Многолетние системные исследования архангельских учёных сфокусированы на изучении межгеосферных процессов на территории Севера Евразии, в частности, на геодинамике литосферной плиты. Это помогает решать проблему обоснования положения границы континентальной земной коры России в Арктическом бассейне Северного Ледовитого океана и определять потенциал нефтегазоности в этой географической зоне.
Арктика - не только уникальный объект сферы научных исследований, представленный биологическим разнообразием и богатый полезными ископаемыми. Это природный заповедник, находящийся в экстремальной климатической зоне. Тем не менее этот географический регион находится в центре интересов международной политики и экономики.
В связи с этим важно уточнение границ Евроазиатской литосферной плиты в условиях территориального передела Арктики между приарктическими странами, включая и Россию. В этом случае возникла необходимость научного обоснования предела Арктики, что связано с особенностями геологического строения Северного Ледовитого океана. С этой целью специалистами рассматриваются геологические критерии и межплитная и внутриплитные границы.
Так, архангельские учёные провели структурно-тектонический анализ на основе собранных данных геодинамического состояния Евроазиатской ветви и выявили механизм очагов землетрясений и деформации структур на основе определения векторов скольжения горных масс и тензорного анализа. Специалисты установили, что характер литосферной плиты Севера Евразии на границе с акваториями морей отличается повышенной мощностью литосферы. Сопоставление геодинамических режимов обрамления Евроазиатской литосферной плиты выявило их различия и разнонаправленность векторов смещения в очагах землетрясений. Эти сведения подтвердили сложность границ между главными литосферными плитами.
Помимо этого, архангельские исследователи изучали геодинамический режим Арктического нефтегазоносного бассейна, что нужно для обеспечения транспортной безопасности, оптимальной эксплуатации месторождений и обнаружения активных сейсмозон.
Каково представление о современной геодинамике земной коры Севера Евразии, в особенности Арктической зоны, и в чем заключается прикладная задача определения сейсмичности и характера деформаций литосферы – об этом рассказал Юрий Григорьевич Кутинов – научный руководитель исследований по направлению «Глубинное геологическое строение и динамика литосферы», действительный член Европейской академии естественных наук и Итальянской академии экономических и социальных исследований, доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник Института геодинамики и геологии ФГБУН Федерального исследовательского центра комплексного изучения Арктики имени академика Н.П. Лаверова (ФИЦКИА РАН) (г. Архангельск).
На фото – Кутинов Юрий Григорьевич – доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник Института геодинамики и геологии ФГБУН Федерального исследовательского центра комплексного изучения Арктики имени академика Н.П. Лаверова (ФИЦКИА РАН) (г.Архангельск), научный руководитель исследований по направлению «Глубинное геологическое строение и динамика литосферы», действительный член Европейской академии естественных наук и Итальянской академии экономических и социальных исследований
«Для рационального освоения нефтегазового потенциала Арктических и приарктических территорий необходимы знания и разработка геодинамической модели земной коры и литосферы как основы для планирования размещения крупных инженерных сооружений. Это позволит выявить сейсмически активные структуры, прогнозировать и избегать аварий при эксплуатации нефтегазовых месторождений и сопутствующей инфраструктуры. В связи с этим учет перемещений поверхности Земли на границах плит и блоков – одна из актуальных задач при разработке нефтегазовых месторождений, особенно на акватории морей, проектировании и строительстве нефте- и газопроводов, разрушение которых может привести к неблагоприятным экологическим последствиям. Геоэкологические аспекты применения сейсмологических данных достаточно очевидны, т.к. только установление факта существования или отсутствия повышенной сейсмичности заметно влияет не только на представления о современной геодинамике региона, но и на оценку возможности и целесообразности его промышленного освоения и затрат при освоении углеводородов», – Юрий Кутинов сообщил, почему важно изучение геологического строения литосферы Севера Евразии и Арктического сегмента земной коры, в частности геодинамического режима, и в какой отрасли знания используются результаты ваших исследований.
Специфика развития Арктической зоны обусловлена многими факторами, прежде всего, особенностями ее эволюции и геологического строения, вызванного длительной эволюцией тектоносферы, влиянием осадочного бассейна Северного Ледовитого океана, наличием высокосейсмических областей.
Как уточнил Кутинов, «на площади Арктического сегмента наблюдается выклинивание формирующейся Атлантической и отмирающей Тихоокеанской геодинамических систем. Здесь сочетаются структурные и динамические формы смежных систем. По этой причине в нем может проявляться аномальная активность тектонических процессов. Анализ геологического строения Арктического сегмента земной коры свидетельствует, что в течение последних 250 млн. лет он развивается как автономная глобальная геологическая система с циркумполярной зональностью, развитие которого является следствие длительной эволюции литосферы. Существование Арктического сегмента как единой тектонической структуры, обладающей длительным, направленным и взаимосвязанным развитием во всех своих компонентах указывает на наличие геодинамической системы, определяющей ее развитие и формирование характерных ей геологических и геоэкологических свойств».
Учеными рассматриваются зоны, которые влияют на формирование состояния литосферы Арктической зоны. «Зона спрединга – это зона раздвига жестких литосферных плит (они расходятся в стороны от Срединно-Арктического хребта и происходит подъем расплавленного вещества). Зона субдукции – зона, где происходит погружение одной литосферной плиты под другую, на площади Северного Ледовитого океана отсутствует», – пояснил Юрий Кутинов.
Рисунок 1. Современная геодинамика Арктического нефтегазоносного бассейна.
А. Комплексная карта геодинамического режима Арктического сегмента
1 - направления векторов скольжения горных масс в очагах сильных землетрясений; 2 - генерализованное направление векторов; 3. направления векторов движения по GPS; 4 - региональные зоны, в пределах которых проявились левосдвиговые смещения; 5 - полюса вращения литосферных плит; 6 - схемы разнотипной (лево – и правосторонней) миграции в очагах слабых (М =2.8-3.5) землетрясений; 7 - расположение зоны-перемычки (полюс Эйлера), разграничивающей разнотипную миграцию; 8 - граница Евроазиатской литосферной плиты (а); граница, выделенных микроплиты и суперблоков (б). ЕАП - Евроазиатская литосферная плита; САП – Северо-Американская;
Б. Пространственное распределение ресурсов УВ: А - прогнозная карта распределения плотности ресурсов углеводородов на Арктическом шельфе (http://www.innoedu.ru/project/pir/presentation materials) с элементами геодинамики
1 - региональные зоны, в пределах которых проявились левосдвиговые смещения; 2 - расположение зоны-перемычки, разграничивающей разнотипную миграцию; 3 - граница, выделенных микроплиты и суперблоков
Знание геодинамического режима необходимо для понимания того, каким образом формируются литосферные плиты и происходит образование зоны спрединга и зоны субдукции. Такого рода сведения будут учитываться при проектировании крупных промышленных сооружений и эксплуатации месторождений.
Поэтому архангельские исследователи устанавливали характер тектонической жизни Арктического региона, для чего собрали данные о параметрах сейсмичности и фокальных механизмах очагов землетрясений, а затем определили состояние земной коры. Здесь учитывался процесс деформации горных пород при тектонических движениях.
Так, изучение учёными хребта Гаккеля по сейсмологическим данным позволило получить сведения о современном геодинамическом режиме Срединно-Арктического хребта, где особенно высок уровень землетрясений. Анализ распространения эпицентров помогает узнать природу сейсмозон. Согласно гипотезе архангельских специалистов, процесс деформации горных пород при тектонических движениях представляет собой «тектоническое течение», то есть макроскопически непрерывное течение больших объемов горных масс, в составе которого возникает так называемое, «сейсмическое течение». То есть хребет Гаккеля имеет сложное блоковое строение, что сказывается на состоянии литосферы.
Так, выяснив характер механизмов очагов землетрясений, становится возможным выделение траектории напряжения (сжатия и растяжения), что дает сведения о деформации геологической среды и подтверждает уникальность геодинамики Арктического сегмента.
На основе системного анализа разных уровней геодинамического режима (глобальном, региональном и локальном) составляется геодинамическая модель земной коры Севера, определяется состояние сейсмичности.
В чем состоит авторская методика расчёта направлений векторов скольжения горных масс в очагах сильных землетрясений?
«Процесс вспарывания разломов в земной коре при землетрясениях, определяемый в результате изучения механизмов их очагов, характеризуется направлением и амплитудой перемещения плоскостей разрывов, выраженных вектором смещения Pi (x,y,z) в декартовой системе координат. Вектор смещения с составляющими Pix, Piy, Piz отражает среднее направление в перемещении плоскостей разрывов. В каждом конкретном очаге землетрясения с учетом его типа (сдвиг, взброс, сброс) будут задействованы попарно только две составляющие из трех, например, при сдвиге Pix и Piy и т. д. При условии, что в очагах землетрясений происходят подвижки по обеим плоскостям одновременно, максимальное смещение горных масс будет совпадать с положением результирующего вектора, определяемого по правилу сложения векторов», – объясняет Юрий Кутинов.
Рисунок 2. Схема направления векторов скольжения горных масс в очагах сильных землетрясений (М ≥ 5.0) в пределах: Северо-Американской, Гренландской и севера Евроазиатской литосферных плит
1 - направления векторов; 2 - генерализованное направление векторов в пределах указанных плит; 3 - тройное сочленение межплитных границ (возможный полюс Эйлера); 4 - Северный полюс; 5 - северная граница Евроазиатской плиты (а); вероятная граница Гренландской плиты (б)
Для составления прогноза Арктического сегмента земной коры (на примере территории Архангельской области), то есть территорий, потенциальных на наличие в них запасов нефти и алмазов, специалисты изучали различные факторы, такие как асейсмичность /сейсмичность нефтегазовых провинций на арктическом шельфе; наследование структур фундамента в современном рельефе; проявления кимберлитового магматизма. Применив авторское цифровое моделирование, провели расчёты с учетом закономерностей наследования структур фундамента в современном рельефе. Рассмотрев крупные тектонические узлы, ученые составили карту, а затем сравнили геолого-геофизические материалы. Исследователи объяснили расположение нефтегазовых бассейнов в пространственной близости от алмазоносных провинций присутствием ступенчатого строения тектонических зон (АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ НЕФТИ И ГАЗА. ВЫП. 1(24) 2019).
По итогам геоэкологического мониторинга, связанного с освоением месторождений нефти и газа, основное значение по замечанию Кутинова, «имеет сейсмичность и характер деформаций литосферы, так как они определяют сползание осадков с континентального склона, изменения характера переноса осадков вдольбереговыми течениями (в т.ч. и загрязняющих веществ), возникновение наведенных магнитотеллурических токов и т.п.».
Рисунок 3. Схема сопоставления материалов
А – пространственное размещение нефтегазоносных бассейнов Баренцева моря с разными типами земной коры: 1 – Южно-Баренцевский; 2 Северо-Баренцевский; 3 – Северо-Карский; 4 – Южно-Карский; 5 – Пур-Гыданская впадина (данные Павленковой Н.И., ИФЗ РАН, 2014).
Б - схема полей напряжений в пределах Срединно-Арктического хребта (1 — диаграммы плоскостей скалывания в проекции на верхнюю полусферу стереографической проекции; 2 - блок-схемы деформаций земной коры; 3 - траектории главных нормальных напряжений: растяжения, сжатия; 4 - границы участков (блоков) с различными: а - полями напряжений, б - деформациями; 5 - простирание Срединно-Арктического хребта).
В - карта значений компоненты направляющего тензора средней сейсмотектонической деформации (положительные значения εzz: 1 - (0,8-0,6)·10–7, 2 - (0,6-0,4)·10–7, 3 - сводные фокальные механизмы очагов землетрясений (закрашена область волн сжатия); отрицательные значения εzz: 4 - (0,8-0,6)·10–7, 5 - (0,6-0,4)·, 6 - простирание Срединно-Арктического хребта; ШЗР - Шпицбергенская зона разломов).
Г - карта значений компоненты εxx направляющего тензора средней сейсмотектонической деформации (положительные значения εxx: 1 - (0,8-0,6)·10–7, 2 - (0,6—0,4)·10–7; 3 - простирание Срединно-Арктического хребта; 4 - участки малочисленных данных определений (до 3) фокальных механизмов очагов землетрясений; ШЗР — Шпицбергенская зона разломов).
Д - карта значений компоненты направляющего тензора средней сейсмотектонической деформации (положительные значения εyy: 1 - (0,8-0,6)·10–7, 2 - (0,6-0,4)·10–7; отрицательные значения εyy: 3 - (0,8-0,6)·10–7, 4 - (0,6-0,4)·10–7; 5 - простирание Срединно-Арктического хребта; ШЗР - Шпицбергенская зона разломов).
Г - Разрез ОГТ Южно-Карской впадины по профилю 2-АР (данные Павленковой Н. И., ИФЗ РАН, 2014)
Полевые работы учеными Института изучения Арктики насчитывают порядка 20-25 лет и велись на территории Архангельской области в районах тектонических узлов для изучения, происходящих в них межгеосферных процессов. Исследования геодинамического режима Арктики основаны на аналитических решениях, анализе фокальных механизмов очагов землетрясений, включающих, в том числе, и разработку цифровой модели рельефа, расчёт геоморфометрических параметров.
В долгосрочной работе под научным руководством Юрия Кутинова основное участие принимали сотрудники лаборатории глубинного геологического строения и динамики литосферы Института экологических проблем Севера Уральского отделения РАН ФИЦКИА РАН г. Архангельска: доктор геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник Таисия Беленович и кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник Зинаида Чистова, а также кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории глубинного геологического строения и динамики литосферы Института геодинамики и геологии Елена Полякова.
Кроме того, в совместных проектах были задействованы коллеги: профессор, доктор сельскохозяйственных наук, главный научный сотрудник лаборатории глубинного геологического строения и динамики литосферы Института геодинамики и геологии ФИЦКИА РАН Владимир Беляев; кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник лаборатории глубинного геологического строения и динамики литосферы ФИЦКИА РАН Николай Неверов, и научный сотрудник Института геодинамики и геологии ФИЦКИА РАН Александр Минеев.
Таким образом, на основе накопленных наземных исследований и путем расчета параметров фокальных механизмов очагов землетрясений и цифрового моделирования архангельские ученые пришли к выводу о сложном пространственно-временном взаимодействии геодинамических процессов в зоне Северного Ледовитого океана и подвели к решению поискового механизма нефтегазовых бассейнов.
Главным результатом геоэкологического мониторинга территорий Севера, проводимого архангельскими учеными последние 20 лет, станет новая книга. Кропотливая комплексная работа будет представлена в научной монографии Ю.Г. Кутинов, З.Б. Чистова, Т.Я. Беленович «Отражение проявлений кимберлитового магматизма и зон глубинного нефтегазообразования в современном геодинамическом режиме Арктического сегмента земной коры». Издание планируется в конце 2020 – первой половине 2021 гг. Книга имеет междисциплинарный характер и будет адресована научным и практическим работникам, занимающимся проблемой прогноза, поиска, комплексного изучения проявлений кимберлитового магматизма и зон глубинного нефтегазообразования их рационального освоения. Как отметил научный руководитель исследования Юрий Кутинов, «цель работы – выявление признаков проявлений кимберлитового магматизма и зон глубинного нефтегазообразования в современном геодинамическом режиме Арктического сегмента земной коры».
В основе исследования лежит гипотеза о глубинном генезисе нефти, в связи с этим в монографии, по словам Кутинова, «будут рассмотрены следующие задачи: 1. Комплексный анализ современного геодинамического режима земной коры границ Евроазиатской литосферной плиты и сопоставление полученных данных с алмазоносностью и нефтегазоносностью Арктики и приарктических регионов; 2. Анализ геодинамического режима Севера Евразии на глобальном (взаимодействие трех литосферных плит: Евроазиатской, Северо-Американской и Гренландской), региональном (Евроазиатская плита) и локальном (надпорядковые тектонические узлы) уровнях на основе данных о фокальных механизмах очагов землетрясений и определения векторов скольжения горных масс; 3. Выделение геодинамических этапов и механизмов формирования алмазоносных провинций и бассейнов глубинной нефти и газа; 4. Выявление признаков проявлений кимберлитового магматизма и зон глубинного нефтегазообразования в современном геодинамическом режиме Арктического сегмента земной коры».
