Изучение газонасыщенности морских осадков при помощи сейсмоакустического профилирования

Промышленная активность человека в морях и океанах постоянно возрастает. При этом в последние годы наблюдается смещение области интересов с относительно мелководных шельфовых зон к все более и более глубоководным участкам мирового океана. Так нефтегазовая индустрия уже сейчас рассматривает глубоководные окраины континентов как новый перспективный источник сырья. Уже несколько лет ведется успешная эксплуатация нефтяных месторождений на континентальной окраине Бразилии на глубинах океана 1500−2000 м. Недавно было обнаружено несколько новых глубоководных месторождений нефти и газа на континентальном склоне к западу от Шетландских островов, к западу от Внешних Гебрид, а также в районе бассейна Поркупайн. Транснациональные нефтяные компании ведут активные поисковые работы на глубоководном плато Роколл, Фарерской окраине, в Норвежском море и многих других районах. В России ведется разведка и добыча углеводородного сырья на шельфе Баренцева моря, а также у побережья полуострова Сахалин.

Эта активность делает актуальным вопрос детального и всестороннего изучения осадочного чехла окраинных частей Мирового океана, в большинстве своем представляющих мощные осадочно-породные бассейны. Изучение верхней части разреза субмаринного осадочного чехла, помимо чисто научного интереса, имеет и практическое значение. Донные осадки все чаще рассматриваются как перспективный источник различных видов сырья (рассыпные месторождения различных металлов, фосфориты, гидраты углеводородных газов, и т. д.). Уже сейчас требуются исследования инженерных свойств морских осадков, а также факторов, влияющих на так называемую «стабильность склонов».

В этой связи, особый интерес представляет проблема достоверного выявления и изучения газонасыщенных участков донных осадков, а также скоплений природного газа в верхней части разреза.

Эти скопления, как правило не имеющие промышленного значения сами по себе, могут являться разведочным признаком, указывающим на наличие глубинных промышленных месторождений углеводородов. С другой стороны, неглубокие скопления природного газа, изменяя механические свойства осадков, могут представлять определенную опасность для донных инженерных сооружений, таких как буровые платформы. В районах с повышенной сейсмичностью, где существует опасность развития оползневых процессов на склонах, неглубоко залегающие скопления природного газа могут явиться фактором, усиливающим нестабильность склонов.

Методика одно канального и малоканального сеймоакустического профилирования как нельзя лучше подходит для выявления и изучения непромышленных скоплений природного газа в верхней части разреза морских осадков. Сочетание более высокой, по сравнению с морской сейсморазведкой методом общей глубинной точки (MOB ОГТ), разрешающей способности с характерной для сейсмоакустических исследований глубиной проникновения в несколько сот миллисекунд позволяют выявлять и изучать газонасыщенные участки в верхней части разреза наиболее эффективно и детально.

Однако в настоящее время использование сейсмоакустического профилирования при изучении газонасыщенности морских осадков, как правило ограничивается проведением визуальной интерпретации полученных временных разрезов. При этом, из-за принципиальной неоднозначности визуальной интерпретации, достоверность получаемой в результате геологической информации часто может вызывать определенные сомнения. В силу того распространения, которое в последнее время получила многоканальная сейсморазведка методом общей глубинной точки, методы анализа данных одноканальных и малоканальных сейсмоакустических исследований практически не разрабатываются.

В настоящей работе сделана попытка показать более широко возможности метода сейсмоакустического профилирования при изучении газонасыщенности морских осадков. Для повышения достоверности интерпретации, а также для получения некой количественной информации об изучаемых газонасыщенных участках разреза предлагается использовать схему оценки поглощения акустических волн в осадках, основанную на комплексировании одного качественного и двух количественных методов, обладающих различной точностью, достоверностью и устойчивостью. Кроме того, разработан относительно простой метод получения информации о скоростных характеристиках предположительно газонасыщенных участков разреза. При выборе методов и их модификации, немалую роль играл фактор простоты их практической реализации, а также необходимые для работы того или иного метода затраты компьютерного времени. Автор ставил себе целью повысить достоверность получаемой при помощи сейсмоакустических исследований геологической информации, не теряя при этом такого немаловажного преимущества данной методики, как простота постановки, невысокая стоимость проведения работ и наглядность получаемого результата.

Все предлагаемые методы были реализованы автором на персональном компьютере, совместимом с IBM PC, с использованием языка программирования Pascal. Они были опробованы на реальном материале, полученном в двух районах Черного моря, характеризующихся разными сейсмогеологическими условиями. Это позволило проверить работоспособность и эффективность предлагаемых методов, а также выявить их преимущества, недостатки и принципиальные ограничения, связанные с тем или иным характером геологического строения изучаемых районов.

В завершение, для демонстрации возможностей практического применения предлагаемых методов, приводятся два примера комплексной интерпретации сейсмоакустических данных, нацеленной на изучение газонасыщенности морских осадков, проведенной с использованием этих методов.

Результаты настоящей работы могут быть использованы для повышения эффективности изыскательских работ при строительстве донных инженерных сооружений, а также при поисках месторождений нефти и газа. Расширение возможностей такого относительно дешевого дистанционного метода, как сейсмоакустические исследования, а также повышение достоверности интерпретации сейсмоакустических данных при изучении газонасыщенности морских осадков позволит расширить область применения одноканального и малоканального сейсмоакустического профилирования и тем самым, при решении целого ряда задач, снизить общую стоимость работ за счет сокращения объема более дорогих методов.

Основные результаты работы неоднократно докладывались автором на семинарах Центра ЮНЕСКО-МГУ по морской геологии и геофизике при геологическом факультете МГУ, на семинарах на борту судна во время проведения морских экспедиций, на конференциях «День научного творчества» на кафедре сейсмометрии и геоакустики геологического факультета МГУ, а также были опубликованы в материалах нескольких международных конференций:

Третья международная конференция «Газ в морских осадках». Тексел, Нидерланды, сентябрь 1994 г.

Третья конференция программы «Обучение через исследования». Кардиф, Великобритания, январь 1995 г.

Конференция «Газовые гидраты: влияние на склоновые процессы на континентальных окраинах и климатические изменения». Гент, Бельгия, сентябрь 1996 г.

Международный конгресс и пятая конференция программы «Обучение через исследования» «Газы и флюиды в морских осадках: газогидраты, грязевые вулканы, тектоника, литология и геохимия в Средиземном и Черном морях». Амстердам, Нидерланды, январь 1997 г.

Международный конгресс и шестая конференция программы «Обучение через исследования» «Взаимодействие геосферы и биосферы: глинисто-карбонатные постройки и холодноводные рифы». Гент, Бельгия, январь 1998 г. Международная научный семинар «Геологические, геофизические и геохимические исследования в Черном море». Тбилиси, Грузия, декабрь 1999 г.

Некоторые результаты настоящей работы легли в основу трех реферируемых публикаций:

Bouriak, S.V. and Akhmetjanov, A.M. 1998. Origin of gas hydrate accumulations on the continental slope of the Crimea from geophysical studies. In: Henriet, J.-P. and Mienert, J. (eds) Gas Hydrates: Relevance to World Margin Stability and Climate Change. Geological Society, London, Special Publications, 137, 215−222.

Gaynanov, V.G., Bouriak, S.V., and Ivanov, M.K., 1998. Seismic evidence for gas accumulation related to the area of mud volcanism in the deep Black Sea. Geo-Marine Letters, 18.

Bouriak, S., Vanneste, M., and Saoutkine, A., 2000. Inferred gas hydrates, shallow gas accumulations and clay diapirs on the southern edge of the V0ring Plateau, offshore Norway. Marine Geology (в печати).

В работе были использованы материалы, полученные в ходе международных геолого-геофизических экспедиций на российском НИС «Геленджик», которые проводились в рамках программы ЮНЕСКО-МОК «Обучение через исследования» («Плавучий университет») в 1991 и 1996 гг.

Автор глубоко признателен профессору В. В. Калинину (кафедра сейсмометрии и геоакустики, геологический факультет МГУ) и доценту М. К. Иванову (Центр ЮНЕСКО-МГУ по морской геологии и геофизике), осуществлявшим совместное научное руководство настоящей работой. Автор искренне благодарит сотрудников кафедры сейсмометрии и геоакустики М. Ю. Токарева, Л. М. Кульницкого, В. Г. Гайнанова, И. П. Короткова за помощь и содействие, которое они оказывали на различных этапах выполнения работысотрудников Центра ЮНЕСКО-МГУ А. Ф. Лимонова, A.M. Ахметжанова за конструктивное обсуждение геологических результатов, а также всех сотрудников и аспирантов Центра ЮНЕСКО-МГУ по морской геологии и геофизике, чью поддержку автор постоянно чувствовал. Автор признателен проректору МГУ профессору В. Т. Трофимову, заместителю Министра природных ресурсов РФ профессору И. Ф. Глумову, сотруднику Министерства науки и технологий РФ В. Н. Живаго, сотруднику отдела ЮНЕСКО по морским и береговым исследованиям А. Е. Сузюмову, коллективам ПО Южморгеология и ГП ПМГРЭ, а также всем другим лицам и организациям, без помощи и поддержки которых программа «Обучение через иследования» («Плавучий университет») не была бы реализована.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

Для уточнения природы наблюдаемых на сейсмоакустических разрезах индикаторов газонасыщенности предложена схема оценки поглощения внутри и вне аномальных участков, основанная на комплексировании трех методов (одного качественного и двух количественных) различной точности, достоверности и устойчивости.

Для получения информации о скоростных характеристиках предположительно газонасыщенных участков разреза предложен простой метод инверсии сейсмоакустических данных, основанный на принципе инверсии «отдельных пиков». Метод легко реализуется на персональном компьютере, совместимом с IBM PC, и не требует предварительной обработки сейсмоакустических данных.

Предлагаемые методы были реализованы автором и опробованы на реальном материале из двух районов в акватории Черного моря (центральная часть Черного моря и район прогиба Сорокина), характеризующихся различными сейсмогеологическими условиями. Это позволило проверить работоспособность и эффективность предлагаемых методов, а также выявить их преимущества, недостатки и принципиальные ограничения связанные с тем или иным характером геологического строения изучаемых районов.

Предлагаемая схема оценки поглощения показала хорошие результаты в условиях монотонного разреза, близкого к горизонтально-слоистой модели среды, с большим количеством отражений примерно одинаковой амплитуды. Однако, в условиях сильно дислоцированного разреза, данная схема не может быть применена в полном объеме, хотя в отдельных случаях получение качественной оценки поглощения все же оказывается возможным. Эти ограничения безусловно сужают область использования данной схемы оценки поглощения при изучении газонасыщенности морских осадков, однако во многих районах ее применение вполне целесообразно и способно дать положительный результат.

Разработанный метод получения информации о скоростных характеристиках предположительно газонасыщенных участков разреза демонстрирует большую детальность в условиях высокой «контрастности» исходных данных, т. е. в тех случаях, когда сейсмическая запись характеризуется наличием отдельных высокоамплитудных отражений, чередующихся с ' отражениями меньшей амплитуды. Однако даже в том случае, когда это условие в целом не выполняется, метод может быть успешно применен для исследования природы амплитудных аномалий, предположительно связанных с газонасыщенностью осадков. Хотя для определения при помощи данного метода абсолютных значений скоростей необходимо привлечение дополнительной информации, в ее отсутствие метод позволяет определять перепады скоростей на отражающих границах, что является вполне достаточным для решения многих реальных геологических задач, связанных с изучением газонасыщенности осадков.

С использованием предлагаемых методов проведена комплексная геологическая интерпретация сейсмоакустических данных из района развития грязевого вулканизма в центральной части Черного моря, а также из района в прогибе Сорокина, продемонстрированы возможности методов при решении конкретных геологических задач.

В центральной части Черного моря полученные оценки поглощения и скорости продольных волн подтвердили правомерность интерпретации наблюдаемых на сейсмоакустической записи ярких пятен как газонасыщенных участков разреза.

Расположение этих газонасыщенных участков (вблизи грязевых вулканов, на крыльях разрывных нарушений), позволяет предположить, что газ здесь является переотложенным, проникая либо через зоны разломов, либо через питающие каналы грязевых вулканов. Таким образом, на основании сейсмоакустических данных, можно предположить, что газ в этих скоплениях, имеет глубинную природу.

9. В районе, расположенном в пределах прогиба Сорокина, в результате проведенного исследования было выявлено, что изучаемый район характеризуется наличием скоплений газа в отложениях плиоцен-четвертичного комплекса, вероятно связанных с развитием глиняного диапиризма на данной территории. В отдельных местах природа визуально наблюдаемых на сейсмоакустических данных индикаторов газонасыщенности была подтверждена результатами инверсии и, в определенной степени, результатами качественной оценки поглощения. Были также зафиксированы признаки миграции газа вверх по разрезу. Таким образом, можно предположить, что обнаруженные по данным пробоотбора участки повышенного газонасыщения донных осадков связаны с зонами разгрузки более глубинных скоплений природного газа.

10. Полученные данные также позволяют сделать предположения о природе газовых гидратов, зафиксированных в нескольких поднятых кернах в прогибе Сорокина. Поскольку, ничего похожего на BSR на данных сейсмоакустического профилирования обнаружено не было, вероятно сколь-либо протяженный гидратоносный слой в данном районе отсутствует, а газовые гидраты формируются в виде локальных скоплений. Наблюдаемые на сейсмоакустических данных под теми станциями пробоотбора, где были подняты газовые гидраты, признаки миграции газа, говорят о том, что эти скопления скорее всего контролируются локальными зонами фокусированной разгрузки флюидов, а следовательно, газовые гидраты в районе прогиба Сорокина образованы аллохтонным газом и имеют фильтрогенную природу.

11. Следует отдельно подчеркнуть, что предлагаемый в работе метод инверсии сейсмоакустических данных нацелен на изучение скоростных характеристик целевых горизонтов — предположительно газонасыщенных участков разреза. Автор не ставил перед собой задачу полного восстановления скоростных характеристик всего исследуемого разреза при помощи данного метода. Такое ограничение существенно сузило круг проблем, которые было необходимо решить. Например, при разработке алгоритма практически не рассматривалась проблема влияния на результаты инверсии многократных и неполнократных отражений — считалось, что-то конкретное целевое отражение, которое предполагается изучать, априори является однократным. Это позволило добиться относительной простоты алгоритма, повысить устойчивость его работы и избежать предварительной обработки исходных данных, однако за счет такого упрощения при решении задач иного рода метод следует применять с осторожностью. Еще одно ограничение данного метода связано с соотношением целевого интервала изучаемого разреза и глубин воды, на которых проводятся исследования. В силу описанных выше причин, метод не позволяет изучать горизонты, время прихода отражений от которых превышает время прихода первого кратного отражения от дна. Также следует учитывать тот факт, что из-за присутствия в записи так называемых кратных волн с малой задержкой, влияние которых нарастает с глубиной, точность определения скоростных характеристик при помощи данного метода тем меньше, чем больше глубина исследуемого целевого горизонта.