими морфоструктурами - типами местностей, которые выделяются по характеру расчленения рельефа [4]. Всего было выделено 6 основных морфогенетических типов озер (рис. 1), соответствующих определенному уровню или типу местности: лайдовые, термокарстовые (пойменные), глубоко-котловинные, хасырейные (остаточные), четковидные и тектонические [3].
К тектоническим относятся изометричные, линейно-вытянутые или дугообразно изогнутые озера диаметром или длиной от нескольких км до 15-20 км. Эти озера связаны с зонами разломов фундамента или платформенного чехла, что дало основание считать их тектоническими образованиями. Располагаются они группами или по дуге на вершинах крупных кольцевых морфоструктур на ГГГ-ГУ террасах. Широкое развитие озер тектонического происхождения на полуострове Ямал связано с характерной для него разломной тектоникой [5-7]. При дренировании озер (естественном либо связанном с техногенезом) происходит промораживание талых водонасыщенных пород и таликовых подземных вод в закрытой системе, что неизбежно приводит к локальному нарушению земной поверхности, изменению условий теплообмена грунтов с атмосферой и формированию под бывшим озерным дном ледяных или льдогрунтовых тел, т. е. происходит процесс новообразования ММП. В случае спуска глубоких озер, в которые разгружаются глубинные подземные воды, в днищах хасыреев формируются бугры и гряды пучения высотой от 5-7 до 10 м (рис. 2, а).
На АФС и КС участков территории полуострова Ямал четко дешифрируются многочисленные круглые или вытянутые понижения в рельефе, представляющие собой днища древних спущенных озер (хасыреев), во многих из которых сохранились остаточные озера. Характерно, что в подавляющем большинстве остаточные озера имеют изометричную или линейно-вытянутую форму при разных размерах.
Хасыреи настолько широко развиты на полуострове, что при геокриологическом районировании территории был определен специальный тип расчлененности рельефа, или тип местности, - хасырейный [4]. Этот тип широко развит как в долинах рек (Г-ГГГ террасы), так и на водоразделах, занимая до 30-40% площади террас преимущественно в
восточной части полуострова, однако встречается и на Западном Ямале, а также на водоразделах южнее группы озер Нейто.
Наиболее широко хасырейный тип местности распространен в центральной части полуострова, где отмечается скопление разнонаправленных разломов и сконцентрированы тектонические озера. Территориально хасырейный тип местности (и, соответственно, тип мерзлой толщи) приурочен к структурам платформенного чехла разного порядка, локализуясь главным образом на крыльях локальных структур II-III порядков (с которыми связаны газовые месторождения). При массовых промерах глубин даже мелких котловинных и остаточных озер в их днище были установлены воронкообразные углубления. При спуске озер эти углубления превращаются в остаточные озера (воронки), в которые инъецируются подземные воды - т. е. «жерла гидровулканов» (см. рис. 2, б).
Для оценки динамики современного спуска озер был проведен анализ разномасштабных и разнотипных архивных АФС и КС за период с 1969 по 2011 г. В работе использовались топографические карты масштабов 1:500 000 и 1:200 000 (составленные по съемке 1969-1970 гг.), черно-белые АФС 1969-1970 гг. съемки, КС 1980 г. (черно-белые) и спектрозональные КС спутника Landsat 2000 и 2009-2011 гг. съемки. Все съемки были проведены в летний период года.
На первом этапе сравнивались озера, отмеченные на топографических картах (на отдельных участках выделенные на черно-белых АФС), и озера, дешифрированные по КС 2000 г. съемки. Анализ заключался в сравнении формы и размеров озер на двух источниках (или фотоснимках), приведенных к одному масштабу, совмещении озер на двух изображениях и последующем оконтуривании спущенного (частично или полностью) озера. На втором этапе аналогичная работа проводилась для пары КС спутника Landsat 2000 и 2009-2011 гг. съемки. На заключительном этапе были выявлены озера, спускаемые в течение всего периода наблюдений (около 40 лет). Результаты повторного дешифрирования данных ДЗЗ с обозначением всех спущенных озер, а также схемами типов местности, геокриологических условий и разломной тектоники приведены в виде карт масштабов от 1:100 000 до 1:500 000 [3].
За 40-летний период наблюдений на большей части полуострова Ямал (до широты 68°) было выявлено около 500 озер, спущенных в разной степени. На самом деле количество спущенных озер на полуострове Ямал может быть значительно больше,
поскольку, вследствие достаточно мелкого масштаба топографических карт и космических материалов, озера диаметром менее 200 м не анализировались.
Результаты дешифрирования КС последних лет показывают, что процессы спуска озер и формирования льдонасыщенных мерзлых пород на полуострове Ямал достаточно интенсивно происходят и в настоящее время. Комплексный анализ полученных данных, материалов геолого-геофизических и геокриологических исследований, а также данных метеонаблюдений на полярной станции Марре-Сале (Западный Ямал) позволил выявить основные закономерности площадного распространения процесса спуска озер, установить его связь с неотектоническими морфоструктурами (типами местностей), локальными структурами платформенного чехла и фундамента, а также динамикой климатических условий. Процесс современного спуска озер происходит практически на всей территории полуострова Ямал, хотя и неравномерно по площади. Наибольшее количество спущенных озер сосредоточено в краевых частях полуострова, в поймах рек, на лайдах и (реже) на низких террасах. Однако в южной части полуострова (южнее озер Соханто-Сявтото) спущенные озера встречаются как в долинах рек, так и на водоразделах на всех геоморфологических уровнях (в том числе и на ГУ равнине).
Современный спуск озер отчетливо фиксируется по данным разновременных аэрокосмических наблюдений. Недавний спуск остаточного озера в днище крупного древнего хасырея был зафиксирован в 2006-2009 гг. в районе полярной станции Марре-Сале (рис. 3) и тектонического озера Халэвто на Центральном Ямале. Наибольшее количество спущенных за последние 40 лет озер сосредоточено в пойме рек Сеяха (Мутная) и Мордыяха в пределах южной части Бованенковской структуры платформенного чехла (ГГ порядка) на площади Бованенковского НГКМ. Скопление спущенных озер отмечено и в пределах других локальных структур платформенного чехла (ГГ порядка): Харасавэйский вал; Северо- и Южно-Тамбейское куполовидное поднятие (КП); Тивтейяхинский Структурный Нос; Восточно-Арктический вал; Еркутаяхинское КП. Современный процесс спуска озер активно происходит на поймах многих рек и на лайдах (в устьях рек Тиутейяха, Харасавэй, Нябуяха) на западном побережье Карского моря и рек Тамбей, Юрибейтояха и Сабъяха и др., на побережье Обской губы. На речных террасах и водоразделах спускаемые в настоящее время озера в подавляющем большинстве расположены либо в днищах древних озер - хасыреях и связаны с хасырейным типом местности, либо являются глубоко-котловинными озерами
(приурочены к озерно-котловинному типу местности). Из тектонических озер отмечен частичный спуск озер Тобанто и Хэто и значительный спуск озера Халэвто. Эти озера находятся в зонах разломов платформенного чехла. Характерно, что многочисленные спущенные озера (как в группе, так и одиночные) как бы трассируют разломы фундамента и платформенного чехла.
В целом, результаты исследований свидетельствуют о широком распространении на полуострове Ямал процессов спуска озер и новообразования высокольдистых ММП. Подтверждена пространственная связь спускаемых озер с тектоническим строением полуострова (фундамента и платформенного чехла) и характером размещения в пространстве мощных залежеобразующих подземных льдов. Основной причиной современного спуска озер на полуострове Ямал является широкое развитие термоэрозионных процессов, приводящих к быстрому формированию систем логов и оврагов в линейных льдистых зонах, созданных в холодные климатические эпохи при промерзании подземных вод разных горизонтов и комплексов [1]. К числу основных факторов, приводящих к активизации термоэрозионных процессов, относятся:
- техногенное воздействие (этим можно объяснить скопление спущенных озер на площадях НГКМ и ГКМ);
- вытаивание мощных залежеобразующих подземных льдов;
- динамика климатических условий (глобальное потепление климата приводит к увеличению глубины сезонного протаивания и вскрытию неглубоко залегающих ледяных тел, что, по-видимому, объясняет массовое скопление спущенных озер в пределах Еркутаяхинского КП на юго-западе полуострова);
- современная геодинамика (именно с этим фактором обычно связывают спуск озер вне криолитозоны).
Все вышеперечисленные факторы принимают участие в процессах спуска озер и новообразования ММП на полуострове Ямал, однако выявить вклад каждого из них в настоящее время не представляется возможным. Тем не менее эта задача может быть решена по мере накопления материалов мониторинговых наблюдений, в том числе с использованием современных методов и технологий ДЗЗ.
С геодинамическими процессами, по-видимому, можно связать массовый спуск озер на морском побережье (лайды, речные поймы в устьевых частях), а также в пределах
неосвоенных пока территорий на речных террасах и высокой равнине (например, в пределах Средне-Ямальского ГКМ).
Очевидно, что процессы новообразования ММП на нефтегазовых месторождениях полуострова Ямал должны учитываться при строительстве и эксплуатации технических объектов. Вследствие высокой льдистости, наличия макроледяных тел или разгрузки напорных подземных вод (как таликовых, так и глубинных) следует избегать строительства ответственных или тепловыделяющих сооружений в днищах хасыреев. В районах осваиваемых нефтегазовых месторождений необходима организация систематических аэрокосмических и наземных наблюдений на участках со спускаемыми озерами, а также вблизи строящихся и функционирующих объектов инфраструктуры (газопроводы, железная дорога и т. д.). Так, в частности, на подобных участках уже проложены железная дорога к Бованенковскому НГКМ и первая нитка магистрального газопровода Бованенково - Байдарацкая губа.
Работа выполнена по проекту 2.3.2 «Разработка аэрокосмических методов мониторинга природно-техногенных комплексов в районах интенсивного освоения нефтегазовых месторождений Арктики и субарктики» Программы Президиума РАН № 27 «Фундаментальный базис инновационных технологий прогноза, оценки, добычи и глубокой комплексной переработки стратегического минерального сырья, необходимого для модернизации экономики России»
ЛИТЕРАТУРА
1. Крицук Л.Н. Подземные льды криолитозоны Западной Сибири. М.: Науч. мир, 2010. 350 с.
2. Аэрокосмический мониторинг природной среды полуострова Ямал / Масленников В.В., Давиденко Н.М., Корниенко С.Г, Якубсон К.И. // Газовая пром-сть, 2003. Июль. С. 72-74.
3. Крицук Л.Н., Ястреба Н.В:, Корниенко С.Г. Процессы новообразования многолетнемерзлых пород на полуострове Ямал и их инженерно-геологическое значение // Инженерные изыскания в строительстве: материалы Восьмой Общерос. конф. изыскательских организаций. М., 2012. С. 85-89.
4. Ландшафты криолитозоны Западно-Сибирской газоносной провинции / Под ред. Е.С. Мельникова. Новосибирск: Наука, 1983. 164 с.
5. Астафьев Д.А., Скоробогатов В.А. Тектонический контроль газонефтеносности полуострова Ямал // Геология нефти и газа. М., 2006. 32 с.
6. Репин А.Г. О кайнозойской рифтовой системе на севере Западной Сибири // Сов. геология. 1988. № 12. С. 68-75.
7. Шаблинская Н.В. Разломная тектоника Западно-Сибирской и Тимано-Печорской плит и вопросы нефтегазоносности палеозоя. Л.: Недра, 1982. 155 с.
ПРИЛОЖЕНИЕ
где
Рис. 1. Морфогенетические типы озер
а - лайдовые; б - термокарстовые (пойменные); в - глубоко-котловинные; г - хасырейные (остаточные); д - четковидные; е - тектонические
Рис. 2. Развитие криогенных процессов в днищах спущенных озер
а - новообразования льдогрунтовых тел в виде бугров пучения; б - воронкообразное углубление - «жерло гидровулкана»
Рис. 3. Примеры современного спуска озер на полуострове Ямал: верхний ряд -остаточное озеро в районе п. Марре-Сале в 1978 г. (а), в 2006 г. (б) и в 2009 г. (в); нижний ряд - тектоническое озеро Халывто (Центральный Ямал) по КС в 2000 г. (г), 2009 г. (д) и в 2011 г. (е)
