CC BY
13БЮЛЛЕТЕНЬ КОМИССИИ ПО ИЗУЧЕНИЮ ЧЕТВЕРТИЧНОГО ПЕРИОДА
№ 78, 2020 г.
ОТРАЖЕНИЕ ГЛЯЦИАЛЬНЫХ, КРИОГЕННЫХ И ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В РАСПРОСТРАНЕНИИ КРИОГЕННЫХ ГИДРАТОВ ПРИРОДНОГО ГАЗА НА КОНТИНЕНТАЛЬНОЙ ОКРАИНЕ СЕВЕРО-ЗАПАДА
СЕВЕРНОй АмЕРИКИ
В.А. Друщиц
Геологический институт РАН, Москва, Россия vdruschits@yandex.ru
Рассмотрены условия формирования и сохранения криогенных гидратов природного газа на прибрежных низменностях и шельфе моря Бофорта в квартере. Они образовались в границах нефтегазовых бассейнов. Существующие в настоящее время в моноклиматической ситуации данные клатраты природного газа образовывались в перигляциальных и гляциальных условиях. Сочетание характера геодинамического режима и условий поздневал-дайского (висконсинского) криохрона вызывает различное распространение криогенных гидратов на континентальной окраине севера Аляски и в области дельта р. Маккензи - шельф моря Бофорта. В дельте р. Маккензи криогенные гидраты формировались во фронтальной зоне ледника и в области влияния складчато-надвигово пояса. В результате эти образования в большей степени распространены на шельфе. По времени формирования гидратов природного газа относительно развития криолитозоны определены две группы этих образований эпикриогенная и синкриогенная. Для этого региона выделены 4 типа криогенных гидратов природного газа относительно их расположения в многолетнемерзлых породах и под ними. Установлены индикаторы проявления современных геодинамических процессов, влияющих на распространение данных образований для этого региона.
Ключевые слова: криогенные гидраты природного газа, оледенение, перигляциал, многолетнемерзлые породы, неотектоника, Северная Аляска, дельта р. Маккензи, море Бофорта, квартер.
DOI 10.34756/GEOS.2021.16.37848
Введение
Гидраты природного газа являются нетрадиционным углеводородным ресурсом, в большей степени ресурсом будущего. С этих позиций к ним приковано внимание и ученых, и экономистов, и технологов. Основной объем гидратов природного газа сосредоточен в морских акваториях, на континентальных склонах и континентальных подножиях с мощной толщей осадков. Много работ посвящено количественной оценке, моделированию формирования и существования этих образований. Основное внимание исследователей обращено на современные характеристики известных залежей гидратов с позиции разработки природных ресурсов: термобарические условия, пути миграции, источники и состав газов, литология вмещающих пород, соленость поровых вод и другие параметры. Данная статья посвящена обзору литературы
по криогенным гидратам природного газа (КГГ) -характерным образованиям четвертичного периода, сформированным в континентальных условиях и генетически связанных с криолитосферой. Хотя они составляют 2% от всех известных скоплений гидратов природного газа, но более доступны для разработки, чем глубоководные морские скопления гидратов природного газа. Эти образования распространены на полярных пассивных континентальных окраинах. Известны также значительные скопления КГГ на Тибете. Основным вопросом, обсуждаемым в статье является характеристика природных обстановок четвертичного периода и современности, в которых образовались и сохранились КГГ. Природная среда квартера разделяется на гляциальные и перигляциальные условия. Как известно, динамика климата квартера определяется сменой похолоданий, с некоторыми
из которых связаны оледенения, на более мягкие межледниковья. С этой цикличностью связано развитие криолитозоны. Выделенные обстановки (ледниковые и перигляциальные), в которых распространяются КГГ, обладают значительным разнообразием вследствие взаимодействия многих природных факторов (климата, тектонической активности, геологической ситуации, палеогеографии квартера) [Друщиц, Садчикова, 2017; Дру-щиц, Садчикова, 2018].
Криогенные гидраты природного газа, по всей вероятности, на суше были обычным явлением в холодные периоды квартера (криохроны). В пост-гляциальное время эти образования разделяются на стабильные и метастабильные. Стабильные КГГ находятся в зоне стабильности криогенных гидратов природного газа, которая обладает необходимыми и достаточными термобарическими условиями для их формирования и сохранения. Как правило, стабильные КГГ расположены над нефтегазовыми и угольными месторождениями. Метастабильные (реликтовые) КГГ локализуются в ММП, выше кровли зоны стабильности. Развитие их закончилось, но существование продолжается при сохранении льда в разрезе. Реликтовые КГГ концентрируются на глубинах до 150 м, состоят из биогенного метана [Якушев и др., 2003]. Изложенный в статье материал, в основном, касается природных процессов (ледниковых, криогенных и геодинамических), которые повлияли и/ или влияют на сохранение или разрушение КГГ. К настоящему времени самыми известными и хорошо изученными залежами клатратной формы
природного газа становятся КГГ континентальной окраины северо-запада Северной Америки: севера Аляски и северо-запада Канады (область дельты р. Маккензи-шельф моря Бофорта). Несмотря на территориальную близость, развитие этих залежей происходит по весьма различным природным сценариям.
Условия распространения кгг на континентальной окраине севера Аляски и области дельты реки маккензи и смежного с ней шельфа моря Бофорта
Регион моря Бофорта принадлежит к позднеме-зозойскому Амеразийскому бассейну (Канадская котловина) Северного Ледовитого океана. Море Бофорта имеет достаточно широкий шельф, окруженный прибрежными слабо дренированными низменностями. Река Маккензи - крупнейшая водная артерия северного побережья Америки (рис. 1), оказывающая огромное влияние на осадкона-копление восточной части шельфа моря Бофорта в квартере. Зона присутствия криогенных гидратов природного газа на севере Аляски протягивается от дельты реки Колвилл до залива Прадхо, покрывая расстояние почти в 90 км. В районе дельты реки Маккензи скопления КГГ распространяются на шельфе почти на такое же расстояние.
Это пассивная континентальная окраина известная крупными нефтегазовыми месторождениями. Места распространения КГГ находятся под влиянием региональных тектонических процессов. Особенно четко проявляется современный
Ш 1
рис. 1. Континентальная окраина Северной Аляски и континентальная окраина северо-запада Канады
1 - зоны распространения КГГ.
Fig. 1. Continental margin of the Alaska North Slope and Northwestern Canada
1 - gas hydrate area.
геодинамический режим (горизонтальные смещения, вызванные активными разломами, землетрясениями). Режимы растяжения или сжатия могут оказывать как прямое, так и опосредованное влияние на скопления клатратов (гидратов) природного газа. Побережье и шельф моря Бофорта опускаются [Mazzotti et al., 2008; Peltier et al., 2015].
В позднем кайнозое основными природообра-зующими факторами становится чередование ледниковых и межледниковых эпох (термохронов) и сопутствующих им регрессивных и трансгрессивных циклов. В ледниковья на континентальных пространствах вместе с многолетнемерзлыми породами над нефтегазовыми месторождениями формируются залежи или скопления КГГ, которые в межледниковья сокращаются или исчезают. КГГ могут скапливаться и в многолетнемерзлых породах (ММП) и под ними. Мерзлые породы одновременно служат и блокирующим экраном, и вмещающей толщей.
В настоящее время господствуют представления о том, что районы формирования КГГ относятся к зонам без каких-либо заметных проявлений лито- и геодинамических процессов. Тем не менее, анализ опубликованных материалов позволяет полагать о неоднозначности подобных представлений. Более того, кажущееся отсутствие неотектонической активности и северного побережья Аляски, и области дельты р. Маккензи объясняется отсутствием регулярных геодинамических исследований и стационарных пунктов наблюдений за сейсмичностью. В последние годы появились работы, где рассматриваются современные геодинамические процессы, затрагивающие скопления КГГ и смежные области. Зона сейсмичности с отдельными сильными землетрясениями, проходящая между областями распространения КГГ на Аляске и в районе дельты р. Маккензи, может генерировать отдельные импульсы сейсмической энергии, вызывающие оползни, обвалы осадков и значительные изменения в рельефе, которые вызывают разрушение КГГ [Dixit et al., 2017; Dixon et al., 2019].
На суше и на шельфе, где находятся залежи КГГ, ММП имеют сплошное распространение. При этом для зон КГГ характерны максимальные значения мощностей ММП, что позволяет клатрат-ным соединениям природного газа сохраняться в межледниковья, что и наблюдается в настоящее время. В море Бофорта ММП, главным образом, локализуются во внутренней зоне шельфа и постепенно сокращаются в мощности и практически исчезают к краю шельфа. Такой же характер имеет и распространение КГГ, исчезая за пределами шельфа, где на смену им приходят морские гидраты природного газа, которые в большей степени зависят от давления [Burn, Kokeli, 2009; Jorgenson
et а1., 2015; Ruppel et а1., 2016]. В квартере побережье и шельф Аляски развивались в перигля-циальных условиях; область дельты р. Маккензи испытала смену перигляциальных и ледниковых обстановок.
На современном этапе обе области развиваются в идентичных природных обстановках межлед-никовья полярной зоны. Основная особенность региона - суровый, холодный климат. Для прибрежных низменностей северо-запада Северной Америки характерно распространение различных типов криогенного рельефа, таликов под речными руслами и относительно глубокими озерами. Озера занимают 30-35% площади низменностей. Побережье имеет сложное строение, оно ограничено цепью мигрирующих барьерных островов. Часть их - барьерные острова, другая часть - фрагменты четвертичных прибрежноморских аккумулятивных образований. Барьерные острова, образовавшиеся вследствие вдольбереговой миграции осадочного материала, в процессе перемещения изменяют термобарические условия, что может вызывать разрушение ММП.
Зоны распространения КГГ - зоны преобладающего влияния криогенных процессов.
Ледниковые процессы играли ведущую роль при формировании КГГ в криохроны. В настоящее время они определяют инертность в прошлом ледниковой зоны к современным природным изменениям. Криогенные процессы в значительной мере сохраняют стабильность скоплений КГГ. Геодинамические процессы с одной стороны обеспечивают устойчивость зоны стабильности КГГ, а с другой их активность способна вызывать деградацию ММП с последующим разрушением ММП. Ниже рассматривается влияние этих процессов на сохранение скоплений КГГ в различных регионах континентальной окраины северо-запада Северной Америки.
Криогенные гидраты природного газа на континентальной окраине Северной Аляски
Особенности геологии и тектоники. Северная часть Аляски состоит из складчато-надвигового пояса хребта Брукса, бассейна Колвилл (передовой прогиб), а поднятие Барроу отделяет микроконтинент от Канадского бассейна. Континентальная окраина покрыта плащом позднемезозойско-кайнозойских осадков толщи Брукс (рис. 2). Толща состоит из осадочного материала, поступавшего от хребта Брукс, и покрывает весь бассейн Кол-вилл и шельф. Толща Брукс слагается чередованием мелководных морских и дельтовых песчаников, содержащих горизонты аргиллитов, сланцев, углей и конгломератов. В раннем кайнозое центр
Рис. 2. Геологический разрез центральной части Северной Аляски, показывающий стратиграфические и структурные взаимоотношения от хребта Брукс до края шельфа моря Бофорта [Houseknecht et al., 2012] AU - оценочные площади; LCU -нижнемеловое несогласие. Выше несогласия залегает толща Брукс. Fig. 2. Cross section of the central Alaska North Slope showing generalized stratigraphic and structural relationships from the Brooks Range to the Beaufort Sea shelf edge [Houseknecht et al., 2012]
AU - assessment unit; LCU - Lower Cretaceous unconformity. The Brookian sequence is above LCU.
осадконакопления смещается к востоку вместе с погружением поднятия Барроу. Мощность толщи Брукс на поднятии изменяется от 500 до 2000 м. В северо-восточной части п-ова с помощью моделирования установлена миграция углеводородов на запад и на юг, в направлении нефтяных месторождений Купарук-Ривер и Прадхо-Бей, вызванная опусканием континентальной окраины в позднем кайнозое. Залежи КГГ приурочены к верхней части толщи Брукс (мощность этой части около 2 км). Общая мощность этой толщи около 6 км на суше и более 8 км на шельфе [Carmen, Hardwick. 1983; Schenk et al., 2012].
Тектоническую ситуацию на севере Аляски с конца мезозоя до современности определяют поднятие Барроу (зона растяжения, сопровождаемая активными разломами) и продвижение складчато-надвигового пояса хребта Брукса в северном направлении (рис. 3). Поднятие Барроу протягивается вдоль береговой зоны, смещаясь в сторону суши к месторождениям Купарук-Ривер и Прадхо-Бей, где обнаружены залежи КГГ. Тектонические нарушения зафиксированы на шельфе от устья р. Колвилл и далее на восток.
По строению осадочной толщи устанавливается, что северная часть Аляски испытывает на-
клон на северо-восток с эоцена до настоящего времени. Выявлены горизонтальные движения 0,1-1мм/год. [Carmen, Hardwick, 1983; Mazzotti et al., 2008]. Практически все открытые залежи КГГ сосредоточены в границах вала Барроу [Dixit et al., 2017]. Наиболее тектонически активная область расположена к востоку от залива Прадхо -континентальная окраина залива Кэмден (рис. 3). Наиболее четко фиксируется проявление современной геодинамической активности по землетрясениям (магнитуда > 5), активным разломам в восточной части шельфа и растущей антиклинали, минимальным мощностям четвертичных и голо-ценовых осадков. Предполагается, что структура хребта Брукс генерирует здесь деформации, начиная с плиоцена и до настоящего времени [Moore, Box, 2016; Koehler, Carver, 2018]. Структура вала Барроу разделяет, нефтегазоносную область северной Аляски. На континенте открыто больше месторождений, особенно крупных. На шельфе при достаточно интенсивном исследовании сейсмическими методами и бурении открыто меньше нефтегазовых мелких месторождений. В итоге не стоит ожидать, что гигантские газонефтяные месторождения (например, Прадхо-Бей) имеют продолжение в акватории [Phrampus et al., 2014]. Воз-
Рис. 3. Фрагмент геодинамической карты Аляски, показывающей распространение зон, находящихся под воздействием тектонических деформаций (15 млн л.н. - 0)
1 - поднятие Барроу; 17- складчато-надвиговый пояс хребта Брукс; стрелки - направление движения [Moore, Box, 2016 с дополнениями, Shenk et al., 2012].
Fig. 3. Fragment of geodynamic map of Alaska showing distribution of areas affected by deformation (15-0 Ma) 1 - Barrow Arch; 17 - Brooks Range deformation front; arrows - movement direction [Moore, Box, 2016, with addition from Shenk et al., 2012].
можно такая ситуация накладывает ограничения на распространение КГГ на шельфе.
Залежи КГГ и массивы ММП. На северном побережье Аляски выявлено почти 50 скважин с прямыми или косвенными признаками наличия КГГ. КГГ имеют неглубокое залегание. Месторождение Купарук Ривер - на глубинах 250350 м; месторождение Милн Поинт - на глубинах около 600 м; месторождение Эйлин - на глубинах 550-650 м (рис. 4). В исследовательской скважине «Hydrate 01» горизонты, содержание КГГ, обнаружены в интервале глубин 760-934 м. Различные глубины нахождения КГГ в разрезе месторождений объясняются литологическими и структурными особенностями продуктивных толщ.
КГГ состоят из термогенного и биогенного метана, расположены как внутри ММП, так и под ними. По расчетным данным зона стабильности КГГ (термобарические показатели таковы, что КГГ могут образовываться и существовать) занимает практически все северное побережье Аляски (от хребта Брукс почти до края шельфа). Наибольшая мощность этой зоны смещена к восточной части северного побережья Аляски. Расчетная мощность зоны стабильности КГГ достигает почти 900 м, кровля залегает на 210 м, а подошва - на глубинах около 1200 м [Collett et al., 2011].
На практике, залежи КГГ открыты лишь на побережье между дельтой реки Колвилл и заливом Прадхо (рис. 4). Мощность ММП в пределах залежей газовых гидратов - 356-660 м. Мощности отложений, содержащих КГГ, изменяются от 3 до 31 м. КГГ (99% метана) концентрируются в структурно-стратиграфических ловушках. Формирование такого типа залежи обусловлено
развитием осадочной толщи в прибрежной мелководной морской обстановке, осложненной системой стратиграфических несогласий и тектонических нарушений. Это особенно характерно для месторождений, содержащих КГГ и находящихся на прибрежной низменности. Гидраты аккумулируются в песчаниках и конгломератах дельтового и прибрежноморского происхождения эоценового возраста, заполняя на 85% поровое пространство. В некоторых случаях КГГ подстилаются осадками с угольными прослоями (уголь суббитуминозный) мощностью 6-15 м. Помимо ММП в этой области покрышкой могут служить прослои морских алевролитов вышележащей толщи. Залежи КГГ, следуя неотектоническим деформациям, погружаются на северо-восток [Roberts, 2008; Collette et al., 2011; Yonena et al., 2021].
На континентальной окраине севера Аляски КГГ зафиксированы и на суше, и на шельфе. Ширина шельфа 70-120 км, средний уклон 1 м/ км. Сплошная локализация ММП ограничивается изобатой 20 м, далее их распространение имеет прерывистый и островной характер. Мощность ММП на внутреннем шельфе изменяется от 250 до 500 м. По электромагнитным измерениям установлено чередование мерзлых и охлажденных пород, обусловленное действием трансгрессивно-регрессивной цикличности.
На шельфе происходит деградация ММП, их распространение имеет мозаичное распространение. На взморье дельты реки Колвилл (вследствие речного стока) кровля ММП погружается на глубину 250-300 м от поверхности дна, мощность ММП равна 250-300 м. На взморье залива Прадхо кровля ММП залегает на глубине 100-150 м от поверхно-
рис. 4. Распространение газовых и газогидратных месторождений на северном побережье Аляски Точки - положение скважин [Valin, Collett, 1992].
Fig. 4. Gas and gas hydrate field distribution on the Alaska North Slope Points - well position [Valin, Collett, 1992].
сти дна, мощность мерзлых образований - около 300 м. [Sherman, Constable, 2018]. Проявления КГГ встречены на глубине воды 32 м, в осадочной толще ниже 533 м от поверхности дна и на глубине воды 50 м (на расстоянии 754 м от поверхности дна), на траверсе залива Кэмден, уже вне зоны сплошного распространения ММП. Если учитывать, что регион погружается в северо-восточном направлении, то залегание скоплений КГГ на указанных глубинах, подтверждает эту тенденцию. Именно такие глубины, где образовались и сохранились КГГ, определены наличием коллекторов, подобных залежам Прадхо-Бей. Предполагается, что сохранение КГГ в этих местах обусловлено и низкими значениями теплового потока [Phrampus et al.,2014].
По данным бурения и сейсмических исследований на шельфе, в зоне распространения барьерных островов (по-видимому, это реликты пе-лукской (казанцевской) трансгрессии) выявлена следующая тенденция в распределении ММП:
они присутствуют на этих островах, практически исчезают позади них и имеют различные характеристики в лагунах [Ruppel et al., 2016].
Отмечается, что на северном шельфе Аляски наличие пингоподобных структур, и воронок газовых выбросов, и реликтовых КГГ до сих пор не зафиксировано. Измеренная эмиссия метана на шельфе наиболее интенсивна до 20-метровой изобаты. Газ термогенного происхождения с примесью биогенного, подобный по составу залежам КГГ на суше. Природный газ может мигрировать от газовых залежей к поверхности дна по тектоническим нарушениям, через «литологические окна», талики и криопэги. Возможно также, что потоки метана отражают разрушение КГГ [Phrampus et al., 2014; Brothers et al., 2016; Lorenson et al. 2016].
природная обстановка квартера и современности. На рисунке 5 показаны основные черты современного ландшафта севера Аляски, которые
с
Рис. 5. Распространение КГГ и элементы природной среды на континентальной окраине северной Аляски
1 - горная система хребта Брукс; 2 - граница поздневалдайского оледенения (Last glacial maximum); 3 - граница средне-неоплейстоценового оледенения; 4 - озера; 5 - полигональный рельеф; 6 - едома; 7 - песчаный покров; 8 - жильный лед; 9 - подошва ММП; 10 - пластовый лед;; 11 - КГГ; 12 - дюны; 13 - пинго; 14 - эмиссия природного газа; 15 - оползни; 16 -коренные породы; 17 - направление тектонических движений; 18 - тектонические нарушения.
Fig. 5. Natural gas hydrates and recent environment features on the Alaska North Slope continental margin.
1 - Brooks Range; 2 - boundary of the Last Glacial Maximum; 3 - boundary of the middle Pleistocene glaciation; 4 - lakes; 5 -polygonal relief; 6 - Ice Complex (yedoma); 7 - sand sheet; 8 - ice wedge; 9 - permafrost base; 10 - massive ice;11 - natural-gas hydrate; 12 -dune; 13 - pingo; 14 - natural gas emission; 15 - landslide; 16 - bedrock; 17 - tectonic movement direction; 18 - tectonic dislocation.
формировались в течение четвертичного периода. Сохранились следы среднечетвертичного (более мощного) и позднечетвертичного оледенений на склонах хребта Брукса. Мощность четвертичных отложений меняется от 0 до 100 м. Залежи КГГ сформировались на прибрежной равнине. Они расположены на расстоянии 170-250 км от хребта Брукса и его подножия. И горная область, и подножие, и прибрежная низменность находятся в зоне сплошной криолитозоны различной мощности. Под озерами (глубиной > 2м) существуют несквозные талики. На основании геофизических исследований установлено, что мощность таликов может достигать 91 м. В нижних течениях рек развиты и несквозные талики, и криопэги на глубинах 9-29 м. Вследствие резкого уменьшения речного стока зимой наблюдается интрузия морских вод вверх по течению до 50-60 км, после которой
остаются небольшие карманы криопэгов. [Creigh-Шп е; а1., 2018; Stephani е; а1., 2020].
Характерной особенностью северного побережья Аляски является широкое распространение в пределах подножия хребта Брукс ледового комплекса (едомы) (возраст - 48,0-14,3 т.л.н.). Эта область получила название «алевритовый пояс». В ледовом комплексе ледяные жилы могут быть длиною до 3540 м [Kanevskiy е; а1., 2011]. «Алевритовый пояс» расположен в пределах складчато-надвигово пояса хребта Брукс. По устному сообщению Ю.А. Лавру-шина, эти мощные ледяные жилы могут рассматриваться как индикаторы процессов геодинамического сжатия приповерхностной части, земной коры находящейся в мерзлом состоянии. Теория возникновения подобных жил до сих пор не разработана.
На прибрежной равнине встречается пластовый лед - 1,5-3,0 м. В некоторых случаях мощность
такого льда может достигать 6-7 м, с шириной 15 м. Эти образования на острове Бартер прослеживаются на расстоянии около 2 км. Пластовые льды располагаются или непосредственно под активным слоем, или на глубине 6-8 м от дневной поверхности. Горизонты пластового льда сильно деформированы, имеют различную ориентацию в разрезе. Лед стратифицирован, содержит смятые в складки слои осадочного материала и отдельные включения песка и гравия [Kanevskiy et al., 2011]. Влияние ледника исключается. В данном случае такое распределение льда в осадочной толще может фиксировать процесс смещения в современной зоне деформации Кэнинг-Маккензи, в которую входит и о. Бартер. Эта зона является северовосточным продолжением складчато-надвигово пояса хребта Брукс [Hutchinson et al.,2017]. Что подтверждается фиксацией землетрясения в этом районе в настоящее время.
Большие площади прибрежной низменности занимают песчаные покровы (возраст - середина позднего неоплейстоцена-голоцен). Эту область обычно называют «песчаное море». Массив дюн сформировался к западу от р. Колвилл. Материалом для него служат пески формации Губик плиоцен-четвертичного возраста, сформированные неконсолидированными аллювиальными, озерными отложениями с прослоями прибрежно-морских. Мощность песков этого массива может достигать15-30 м. Они не содержат значительного количества льда. Мощность ММП изменяется от 231 до 356 м. Массив интересен тем, что здесь располагаются около 1000 пинго. Считается, что пинго образовались на месте спущенных озер с несквозными таликами и только в тех местах, где талики подстилаются мощными горизонтами песка или гравия. Процесс образования заключается в промерзании этих таликов, что вызывает избыточное давление в оставшейся влаге и сдвижение ее к дневной поверхности. В результате под поверхностью пинго находится ледяное ядро. В настоящее время развивается гипотеза о том, что выброс осадков и льда происходит вследствие эмиссии внутримерзлотного газа или в результате разрушения КГГ [Walker et al., 1985; Kanevskiy et al., 2011; Jorgenson et al., 2015].
По данным сейсмического профилирования установлено множество нарушений, проникающих в осадки позднего кайнозоя, по северному ограничению поднятия Барроу. Начиная с глубин 60-70 м, формируется оползневой пояс по шарнирному сбросу внутреннего шельфа, который образовался в позднем кайнозое. Выделены оползни 2 типов: скользящих блоков и оползни послойного смещения. Оползни послойного смещения характерны для шельфа, смежного с за-
лежами КГГ. Они могут иметь длину 10-43 км и мощность 70-230 м, горизонтальные смещения оползневых масс изменяются от 200 до 2300 м. Проявление оползневой активности фиксируется также на краю шельфа и в верхней части континентального склона, на глубинах 200-300 м, где мощность оползневых тел достигает 100-400 м [Craig et al., 1985]. В оползневой зоне обнаружено распространение приповерхностных тектонических нарушений активных в четвертичное время. Развитие оползневой активности приводит к резкому изменению давления в осадочной толщи, что может вызывать диссоциацию КГГ.
На основании геофизических измерений в районе о. Бартер установлено, что под дном лагуны происходит резкое опускание кровли ММП (на глубину от поверхности дна > 22 м). Отмечается, что скорость деградации ММП составляет 4 см/ год. Предполагается, что это может быть вызвано существованием талика под лагуной, образованного за счет летнего повышения температуры морской воды. Более того он может быть связан с обширным криопэгом на побережье [Pedrazas et al., 2020]. Опускание кровли ММП, может вызывать изменение термобарических условий. В результате - эмиссия внутримерзлотного газа и возможное разрушение скоплений КГГ.
Можно предполагать, что и в более ранние циклы затопления шельфа основное распространение КГГ ограничивалось прибрежной низменностью, как происходит в настоящее время. Вероятно, что сохранение ММП в зоне ограниченной 20-метровой изобатой объясняется более поздним затоплением этой территории в голоцене по сравнению с более глубоким шельфом. На шельфе, как указывалось выше, КГГ встречены на двух участках. Возможно, в области шельфа были распространены реликтовые КГГ, которые диссоциировали при затоплении шельфа. Скорость осадко-накопления в голоцене - 0,06-0,08 см/год, что не способствовало увеличению давления и сохранению КГГ при повышении температуры донных осадков [Phrampus et al., 2014].
КГГ на северном побережье Аляски располагаются на относительно небольших глубинах от дневной поверхности и захватывают территорию нескольких нефтегазовых месторождений. Геологическое строение, активные разломы, режим растяжения сформировали условия для генерации природного газа, часть которого в течение четвертичного периода, в областях мощных ММП, попадая в зону стабильности, трансформировалась в гидраты. Эти образования находятся в стабильном состоянии: помимо покрова ММП они запечатываются и консолидированными породами. КГГ на севере Аляски формировались в относительно
стабильных перигляциальных условиях в течение квартера. Изменения касались поставки обломочного материала на прибрежные низменности. В стадию наступления моря формировались криопэ-ги, которые вместе с таликами нарушали и нарушают толщу ММП. В настоящий момент северное побережье Аляски развивается в межледниковых условиях, и можно предположить, что и в более ранние термохроны КГГ, в стабильных условиях, могли сохраняться > 10000 лет.
На шельфе севера Аляски КГГ практически нет, видимо, и в предшествующие межледниковья здесь происходило разрушение КГГ. КГГ установлены в зоне островного распространения ММП. Нет данных о развитии пингоподобных структур на шельфе, в то время как на побережье массивы гидролакколитов присутствуют на площадях занятыми КГГ. Не обнаружены и воронки газовых выбросов. Метан просачивается в водную толщу естественным путем, диффузионным и струйным процессами, также, в основном, до 20 метровых глубин.
Развитие на шельфе множества активных или реактивированных в квартере тектонических нарушений в большей степени способно влиять именно на скопления КГГ, как на достаточно уязвимое образование. Вертикальные движения в состоянии выводить их из зоны стабильности, как в процессе опускания, так и при воздымании. И горизонтальные, и вертикальные движения изменяют пути миграции природного газа. В результате залежь из стабильной может превратиться
в реликтовую или вновь обратиться в скопление природного газа, либо в деградировать и мигрировать как газовый поток к поверхности дна.
Гравитационные процессы изменяют термобарические условия на отдельных участках шельфа. Развитие оползневой зоны по шарнирному сдвигу на внутреннем шельфе - яркий пример такого явления. В результате в осадочной толще происходит изменение термобарического режима, за счёт проникновение морских вод по плоскости отрыва и удаления блоков осадочного материала. В этой области не обнаружены ММП. Видимо, вместе с исчезновением ММП деградировали и КГГ.
Криогенные гидраты природного газа на континентальной окраине дельты р. Маккензи и смежном шельфе
Особенности геологии и тектоники. Дельта реки Маккензи расположена на границе Арктической Аляски и периферии Канадского кратона, в пределах складчато-надвигового пояса. В позднем миоцене на прилегающем к дельте р. Мак-кензи шельфе произошла реактивация юрско-меловых рифтовых дислокаций и палеоцен-раннеэоценовых структур складчато-надвигового пояса [Lane, 2002]. На юге субаэральная часть дельты ограничена зоной тектонических нарушений Эскимо Лейкс, которая является юго-восточным пределом осадочного бассейна восточной части моря Бофорта (рис. 6). Осадочный чехол (позд-
Рис. 6. Геологический разрез континентальной окраины области дельта р. Маккензи-шельф моря Бофорта, на северо-запад от п-ова Туктояктук [Dixon et al., 2019].
Fig. 6. Geological cross section of the Mackenzie-Beaufort Region continental margin northwest of the Tuktoyaktuk Peninsula [Dixon et al., 2019].
ний мел-квартер) достигает мощности 12-14 км. Более молодая разломная зона субширотного простирания (Тарсьют-Амолигак) разделяет бассейн относительно распространения позднекай-нозойских тектонических нарушений. Активные деформации в этой зоне происходили в олигоце-не и миоцене, некоторая реактивация структур произошла в плиоцене. Плиоцен-четвертичная толща несогласно залегает на кайнозойских и более древних отложениях, мощность ее на шельфе превышает 2 км. Разломные нарушения затухают в позднемиоценовых отложениях и не затрагивают плиоцен-четвертичную толщу, содержащую КГГ (рис. 6). Современный этап развития данной территории определяется как состояние в режиме сжатия, которое характеризуется незначительными деформациями в голоцене и в настоящее время, маломагнитудными землетрясениями (М< 5). Полоса сейсмичности пересекает п-ов Туктояк-тук, далее она направлена на север. Предполагается продвижение складчато-надвигового пояса в северном направлении со скоростью 5 мм/год [Hydman et al., 2005; Dinkelman et al., 2008; Dixon et al. 2019].
залежи кгг и массивы ммп. Дельта р. Мак-кензи и смежный шельф расположены в пределах нефтегазового бассейна. На суше, в дельте из 146 разведочных скважин в 25 обнаружены КГГ. На шельфе из 57 скважин 35 показали присутствие КГГ. По этому, достаточно представительному массиву данных можно полагать, что в этой области КГГ имеют более широкое распространение на шельфе. Все обнаруженные клатратные образования и на суше, и на шельфе находятся в зоне сплошных многолетнемерзлых пород [Majorow-icz, Hanningen, 2000].
Мощная криолитозона распространена до глубин 60 м и постепенно выклинивается к внешнему краю шельфа. Мощность её меняется от 0 до 700 м, она резко сокращается к заливу Маккензи и к югу; максимум наблюдается на севере о. Ричардс и на прилегающем шельфе, к северо-востоку от острова, где сосредоточены КГГ [Burn , Kokelj. 2009; Riedel et al., 2015]. КГГ на о. Ричардс находятся под ММП, в береговой зоне, в интервале глубин 770-1103 м (скважины Маллик, Ивик, Та-глу). Залежи сформировались в антиклинальных ловушках (в песчаниках олигоценового возраста). В данном случае покрышкой служит мерзлота. Залегающая выше миоцен-четвертичная толща представлена неконсолидированными дельтовыми и морскими песками и алевритами с прослоями гравия. На шельфе отложения, содержащие КГГ, залегают в многолетнемерзлой толще и под ней на глубинах, начиная от 500 м от дна и до 1200 м. Кровля ММП находится на глубине
100 м от поверхности дна приблизительно до 20-метровой изобаты. Предполагается, что это явление вызвано распространением вод р. Маккензи. На глубинах 20-60 м положение кровли ММП находится около 50 м от поверхности дна. Далее происходит постепенное поднятие и кровли, и подошвы ММП, и они постепенно выклиниваются на глубине 95м [Tailor et al., 2014].
Скопления КГГ на шельфе локализуются в стратиграфических ловушках (дельтовой толщи), в песках и гравии плиоцен-четвертичного возраста и в структурных (антиклинальных и тектонически экранированных) ловушках, в песчаниках олигоцен-миоценового возраста. Отложения шельфа вне береговой зоны содержат выдержанные горизонты алевролитов и аргиллитов, которые вместе с ММП образуют покрышки для КГГ. По результатам бурения установлено наличие многолетнеохлажденных пород под подошвой ММП. Также существует некоторая связь отложений трансгрессивно-регрессивных циклов со степенью насыщения их льдом. Для глинистых горизонтов трансгрессивных стадий иногда отмечается отсутствие льда, а в осадках регрессий часто лед присутствует в основании разреза. [Ma-jorowicz, Hanningen, 2000; Blasco et al., 2013].
природная обстановка квартера и современности. Распространение КГГ в дельте р. Мак-кензи и на прилегающем шельфе показано на рисунке 7.
Границы распространения покровных оледенений, особенно поздненеоплейстоценовых, являются дискуссионным вопросом для северо-запада Канады. Эта область и прилегающий шельф большую часть квартера развивалась в перигляциаль-ных условиях. Признается присутствие ледника в плиоцене. Относительно распространения Лаврентийского ледникового щита в позднем неоплейстоцене имеются разногласия. Одними исследователями определяется протяжение ледника до дельты р. Маккензи в раннем Висконсине (валдае), другими - в позднем Висконсине (валдае). Для существования КГГ определяющее значение имеет последнее оледенение, когда существенно менялись термобарические условия. Границы последнего ледникового максимума (поздний валдай) тоже не фиксируются однозначно. Предполагается, что район дельты р. Маккензи и прилегающий шельф покрывался ледником мощностью 100-300 м [Murton, 2009]. В более поздних работах указывается [Batchelor et al., 2013], что о-в Ричардс (восточная часть дельты) находился во фронтальной части Лаврентийского щита, шельф оставался свободным ото льда (рис. 8).
Независимо от времени захвата ледником района дельты р. Маккензи, видимо, на шельф прони-
Рис. 7. Распространение КГГ и элементы природной среды в дельте р. Маккензи и на прилегающем шельфе 1 - предполагаемое положение поздневалдайского ледника; 2- полигональный рельеф; 3 - озера; 4 - пластовый лед; 5 -подошва ММП; 6 - жильный лед; 7 - песчаный покров; 8 - дюны; 9 - КГГ; 10 - пинго;11 - пингоподобные структуры; 12 -газовые воронки взрыва; 13 - грязевые вулканы; 14 - оползни; 15 - направление тектонических движений; 16 - тектонические нарушения.
Fig. 7. Natural gas hydrates and recent environment features in Mackenzie delta and adjacent shelf 1 - inferred ice sheet margin during Last Glacial Maximum; 2 - polygonal relief; 3 - lake; 4 - massive ice; 5 - permafrost base; 6 -ice wedge; 7 - sand sheet; 8 - dune; 9 - natural gas hydrates; 10 - pingo; 11 - pingo-like features; 12 - pockmarks; 13 - mud volcano; 14 - landslide; 15 - tectonic movement direction; 16 - tectonic dislocation.
кали отдельные гляциальные потоки. Более того, предполагается, что этот процесс продолжался относительно короткий срок от 17,5 до 15,0 т.л.н. Основная активность проявлялась в термохроны в действии флювиогляциальных потоков, приуроченным к трогам заливов (залив Маккензи, Ливерпульский залив, залив Амундсена) [Batchelor е; а1., 2013].
Современная дельта, прилегающая к заливу Маккензи, имеет голоценовый возраст. Ее восточная часть, видимо, находилась в пограничной зоне Лаврентийского ледникового щита и, вероятно, подвергалась воздействию окраинного маломощного ледникового покрова (5-300 м).
В дельтовых отложениях встречаются пластовые льды, широко распространены повторно-жильные льды. Пластовые льды о. Ричардс и п-ова Туктояктук могут иметь мощность 2-10 м, зале-
гать между глубинами 6-25 м, реже - на глубинах > 46 м. Чаще можно обнаружить линзы и прослои льда мощностью 0,5-1 м. Горизонты пластового льда часто смяты в пологие складки. На востоке о. Ричардс блоки пластового льда формируют холмистый рельеф. Холмы высотой 20-30 м и длиной до 800 м в основании содержат лед мощностью около 10 м и более.
Большое количество доказательств гляцио-динамических дислокаций обнаружено на п-ове Туктояктук. В обнажениях часто встречаются льды, залегающие наклонно, смятые в складки и раздробленные в результате ледниковой деформации. Там же встречаются толщи ММП, деформированные глубину 5-20м (протяженность 20-300 м) фронтальными лопастями поздневалдайского ледника. В разрезе гляциотектонит состоит из массива, где верхний слой - 2-5 м кол-
рис. 8. Граница поздневалдайского ледника (синяя линия) и его зоны эрозии и аккумуляции в районе дельты р. Маккензи [Batchelor et al., 2013]
MT- ледниковые поток залива Маккензи;AG - ледниковый поток залива Амундсен с конусом выноса; на севере - пролив Мак-Клур. Зоны эрозии показаны коричневым цветом, ледниковые отложения - красным цветом, конусы выноса -желтым.
Fig. 8. Ice sheet margin during Last Glacial Maximum (blue line) and zones of erosion and deposition in delta Mackenzie area [Batchelor et al., 2013]
MT- Mackenzie Bay ice stream; AG - Amundsen Gulf ice stream and fan; on north - M'Clure Strait ice stream. erosion in brown, subglacial till in red, trough-mouth fans in yellow.
лювия, далее - насыщенный льдом диамиктон с грубым материалом с отдельными блоками льда, с жильным льдом. В основании разреза залегает смятая в складки толща льда (около 4 м), которая подстилается оползневыми отложениями. Массив льда может быть как базальным ледниковым, так и внутриседиментационным пластовым [Dallimor et al., 1996; Murton et al., 2004]. Типичный разрез отложений, содержащих пластовый лед (по данным бурения), на п-ове Туктояктук состоит из торфа, подстилаемого песком (2м); 10 м сегрегационного льда с прослоями песка; глины с гравием с прослоем льда (3 м); гляциального льда 14 м [Rampton, 1988; Calvert et al., 2001].
По этим данным можно судить о значительных деформациях четвертичных отложений в результате ледниковой активности, вследствие чего со-
хранение реликтовых КГГ в зоне действия ледника становится маловероятным.
Огромные массы осадочного материла перемещались Лаврентийским ледником к восточной части моря Бофорта, создавая области лавинной седиментации в квартере. На поверхности дельты встречаются дюны (30-13 т.л.н.) и песчаные покровы (14-8 т.л.н.). Значительные массы песка (возраст 70-27 т.л.н.), переносимые эоловыми процессами, образовались в результате функционирования крупной флювиальной системы, которая состояла из двух систем: Палеопоркьюпайн и Палеомаккензи, которые потом разделилась на несколько рек, в том числе р. Маккензи. Данная система перемещала в море Бофорта и аллювий, и флювиогляцианые осадки. Эти флювиальные отложения послужили материалом для образования и дюн, и песчаных покровов [Murton et al., 2017].
Талики мощностью 20-40 м обнаружены под мелкими озерами (глубина < 2 м) диаметром 100200 м. Под крупными озерами формируются талики, глубина которых установлена на основании данных бурения и моделирования, и может достигать 300 м. Предполагается, что эти молодые озера не имеют аналогов на шельфе. В нижнем течении р. Маккензи, под распределительными рукавами выявлены сквозные талики [Majorowicz et al., 2015; Stephani et al., 2020]. Одним из объяснений больших глубин подозерных таликов может быть взрывная миграция природного газа из внутримерзлотных отдельных скоплений или свободного метана, либо газа из разрушенных КГГ.
Область дельты р. Маккензи считается самой насыщенной гиролакколитами в мире. Высота их изменяется от 1 до 23 м, диаметр - от 20 до 980 м. Центральная часть структуры содержит массивный лед, который образуется путем выдавливания оставшейся воды талика. Обычно, эти структуры возникают на месте дренированных озер, которые подстилаются толщей песков. Предполагается, что они начали формироваться в голоцене, некоторые из них продолжают расти в настоящее время.
На шельфе распространены пингоподобные структуры, они концентрируются между трогами. Предложена модель образования пингоподобной структуры на шельфе. В отличие от субаэральных пинго, подводные гидролакколиты имеют высоту около 18 , диаметр 1-2 км, окружены рвом глубиной 10-20 м и тектоническими нарушениями. Пингоподобные структуры сложены доголоцено-выми осадками, содержащими около 30% пресного льда. Над этими структурами зафиксированы повышенные концентрации биогенного метана. Считается, что эти структуры образуются вследствие диссоциации внутримерзлотных (видимо, реликтовых) КГГ [Pauli et al., 2007]. Следует ска-
зать, что эти структуры сформировали подводный ландшафт голоценового возраста, обусловленный миграцией природного газа, из разрушенных КГГ. Также на шельфе встречаются глиняные диапиры, обнаружено множество воронок газовых выбросов (pockmark), происхождение которых связано либо с эмиссией приповерхностного биогенного метана, либо с диссоциацией КГГ. Стоит обратить внимание на формирование и положительных (пингоподобные структуры), и отрицательных форм рельефа (воронки газовых выбросов), происхождение которых связывают с диссоциацией КГГ. Первые, как указывалось выше, отличаются медленным ростом за счет выдавливания мерзлых осадков, насыщенных газом к поверхности морского дна. Происхождение воронок газовых выбросов объясняют активностью нескольких процессов, в основе которой лежит перемещение газовых флюидов различными путями в водную толщу. Это могут быть выходы газа через литоло-гические окна, талики, тектонические нарушения. Землетрясения могут провоцировать значительные выбросы. После эмиссии газа осадки, затронутые этим процессом, проседают, и образуется воронка. Источником природного газа могут служить КГГ.
Особенная динамическая активность наблюдается на внешнем шельфе и в верхней части континентального склона (100-300 м), где выклиниваются и ММП, и КГГ. Здесь обнаружено 40 активных мест разгрузки природного газа, 700 грязевых вулканов. Предполагается, что они образовались в позднем голоцене, в ответ на затопление шельфа. Окраина шельфа демонстрирует массовое перемещение осадков (крип), которое в разрезе фиксируется по трещинам растяжения и растущим разрывам. Край шельфа и континентальный склон - область развития оползневых процессов, обнаружены массивы блоков. В некоторых случаях оползневые тела покрыты отложениями зерновых потоков [Blasko et al., 2013; Saint-Ange et al., 2014].
Стоит обратить внимание на значительный сток реки Маккензи и насыщение пресной водой поро-вого пространства шельфовых отложений за счет руслового и подруслового стока, дельта остается пресноводной в течение всего года. Доказано существование мощной системы подземных вод на шельфе, которая могла образоваться либо в дочет-вертичное теплое время, либо за счет ледниковых вод и участвовать в формировании КГГ. Шельф отличается весьма высокими скоростями осадко-накопления в голоцене - 0,8 см/год [Gwiazda et al., 2018; Stephani et al., 2020; Phramus et al., 2014].
Область дельты р. Маккензи и прилегающего шельфа представляет собой протяженный мас-
сив сплошного распространения мощных ММП. Большая часть скоплений КГГ аккумулируется на шельфе. КГГ субаэральной части дельты р. Маккензи залегают только под покрышкой ММП. Этим и развитием в пограничной гляциальной обстановке объясняется лимитированная часть скоплений КГГ на суше по сравнению с шельфом.
Область дельта р. Маккензи-шельф в квартере эволюционировала при активной динамике природных процессов. В течение четвертичного периода фронт Лаврентийского ледника находился либо в непосредственной близости от территории современной дельты, либо оказывал влияние через флювиогляциальные и/или аллювиальные системы потоков. В результате был сформирован мощный покров отложений мощностью 2-4 км.
Нефтегазовый бассейн дельта Маккензи -шельф моря Бофорта веерообразно расширяется на континентальном шельфе. Тектонические ограничения бассейна почти совпадают с ледниковыми структурами (трог залива Маккензи, трог залива Амундсен). Начиная с плиоцена, в этой области происходит катастрофическое изменение климата в сторону похолодания. На фоне этого события происходит неоднократное наступание ледникового щита, развитие льдов на шельфе, что привело к формированию мощной толщи ММП. КГГ в дельте сохранились на большой глубине в стабильных условиях. Метастабильные КГГ либо не могли образоваться, либо начали разрушаться в голоцене. Происхождение газовых воронок взрыва, пинго, пингоподобных структур, грязевого вулканизма, глиняных диапиров связано с изменением термобарических условий, которые после исчезновения ледника испытывают влияние современного геодинамического режима и климатических изменений.
Основная масса и нефтяных, и газовых залежей, и скоплений КГГ имеет место на шельфе. Можно предположить, что под воздействием и ледникового покрова, и надвигово пояса углеводороды мигрировали из континентальных ловушек на север, на шельф. ММП формировались в субаэральной обстановке, во фронтальной зоне ледника. Под влиянием относительно теплой водной массы кровля ММП опускается, а вышележащая толща переходит в многолетнеохлажден-ное состояние. Слоистое строение криолитосфе-ры даже при незначительных уклонах поверхности шельфа провоцирует медленное скольжение слоя многолетнеохлажденных в сторону океана. При достижении осадками края шельфа этот процесс переходит в оползневой и генерирует мощные выбросы природного газа различного генезиса (внутримерзлотного, подмерзлотного и из разрушенных КГГ).
Обсуждение
Все известные залежи и скопления КГГ приурочены к нефтегазовым месторождениям. Нефтегазовые бассейны начинают формироваться задолго до четвертичного времени. В течение развития этих структур создаются коллекторские толщи, пути миграции флюидов и покрышки. На прибрежных низменностях и шельфе моря Бофорта четко проявилось влияние природных изменений в квартере на формирование и сохранение КГГ.
Вышеизложенный материал позволяет выделить ключевые природные позиции, которые оказывают существенное влияние на устойчивость и уязвимость отложений, содержащих КГГ (таблица).
По приведенным в таблице характеристикам условий существования КГГ на современном этапе эволюции арктического региона можно судить о различие в перспективе их сохранения. В течение четвертичного периода (в криохроны) наличие природного газа и ловушек, сформированных в раннем кайнозое, привело к образованию гидра-
тов в области прибрежных низменностей и шельфа моря Бофорта. Появились массивы мощных ММП. На континентальной окраине севера Аляски стали аккумулироваться КГГ на меньших глубинах, чем в районе дельты Маккензи. Современная геодинамическая ситуация региона (в зонах со скоплениями КГГ) в общих чертах мало чем отличается. Однако, наблюдаются отличия в магнитуде землетрясений и в скорости горизонтальных смещений, что обособляет неотектонический сценарий развития района дельта р. Маккензи - шельф моря Бофорта. Это проявляется в рельефе и прибрежной низменности, и шельфа. В тоже время присутствие современных активных разломов на севере Аляски с одной стороны создает возможность постоянного притока природного газа к клатратным скоплениям, а с другой провоцирует нарушения целостности осадочного чехла, приводя к изменению давления и разрушению КГГ.
Поверхностные и подземные воды изменяют строение массива ММП и косвенным образом влияют на стабильность КГГ. Поверхностный
Таблица. Основные характеристики залежей КГГ и возможные процессы, приводящие к их разрушению
^^ОБЛАСТЪ ХАРАКТЕРИСТИКИ^^ СЕВЕРНОЕ ПОБЕРЕЖЬЕ АЛЯСКИ ДЕЛЬТА МАККЕНЗИ-ШЕЛЬФ МОРЯ БОФОРТА
СУША МОРЕ СУША МОРЕ
Мощность ММП (м) 350-660 250-500 (до глубины 20 м) 700 700 (до края шельфа)
Глубина залегания кровли КГГ (м) 250-600 533,754 770-820 500-1200
Магнитуда землетрясений 3,5 3,5 <5 <5
Направление вертикальных движений 4 4 4 4 мм/год 4
Скорость горизонтальных движений (мм/год) 0.1-1,0 0,1-1,0 5,0 5,0
Распространение пинго + — + + (пинго подобные структуры)
Воронки газовых выбросов - — + +
Эмиссия метана + До изобаты 20 м, на глубине 300 м + 90-120 м
Оползни Редкие (в береговой зоне) На глубинах 60-70 м и 200-300 м П-ов Туктояктук, по ледниковым отложениям На глубинах 120-300 м
Грязевые вулканы, глиняные диапиры — — — +
Подземные воды Криопэги, талики Талики Талики Пресноводный бассейн
Скорость осадконакопления в голоцене (мм/год) 0,4—1.3 0,6-0,8 — 8,0
Скорость поднятия уровня моря (мм/год) — 2 — 3
речной сток на шельфе моря Бофорта вызывает деградацию ММП по кровле. Характерное явление для полярных областей - талики: нарушают ММП и вызывают диссоциацию КГГ. В зоне КГГ, на Аляске большое распространение получили криопэги, в то время как на востоке региона пресноводный подземный сток поддерживает стабильность ММП и косвенно влияет на продолжительность существования КГГ.
На формирование ММП значительное влияние оказало оледенение поздневалдайского времени. Северная часть дельты р. Маккензи и прилегающий шельф располагались во фронтальной зоне Лаврентийского щита весь четвертичный период и ММП достигали, видимо, мощностей значительно превышавших наблюдаемые величины сегодня. Несмотря на современное разрушение ММП и по кровле, и по подошве, они остаются мощной покрышкой для КГГ. Одним из факторов, определяющих стабильность залежей и скоплений КГГ, является скорость осадконакопления. Область шельфа смежного с дельтой р. Маккензи является областью лавинной седиментации. Это создает избыточное давление в осадочном чехле и укрепляет зону стабильности КГГ. И скорость осадконакопления, и скорость подъема уровня моря учитывается при моделировании распространения ММП на шельфе.
Поздневалдайское оледенение ограничивалось верхней частью хребта Брукс. Единичные ледники спускались по долинам, не выходя за пределы горного подножия. Однако залежи КГГ расположены близко к северо-восточному окончанию этого хребта, где ледники ближе всего подходили к побережью. И здесь сформировались самые мощные ММП. Если предположить, что мощность ММП на шельфе севера Аляски после поздневал-дайского криохрона была меньше, чем на взморье дельты р. Маккензи. Тогда, возможна версия, что современная трансгрессия влияет на деградацию ММП на шельфе, и их распространение имеет прерывистый или островной характер. Вероятно, и влияние открытия Берингова пролива (13-11 т.л.н.) с проникновением теплых тихоокеанских вод на акваторию северной Аляски. Однако этот эпизод в истории развития шельфа моря Бофорта остается дискуссионной проблемой. Массив ММП, развитый на шельфе, в регрессивную стадию уже был нарушен подрусловыми, подозер-ными таликами. Малые скорости осадконакопле-ния не смогли предотвратить процесс деградации ММП. В последниковую трансгрессию сплошное залегание ММП превратилось скорее в островное, чем в прерывистое. Об этом свидетельствуют единичные случаи обнаружения стабильных КГГ на шельфе. Реликтовые КГГ, как уязвимое образо-
вание, могли исчезнуть уже на начальных этапах трансгрессии на фоне действия активных тектонических нарушений.
В настоящее время природные обстановки и на континентальной окраине Аляски, и в дельты р. Маккензи, в местах локализации КГГ относятся к полярной зоне (рис.5, рис.7). На современном этапе развития, в моноклиматической ситуации, обе области обладают подобными предпосылками для сохранения залежей КГГ при развивающемся потеплении. Их сосредоточенность в стабильных условиях суши под мощными ММП, на различных глубинах, или на шельфе с дополнительным давлением водной толщи и при активном осадко-накоплении позволяет предполагать, что КГГ на континентальной окраине моря Бофорта могут просуществовать продолжительное время.
Если исходить из положения, что КГГ в ледниковые периоды были обычным явлением, возникает вопрос, - сохранились ли на континентальной окраине моря Бофорта реликтовые КГГ. В дельте р. Маккензи, вероятно, динамика края ледника не позволила законсервироваться значительным площадям реликтовых КГГ на суше. В то время как шельфовые пространства, видимо, были насыщены и реликтовыми КГГ, и внутримерзлотными газами. Процесс их разрушения является отражением процессов активной геодинамики (оползни, воронки газовых выбросов, грязевой вулканизм, глиняные диапиры, пингоподобные структуры). В области континентальной окраины северной Аляски, на шельфе реликтовые КГГ, видимо уже деградировали во время действующей послеледниковой трансгрессии. КГГ на прибрежной низменности залегают на небольших глубинах, но в зоне стабильности. По-видимому, не было необходимых и достаточных условий для образования КГГ на меньших глубинах в позднем валдае.
По времени образования КГГ можно разделить на две группы. Первую, раннюю, следует назвать эпикриогенной. КГГ этой группы образовались в кайнозойских отложениях на начальной стадии формирования криолитозоны. КГГ второй группы следует считать синкриогенными. Они аккумулировались непосредственно в мерзлых породах квартера.
По характеру распределения КГГ в разрезе осадочной толщи обеих областей выделяются следующие типы. Внутримерзлотные КГГ, которые могут быть реликтовыми или стабильными. Реликтовые КГГ (дельта р. Маккензи, прилегающий шельф) находятся на меньших глубинах, имеют ограниченный источник питания (межмерзлотный биогенный газ), становятся уязвимыми при изменении природной среды. Внутримерзлотные стабильные КГГ (северное
побережье Аляски, канадский шельф моря Бофорта) смешанного происхождения. Источником газа служат биогенный межмерзлотный газ и термогенный, поступающий по тектоническим нарушениям из газовых залежей с больших глубин. кгг, сконцентрированные по подошве ммп (северное побережье Аляски, канадский шельф моря Бофорта). Это динамичное образование, которое находится в зависимости от факторов определяющих как вертикальное, так и латеральное перемещение осадочной толщи и изменение термобарических характеристик (геодинамика, экзогенные процессы). Данные КГГ могут исчезать и вновь формироваться. подмерзлотные кгг (северное побережье и шельф Аляски, дельта р. Маккензи и канадский шельф моря Бофорта), расположенные в зоне стабильности КГГ и являющиеся наиболее устойчивыми при изменении природных условий, влияющих на термобарические показатели.
По данным, приведенным в первой части статьи, относящимся к характеристикам природных процессов, действующих на континентальной окраине моря Бофорта и по строению ММП можно выделить индикаторы проявления современной геодинамики в верхней части осадочного чехла. индикаторы проявления горизонтальных смещений: а) пластовые льды в толще ММП (прибрежные низменности моря Бофорта), которые отражают практически горизонтальные движения по плоскости скольжения; б) деформированные пластовые льды по наклонным плоскостям скольжения в виде надвигов и пологих складок (прибрежные низменности севера Аляски). В некоторых случаях внутримерзлотные КГГ могут иметь прерывистое послойное четковидное залегание. индикаторы проявления процессов сжатия
представлены крупными ледяными жилами ледового комплекса (подножие хребта Брукс); такая геодинамика фиксируется также по грязевому вулканизму, глиняным диапирам, образованию пин-гоподобных структур (канадская континентальная окраина). индикаторы проявления процессов растяжения представлены развитием активных разломов (сбросы), очагами эмиссии природного газа (континентальная окраина севера Аляски).
заключение
Залежи и скопления КГГ генетически привязаны к нефтегазовым бассейнам и формируются, и сохраняются при существовании мощных массивов ММП. На современном этапе КГГ арктических областей (сформированные и в перигляци-альных, и в гляциальных условиях) развиваются в моноклиматической ситуации. На распространение КГГ оказывали и оказывают значительное
влияние оледенения квартера, криогенные и геодинамические процессы. Природные обстановки современного термохрона позволяют сохраняться КГГ, находящихся в зоне стабильности. Однако следует учитывать возможные изменения термобарических условий, следующих за деградацией ММП. По времени образования КГГ относительно развития криолитозоны определены две группы: эпикриогенная и синкриогенная. Для этого региона выделены 4 типа КГГ относительно их расположения в ММП и под ними. Установлены индикаторы проявления современных геодинамических процессов, влияющих на сохранение КГГ.
Рассмотрение системы природообразующих процессов, действующих на континентальной окраине моря Бофорта в квартере, позволяет определить, что:
• КГГ в области дельта р. Маккензи-шельф моря Бофорта формировались во фронтальной зоне Лаврентийского ледника и под влиянием складчато-надвигово пояса. Следствием динамики фронта ледника стало ограниченное распространение КГГ на прибрежной низменности и частая встречаемость их на шельфе. На современном этапе наблюдается нарушение сплошности ММП, вызываемое изменением термобарических условий, что приводит к выбросам внутримерзлотного природного газа и разрушению реликтовых КГГ.
• КГГ на континентальной окраине севера Аляски аккумулировались в перигляциальных условиях, в режиме растяжения. В этой области, на суше обнаружены значительные площади со скоплениями криогенных гидратов, находящихся в зоне стабильности. На шельфе КГГ встречаются редко. Это может объясняться прерывистым и островным распространением ММП на шельфе под влиянием современной трансгрессии (с развитием криопэгов и таликов), длительным погружением, и действием активных разломов в квар-тере.
Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность Ю.А. Лаврушину за ценные советы и конструктивные замечания.
Исследования проведены в соответствии с планами научно-исследовательской работы ГИН РАН «Тектоника, магматизм и осадконакопление в геологической истории арктической и тихоокеанской континентальных окраин Северо-Востока Азии» (№ в плане НИР 0135-2019-0078).
литература
Друщиц В.А. Условия существования криогенных гидратов природного газа на российской континентальной окраине. Материалы IX международной научно-практической конференции «Морские ис-
следования и образование» 26-29 октября. Москва 2020. Т.1. С.51-54 Друщиц В.А., Садчикова Т.А. Природные условия образования и сохранения континентальных гидратов метана на арктических континентальных окраинах // Бюлл. комис. по изуч. четв. периода. М.: ГЕОС.
2017. № 75. С. 135-146.
Друщиц, В. А., Садчикова Т.А. Эволюция криогенных скоплений гидратов природного газа в арктических регионах в квартере // Вестник Кольского научного центра РАН. 2018. № 3 (10). С. 147-151. Якушев В.С., Перлова Е.В., Махонина Н.А. и др. Газовые гидраты в отложениях материков и островов// Российский хим. ж. Т. XLVII. № 3. 2003. С. 80-90. Batchelor C.L., Dowdeswell J.A., Pietras J.T. Variable history of Quaternary ice-sheet advance across the Beaufort Sea margin, Arctic Ocean // Geology.2013. Vol. 41. № 2. P. 131-134. Blasco S., Bennett R., Brent, T. et al. 2010 State of Knowledge: Beaufort Sea Seabed Geohazards Associated with Offshore Hydrocarbon Development // Geological Survey of Canada, Open File 6989. 2013. 340 p. doi:10.4095/292616 Brothers L.L., Herman B.M., Hart P.E. et al. Subsea ice-bearing permafrost on the U.S. Beaufort Margin: 1. Minimum seaward extent defined from multichannel seismic reflection data // Geochem. Geophys. Geosyst. 2016. V 17. P. 4354-4365 Burn C.R., Kokelj S.V. The Environment and Permafrost of the Mackenzie Delta Area // Permafrost and Periglac. Process. 2009. Vol. 20. P. 83-105. Calvert H.T., Dallimore S.R., Hunter J.A. Application of geophysical technique for mapping ice bearing sediments, MacKenzie delta, Western Arctic, Canada // Conference on the geophysical detection of subsurface water on Mars. 2001 Carmen G.J. Hardwick P. Geology and Regional Setting of Kuparuk Oil Field, Alaska // Am. As. of Pet. Geol. Bul. 1983. V 67. № 6. P. 1014-1031 Creighton A.L., Parsekian A.D., Angelopoulos M. et al. Transient electromagnetic surveys for the determination of talik depth and geometry beneath thermokarst lakes // Journal of Geophysical Research: Solid Earth.
2018. 123. https://doi.org/10.1029/2018JB016121 Collet T.S., Myung L.W., Agena W.F. et al. Permafrost-associated natural gas hydrate occurrences on the Alaskan North Slope // Marine and Petroleum Geol. - 2011.-Vol. 28.- P. 279-294.
Dallimore S.R., Wolfe S.A., Solomon S.M. Influence of ground ice and permafrost on coastal evolution, Richards Island, Beaufort Sea coast, N.W.T // Canadian Journal of Earth Sciences.- 1996. V. 33. P. 664-675. Dietrich J.R., Coflin K.C., Lane L.S. et al. Interpretation of deep seismic reflection data, Beaufort Sea, Arctic Canada // Geological Survey of Canada. 1989. Open File 2106.
Dinkelman M., Kumar N., Helwig J. et al. Highlights of Petroleum and Crustal Framework of the Beaufort-Mackenzie Basin: Key Results from Beaufort SPAN East Phases I and II Surveys // CSEG Recorder. 2008. № 9. P. 22-25
Dixit N.C., Hanks C.L., Wallace W.K. et al. In situ stress variations associated with regional changes in tectonic setting, northeastern Brooks Range and eastern North Slope of Alaska // AAPG Bulletin. 2017. V 101. № 3. P. 343-360.
Dixon J., Lane L.S., Dietrich J.R. et al. Geological History of the Late Cretaceous to Cenozoic Beaufort-Mackenzie Basin, Arctic Canada. Ch. 17. // The Sedimentary Basins of the United States and Canada. Elsevier. 2019. P. 695-717.
Houseknecht D.W., Bird K.J., Garrity C.P. Assessment of undiscovered petroleum resources of the Arctic Alaska Petroleum Province // U.S. Geological Survey Scientific Investigations Report 2012-5147. 2012. 26 p.
Hyndman R.D., Cassidy J.F., Adams J. et al. Earthquakes and Seismic Hazard in the Yukon-Beaufort-Mackenzie // CSEG Recorder. 2005. № 5. P. 32-67.
Hutchinson D.R., Jackson H.R., Houseknecht D.W. et al. Significance of northeast-trending feature in Canada Basin, Arctic Ocean // Geochemistry, Geophysics. Geosystems. 2017. V. 18. P. 4156-4178.
Gwiazda R.P., Dallimore S.K., Melling S.R. et al. Freshwater seepage into sediments of the shelf, shelf edge, and continental slope of the Canadian Beaufort Sea. Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 2018. V 19. P. 3039-3055.
Jorgenson M.N., Kanevskiy M., Shur Yu. et al. Permafrost database development, characterization and mapping for Northern Alaska. Final report. 2015. http://arcticlcc. org/projects/ALCC2012-10.
Kanevskiy M., Shur Y., Fortier D. et al. Cryostratigraphy of late Pleistocene syngenetic permafrost (yedoma) in northern Alaska, Itkillik River exposure // Quaternary Research. 2011. V. 75. P. 584-596
Kanevskiy M.Z., Shur Yu. L., Jorgenson M.T. et al. Permafrost of Northern Alaska // Proceedings of the Twenty-first International Offshore and Polar Engineering Conference Maui, Hawaii, USA. 2011. P. 1179-1186.
Koehler R.D., Carver G.A. Active faults and seismic hazards in Alaska // Alaska Division of Geological & Geophysical Surveys. 2018. Miscellaneous Publication 160. 59 p.
Lane L.S. Tectonic Evolution of the Canadian Beaufort Sea - Mackenzie Delta Region: A Brief Review // CSEG Recorder. 2002. № 2. P. 49-56.
Lorenson Th. D., Greinert J., Coffin R.B. Dissolved methane in the Beaufort Sea and the Arctic Ocean, 19922009; sources and atmospheric flux // Limnol. Ocean-ogr. 2016. V.61. P.300-323.
Majorowicz J.A., Hanningen P.K. Natural gas hydrates in the offshore Beaufort-Mackenzie Basin - study of feasible energy source II // Natural Resources Research. 2000. Vol. 9. № 3. P. 201-214.
Majorowicz J., Ocadetz R., Safanda J. Model of Talik // Permafrost gas Hydrate Histories - Beaufort Mackenzie Basin, Canada // Energies. 2015. № 8. P. 6738-6764.
Mazzotti S, Leonard L.J., Hyndman R.D. et al. Tectonics, Dynamics, and Seismic Hazard in the Canada-Alaska Cordillera // Geophysical Monograph Series. 2008. 179. P. 297-319.
Mestdagh T., Poort J., De Batist M. The sensitivity of gas hydrate reservoirs to climate change: Perspectives from a new combined model for permafrost-related and marine settings // Earth-Science Reviews. 2017. V 169. P. 104-131.
Moore T.E., Box S.E. Age, distribution and style of deformation in Alaska north of 60°N: Implications for assembly of Alaska // Tectonophysics. 2016. V691. P.133-170.
Murton J.B., Waller R.I., Hart J.K. et al. Stratigraphy and glaciotectonic structures of permafrost deformed beneath the northwest margin of the Laurentide ice sheet, Tuktoyaktuk Coastlands, Canada // J. of Glaciology. 2004. V. 50. №.170. P. 399-412.
Murton J.B. Stratigraphy and Palaeoenvironments of Richards Island and the Eastern Beaufort Continental Shelf during the Last Glacial-Interglacial Cycle // Permafrost and Periglac. Process. 2009. V.20. P. 107-125.
Murton J.B., Bateman M. D., Telka A. M. et al. Early to Mid Wisconsin fluvial deposits and palaeoenvironment of the Kidluit Formation, Tuktoyaktuk Coastlands, western Arctic Canada // Permafrost and Periglacial Processes. 2017. V 28. P. 523-533.
Paull C.K., Ussler W., Dallimore S.R. et al. Origin of pingo-like features on the Beaufort Sea shelf and their possible relationship to decomposing methane gas hydrates // Geophys. Res. Lett. 2007. V. 34. L01603. doi:10.1029/2006GL02
Pedrazas M.N., Cardenas M.B., Demir C et al. Absence of ice-bonded permafrost beneath an Arctic lagoon revealed by electrical geophysics // Science Advances. 2020. V. 6. № 43. eabb5083 DOI: 10.1126/sciadv. abb5083
Peltier W.R., Argus D.F., Drummond R. Space geodesy constrains ice age terminal deglaciation: The global ICE-6G_C (VM5a) model // J. Geophys. Res. Solid Earth. 2015. V.120. P. 450-487, doi:10.1002/2014JB011176
Phrampus B.J., Hornbach M.J., Ruppel C.D. et al. Widespread gas hydrate instability on the upper U.S. Beaufort margin // J. Geophys. Res. Solid Earth. 2014. V. 119. P. 8594-8609, doi:10.1002/2014JB011290
Rampton V.N. Quaternary geology of the Tuktoyaktuk coastlands, Northwest Territories // Geological survey of Canada. 1988. Memoir 423. 98 p.
Riedel M., Brent T.A., Taylor G. et al. Evidence for gas hydrate occurrences in the Canadian Arctic Beaufort Sea within permafrost-associated shelf and deep-water marine environments // Marine and Petroleum Geol. 2017. Vol. 81. P. 66-78.
Roberts S.B. Geologic assessment of undiscovered, technically recoverable coalbed-gas resources in Cretaceous and Tertiary rocks, North Slope and adjacent State waters // Alaska: U.S. Geological Survey. 2008. Digital Data Series DDS-69-S, Chap.2. 95 p.
Ruppel C.D., Herman B.M., Brothers L.L. et al. Subsea ice-bearing permafrost on the U.S. Beaufort Margin: 2. Borehole constraints // Geochem. Geophys.Geosyst. 2016. V. 17. P. 4333-4353.
Saint-Ange F., Kuus P., Blasco S. et al. Multiple failure styles related to shallow gas and fluid venting, upper
slope Canadian Beaufort Sea, northern Canada // Marine Geology. 2014. V 355. P. 136-149. Schenk O., Magoon L.B., Bird K.J. et al. Petroleum system modeling of northern Alaska // Basin Modeling: New Horizons in Research and Applications: AAPG Hedberg Ser. 2012. № 4. P. 317-338 Sherman, D., Constable S. Permafrost extent on the Alaskan Beaufort shelf from surface-towed controlled-source electromagnetic surveys // J. of Geophys. Res.: Solid Earth. 2018. V123. P. 1-13. Stephani E., Drage J., Miller D. et al. Taliks, cryopegs, and permafrost dynamics related to channel migration, Colville River Delta, Alaska // Permafrost and Periglac Process. 2020. V. 31. P.239-254. Stotler R. L., Frape S.K., Ahonen L., et al. Origin and stability of a permafrost methane hydrate occurrence in the Canadian Shield // Earth and Planetary Science Letters 2010. V. 296. P. 384-394. Taylor, A.E., Dallimore, S.R., Hill, P.R. et al. Numerical model of the geothermal regime on the Beaufort Shelf, arctic Canada since the last Interglacial // J. Geophys. Res. Earth Surf. 2014. V. 118. P. 2365-2379. Valin Z.C., Collett T.S. Molecular and isotopic analyses of the hydrocarbon gases within gas hydrate-bearing rock units of the Prudhoe Bay-Kuparuk River are in Northern Alaska // Open-file Report 92-299. US Geological Survey. 1992. 82 p. Walker D. A., Walker M. D., Everett K. R. et al. Pingos of the Prudhoe Bay Region, Alaska // Arctic and Alpine Research. 1985. V. 17. № 3. P. 321-336 Yoneda J., Jin Y., Muraoka M. et al. Multiple physical properties of gas hydrate-bearing sediments recovered from Alaska North Slope 2018 Hydrate-01 Stratigraphic Test Well // Marine and Petroleum Geology. 2021. V. 123.
literature
Drushchits V.A. Usloviya sushchestvovaniya kriogennykh gidratov prirodnogo gaza na rossiyskoy kontinental'noy okraine. Materialy IX mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Morskiye issledovaniya i obrazovaniye» 26-29 oktyabrya. Moskva 2020. T.1. S.51-54
Drushchits V. A., Sadchikova T. A. Prirodnyye usloviya obrazovaniya i sokhraneniya kontinental'nykh gidratov metana na arkticheskikh kontinental'nykh okrainakh // Byull. komis. po izuch. chetv. perioda. M.: GEOS. 2017. № 75. S. 135-146.
Drushchits, V. A., Sadchikova T.A. Evolyutsiya kriogennykh skopleniy gidratov prirodnogo gaza v arkticheskikh regionakh v kvartere // Vestnik Kol'skogo nauchnogo tsentra RAN. 2018. № 3 (10). S. 147-151.
Yakushev VS., Perlova Ye.V, Makhonina N.A. i dr. Gazovyye gidraty v otlozheniyakh materikov i ostrovov// Rossiyskiy khim. zh. T. XLVII. № 3. 2003. S. 80-90.
V.A. Drouchits
IMAGE OF GLACIAL, CRYOGENIC AND GEODYNAMIC PROCESSES IN THE DISTRIBUTION OF PERMAFROST-ASSOCIATED NATURAL GAS HYDRATES ON THE CONTINENTAL MARGIN OF NORTHWESTERN NORTH AMERICA
The conditions for the formation and preservation of permafrost-associated gas hydrates in the coastal lowlands and the shelf of the Beaufort Sea are considered for Quaternary. They formed within the boundaries of oil and gas basins. Currently existing in a monoclimatic situation, these clathrates of natural gas were formed in periglacial and glacial conditions. The combination of the geodynamic regime nature and the Last Glacial Maximum conditions causes a different distribution of permafrost-associated gas hydrates on the continental margin of the Northern Alaska and in the area of the Mackenzie delta - the Beaufort Sea shelf. In the Mackenzie delta permafrost-associated gas hydrates were formed in the frontal zone of the glacier and in the area of influence of the fold-thrust belt. As a result, these formations are more widespread on the shelf. Based on the time of the formation of permafrost-associated gas hydrates relative to the development of the permafrost zone, two groups of these formations were identified: epicryogenic and syncryogenic. For this region, 4 types of clathrates of gas have been identified with respect to their location in the permafrost and below it. Indicators of the manifestation of modern geodynamic processes influencing on the distribution of cryogenic gas hydrates have been established for this region.
Key words: permafrost-associated gas hydrates, glaciation, periglacial, permafrost, neotectonics, Alaska North Slope, Mackenzie delta, Beaufort Sea, Quaternary.
