Geochemical anomalies of hydrocarbon gases in bottom sediments of eostructures of the Laptev-Siberian transition zone of the East Arctic shelf

Толық мәтін

Лаптево-Сибироморская переходная зона (ЛСЗ) является в настоящее время объектом пристального внимания ученых мирового и российского научного сообщества. Интерес к ЛСЗ обусловлен формированием аномалий углеводородных газов (УВГ) в донных осадках в области сочленения Евразийской и Североамериканской литосферных плит [1, 2]. Основная цель настоящих исследований заключалась в изучении влияния основных геологических факторов формирования и распределения в осадках углеводородных аномалий. Актуальность работы обусловлена приоритетом научно-исследовательских работ в Арктической зоне России. Территория ЛСЗ расположена в пределах переходной зоны моря Лаптевых и Восточно-Сибирского моря, в том числе в пределах сочленения Евро-Азиатской и Североамериканской литосферных плит, где глобальный раздвиг арктического сегмента Земли выражен Лаптевоморской грабен-рифтовой системой, базальтовым магматизмом и цепочками эпицентров землетрясений магнитудой до 7 баллов на глубинах 4–36 км (рис. 1).

 

Рис. 1. Структурно-тектоническая карта района исследований [3, 4]: 1 – геоструктуры первого порядка: прогибы: 1 – Новосибирский, 2 – Бельковско-Святоносский, 3 – Омолойский, 4 – Анисинский; грабен-рифт: 5 – Северо-Омолойский; поднятия: 6 – Восточно-Лаптевское, 7 – Котельническое, 8 – Решетниковское; горсты: 9 – Столбовской, 10 – Бельковский; структурные террасы: 11 – Шелонская, 12 – Благовещенская; 13 – Санниковская седловина. 2 – тектонические нарушения: а – достоверные, б – предполагаемые. 3 – изобаты, м. 4 – эпицентры землетрясений (по данным USGS Earthquake Hazards Program). 5 – изогипсы мощности осадочного чехла, км. 6 – донные станции с концентрациями УВГ в осадках: < 0.05 (а), 0.05–0.25 (б), 0.25–0.50 (в), 0.50–1.00 (г) и > 1.00 см³/ кг (д). Номера станций прибрежных экспедиций и попутного судового опробования – 49–82; рейсов LV83 и LV90 НИС “Академик М. А. Лаврентьев” – 83–4–83–36 и 90–25. Ю-А – Южно-Анюйская сутура.

 

Среди структур, характеризующих раздвиг земной коры, выделяются Котельнический жесткий блок, не подверженный растяжению. В общей тектонической структуре региона также выделяются Восточно-Лаптевское поднятие, Столбовской и Бельковский горсты, Благовещенская и Шелонская структурные террасы; Новосибирский, Анисинский, Бельковско-Святоносский, Омолойский прогибы, Северо-Омолойский грабен-рифт и Санниковская седловина (рис. 1), сформированные в пределах Верхояно-Колымской и Новосибирско-Чукотской складчатых областей. В пределах ЛСЗ имеют развитие палеозойские магматические образования Котельнического и Решетниковского поднятий, раннемезозойские – Южно-Анюйской сутуры и меловые – субмеридиональной зоны тектономагматической активизации, а также палеозой-мезозойские битумопроявления и мел-неогеновые угольные залежи Новосибирских о-вов [3].

Основным материалом газогеохимических исследований являлись керны осадков 55 донных станций, отобранных грунтоотборными трубками, дночерпателями и мультикорами с НИС “Академик М. А. Лаврентьев”, гидрографических и попутных судов ММФ РФ. В процессе работ использовался метод поинтервального отбора керна осадков в герметические сосуды с последующей их дегазацией и анализом газа. Методика дегазации, хроматографического анализа и определения газонасыщенности донных отложений соответствовала нормативному Руководству [5]. Изучение изотопного состава углерода δ¹³С–СН₄ осуществлялось в лаборатории стабильных изотопов ДВГИ ДВО РАН. Для определения генезиса УВГ, помимо данных δ¹³С–СН₄, использовался комплексный метод расчета геохимических показателей: молекулярной массы УВ-фракции (М_УВ), весовых концентраций С₁–С₅, нормированных по отношению к М_УВ в долях целого на 1000 (или в граммах на килограмм газа УВ-фракции) [6], и коэффициента “влажности” УВ-фракции [7] в виде: Квл = (ΣС₂–С₅ /ΣС₁–С₅)×100 (%), где С₁–С₅ – весовые концентрации УВ в долях на 1000.

РЕЗУЛЬТАТЫ ГАЗОГЕОХИМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Интерпретация результатов газового опробования донных осадков и анализов изотопного состава углерода метана, а также данные работ [8–10] позволили выделить в осадках ЛСЗ одиннадцать генетических групп УВГ различных литотипов и газоматеринских источников, характеризующихся индивидуальными средними газогеохимическими показателями М_УВ, Квл и δ¹³С–СН₄. Исходя из полученных данных (табл. 1), сингенетические УВГ современных осадков характеризуются биохимическим происхождением. В миграционных (эпигенетических) газах гидратов, кайнозойских газовых залежей, торфяников и бурых углей доминируют биогенные газы с примесью метаморфогенной составляющей. Газогеохимические показатели УВГ каменных углей, предполагаемых мезозойских твердых битумов (антраксолитов?), газовых, конденсатногазовых, газоконденсатных, нефтегазовых и газонефтяных скоплений и залежей указывают на их метаморфогенное образование; магматических пород – магматогенное. В целом газогеохимические показатели всех групп УВГ достаточно близки по значениям к аналогам Восточно-Сибирского моря [9, 10], а также – Ленского, Анадырского, Охотоморского и Сахалинского угленефтегазоносных осадочных бассейнов Востока России [8].

В процессе исследований установлено, что формирование состава и концентраций УВ-газов в донных осадках ЛСЗ подчиняются правилам аддитивности, то есть последовательного накопления в осадках УВГ различного генезиса с преобладанием газовой фазы и изотопно-газогеохимических показателей более углеводородонасыщенного материнского источника. Установлено, что максимумом средних концентраций СН₄ характеризуются осадки на участках развития УВГ бурых, каменных углей и газогидратов (табл. 1), минимальными – магматических пород, промежуточными – остальные газоматеринские источники. Максимумы средних концентраций ΣС₂–С₅ установлены на площадях развития УВГ предполагаемых газоконденсатных, нефтегазовых и газонефтяных залежей, минимальные – современных осадков, магматических пород и кайнозойских газовых залежей, промежуточные – остальных литотипов и газоматеринских источников. Можно отметить двухкратное превышение средних концентраций СН₄ и ΣС₂-С₅ в осадках на площадях развития залежей каменного и бурого угля (табл. 1), что явно указывает на значительную роль степени катагенеза угольного (органического) вещества на процессы формирования УВ-насыщенности донных отложений.

 

Таблица 1. Средние значения газогеохимических показателей и концентраций УВГ донных осадков района исследований на участках развития различных газоматеринских источников

Генетические группы УВГ (номера станций)	Средние значения показателей			СН4, см3/кг			∑С2-С5, см3/кг
	МУВ, г/моль	Квл, %	δ13 С–СН4, ‰	мин.	макс.	среднее	мин.	макс.	среднее
1.Современных осадков (57, 62, 64)	16.05	0.1	–78.0	0.0180	0.0654	0.0347	0.00003	0.00004	0.00003
2.Газогидратов (70, 83-7, 83-14, 83-16)	16.10	0.7	н. о	0.0059	8.3047	2.4143	0.00003	0.00682	0.00237
3.Торфяников (55, 59)	16.13	1.1	–62.0	0.0305	0.1058	0.0681	0.00024	0.00139	0.00081
4.Угольных залежей: 4.1. бурых углей (58, 60, 63, 66, 80, 83-28) 4.2. каменных углей (49, 51, 53, 83-34	16.20 16.27	1.9 2.6	–60.7 –58.0	0.0029 0.0018	0.6275 0.6900	0.2068 0.4755	0.00004 0.00004	0.00644 0.00899	0.00257 0.00594
5.Газовых залежей: 5.1. кайнозойских (61, 78) 5.2. мезозойских*(74, 83-32)	16.15 16.41	1.4 3.1	н. о –56.0	0.0117 0.0097	0.0637 0.0507	0.0377 0.0302	0.00010 0.00028	0.00052 0.00115	0.00026 0.00071
6.Магматических пород* (52, 56, 71, 83-15, 83-17, 83-24, 83-30, 90-25)	16.65	6.5	н. о	0.0037	0.0210	0.0072	0.00018	0.00060	0.00026
7.Твердых битумов* (50, 54, 69, 73, 83-6, 83-23, 83- 35, 83-36)	17.64	16.7	–49.8	0.0030	0.3620	0.0598	0.00027	0.00424	0.00137
8.Конденсатногазовых залежей* (67, 79, 81, 83- 4, 83-25, 83-26, 83-29, 83-31)	17.12	12.0	–53.0	0.0065	0.1549	0.0580	0.00043	0.01019	0.00379
9.Газоконденсатных залежей* (68, 75, 82)	18.28	23.4	–50.4	0.0243	0.1524	0.0773	0.00375	0.02313	0.01165
10.Нефтегазовых залежей* (65, 77)	19.43	31.8	–48.2	0.0083	0.0923	0.0503	0.00190	0.01849	0.01020
11.Газонефтяных залежей* (72, 76)	21.60	47.2	–44.8	0.0358	0.0570	0.0464	0.01396	0.02593	0.01995

Примечание: полужирным шрифтом выделены аномальные концентрации УВГ, н.о – не определялся. * – предполагаемые залежи.

 

В результате газогеохимических исследований донных отложений ЛСЗ установлено, что концентрации СН₄ и ΣС₂-С₅ в осадках закономерно возрастают от 0.0017 и 0.00001 см³/кг до 8.3047 и 0.02593 см³/кг с увеличением глубины их опробования от 0.1 до 3.3 м и в среднем составляют 0.1700 и 0.00220 см³/кг. Исходя из критериев аномальности СН₄ > 0.05 и ΣС₂–С₅>0.001 см³/кг для осадков Восточноарктического шельфа [2], максимальные их концентрации превышают указанные показатели в 166 и 26 раз, средние – в 3.4 и 2.2 раза, что указывает на высокую УВ-насыщенность донных осадков района исследований. При этом влияние структурно-тектонического строения ЛСЗ является одним из основных факторов формирования и распределения УВ-аномалий.

В процессе исследований установлено, что максимум средних концентраций СН₄ наблюдается в донных осадках Северо-Омолойского грабен-рифта и поднятий, ΣС₂-С₅ – Санниковской седловины и прогибов, минимумом обоих – горстов (табл. 2). Промежуточное положение занимают осадки структурных террас. При этом формирование аномалий СН₄ и ΣС₂-С₅ с концентрациями до 2.3056 и 0.02313 см³/ кг наблюдается в осадках крыльев прогибов и грабен-рифта, до 8.3047 и 0.02593 – их осевой (мульдовой) части, до 0.3620 и 0.01849 см³/ кг – замыкания синклинальных складок. Аналогичные значения в осадках западного крыла Котельнического поднятия достигают 0.6900 и 0.00899, сводовой части – 0.5378 и 0.00647 см³/кг. Формирование аномалий метана – 0.0553– 0.1494 см³/ кг и ΣС₂-С₅–0.0086–0.0102 см³/кг в донных отложениях Санниковской седловины наблюдается в центральной ее части. Низкие концентрации СН₄, ΣС₂-С₅ и отсутствие их аномалий в осадках горстов указывают на доминирование процессов дегазации в этих структурах. Аналогическая газодинамическая ситуация установлена и в осадках Восточно-Лаптевского поднятия, где установлена одна локальная аномалия метана (рис. 1). Формирование в осадках Шелонской и Благовещенской террас аномалий СН₄ и ΣС₂-С₅–0.0507–0.6723 и 0.00115– 0.00825 см³/ кг (табл. 2) связано с миграцией УВГ в зонах разломов и его апофизов, транзитно секущих углегазоносные формации.

 

Таблица 2. Средние концентрации УВГ в донных осадках геоструктур района исследований

Геоструктуры	СН4, см3/кг			∑С2-С5, см3/кг
	мин.	макс.	среднее	мин.	макс.	среднее
Структурные террасы (19):	0.0017	0.6723	0.0500	0.00001	0.00825	0.00088
Благовещенская (8)	0.0037	0.6723	0.0987	0.00001	0.00825	0.00165
Шелонская (11)	0.0017	0.0507	0.0146	0.00009	0.00115	0.00033
Поднятия (30):	0.0022	0.6900	0.0963	0.00001	0.0899	0.00119
Решетниковское (3)	0.0637	0.6275	0.2657	0.00005	0.00644	0.00279
Котельническое (14)	0.0037	0.6900	0.1402	0.00001	0.00899	0.00183
Восточно-Лаптевское (13)	0.0022	0.0659	0.0098	0.00004	0.00036	0.00014
Горсты (4):	0.0025	0.0083	0.0065	0.00008	0.00062	0.00037
Столбовской (1)	0.0070	0.0070	0.0070	0.00023	0.00023	0.00023
Бельковский (3)	0.0025	0.0083	0.0063	0.00008	0.00062	0.00042
Прогибы (34):	0.0029	0.3620	0.0391	0.00004	0.02313	0.00326
Новосибирский (7)	0.0050	0.1058	0.0349	0.00006	0.01849	0.00320
Анисинский (8)	0.0054	0.0570	0.0242	0.00066	0.02593	0.00389
Бельковско-Святоносский (9)	0.0068	0.3620	0.0552	0.00016	0.00424	0.00194
Омолойский (10)	0.0029	0.1524	0.0394	0.00004	0.02313	0.00408
Северо-Омолойский грабен-рифт (14)	0.0022	8.3047	0.9677	0.00007	0.01966	0.00307
Санниковская седловина (6)	0.0068	0.1549	0.0641	0.00005	0.01019	0.00486
Район исследований (107)	0.0017	8.3047	0.1700	0.00001	0.02593	0.00219

Примечание: полужирным шрифтом выделены аномальные концентрации УВГ, в скобках – число определений.

 

Структурно-формационные особенности отложений позволяют предполагать, что продольные складчатости фундамента разломы были активными в палеозое, поперечные и диагональные – мел-кайнозое. Смещение по разломам кайнозойских отложений, геоморфологические данные, современная сейсмичность ЛСЗ и газогеохимические показатели эпигенетических УВГ указывают на продолжающиеся до настоящего времени движения по ним и активной их роли в процессах миграции газов в донные отложения. При этом интенсивность тектонической нарушенности западной части ЛСЗ (условная граница по меридиану 140^°Е) в значительной мере выше, чем в восточной (рис. 1), при средней УВ-насыщенности (ΣС₁-С₅) осадков 0.2030 см³/кг в первой и 0.1307 см³/ кг – во второй. Следует также отметить, что в пределах линейной сейсмоактивной зоны, представленной цепочкой эпицентров землетрясений в западной части ЛСЗ, в донных осадках установлены аномалии СН₄ до 8.3047 см³/кг и ΣС₂-С₅ – до 0.01966 см³/кг.

В целом распределение УВ-аномалий в донных отложениях ЛСЗ по станциям газогеохимического опробования приведено на рис. 1.

Исходя из полученных данных, основными геологическими факторами формирования и распределения аномалий УВГ в донных отложениях ЛСЗ являются глубина их залегания, высокая газоносность подстилающих отложений и газонасыщенность материнских источников, степень катагенеза угольного (органического) вещества, сейсмоактивность района исследований, геоструктурное положение и тектонический фактор.

Источники финансирования

Газогеохимические и аналитические исследования выполнены в рамках Гостемы ТОИ ДВО РАН № FWMM-2024-0029 “Геология и геохимия природных газов, газогеохимические индикаторы геологических процессов и полезных ископаемых Мирового океана” (124022100076-3).

Авторлар туралы

A. Gresov

Il’ichev Pacific Oceanological Institute, Far East Branch, Russian Academy of Sciences

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: gresov@poi.dvo.ru
Ресей, Vladivostok

A. Yatsuk

Il’ichev Pacific Oceanological Institute, Far East Branch, Russian Academy of Sciences

Email: yatsuk@poi.dvo.ru
Ресей, Vladivostok

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар