<Современное состояние и эволюция криолитозоны и зоны стабильности газовых гидратов на арктическом шельфе Восточной Сибири в позднем кайнозое>

Глава 6.

В шестой главе рассмотрены геолого-тектонические модели рифтов на Лаптевском шельфе, дана постановка задачи математического моделирования эволюции толщ ММП и ЗСГГ в рифтовых структурах, приведены входные параметры и принятые допущения, обсуждаются результаты моделирования.

На территории шельфа моря Лаптевых существует рифтовые зоны, соединяющихся на континенте с Момским рифтом. Судя по данным, имеющимся по континентальным рифтам (Лысак, 1988), на шельфе рифтам также свойственны высокие значения q_вз, превышающие 100 мВт/м². Поэтому второй важной частью исследований было изучение особенностей динамики ММП и ЗСГГ в рифтовых структурах шельфа моря Лаптевых.

Верхние граничные условия при моделировании эволюции ММП и ЗСГГ в рифтовой системе моря Лаптевых задавались на основе палеогеографического сценария использованного для моделирования по одномерной задаче, а в модели были приняты те же допущения.

Рифты на шельфе имеют субмеридиональное простирание (примерно с ЮЮВ на ССЗ) (Драчев, 1999; Franke et al., 2000 и др.). В модели в первом приближении принимается их меридиональное направление. Схематическая модель (рис. 6) состоит из ряда разрезов, расположенных по нормали к оси рифта; величины q_вз в его оси - разломных зонах (РЗ) и в ограничивающих его ненарушенных литосферных блоках - плечах рифта различны. Каждый разрез располагался на определенной широте, а глубина моря в пределах каждого разреза принималась одинаковой. Для каждого из сечений были построены схематизированные кривые изменений t_ср во время регрессий и tдн во время трансгрессий моря. Палеогеографические кривые, составленные для разных сечений, отражают увеличение продолжительности трансгрессий при возрастании глубины моря, а также зональное понижение t_ср с юга на север на этапах оголения шельфа.

В соответствии с геотермическими данными по скважинам на низменностях и островах (Каталог , 1985; Девяткин, 1993; Драчев, 1999; Drachev et al., 2003) и по рифтам на континенте (Лысак, 1988), в расчетах принято, что <плечи> рифта имеют qвз равные 50мВт/м2. В пределах РЗ qвз, принимались различными и менялись в диапазоне от 100 до 400 мВт/м2. Многолетняя динамика толщ ММП и ЗСГГ рассчитывалась для нескольких вариантов строения рифтов, имеющих различную ширину РЗ и разные значениями qвз. Расчеты были проведены для рифтовых структур как без скоплений в них (залежей) газов/газогидратов, так и со скоплениями последних, имеющих различную мощность и расположенных на различных глубинах, внутри РЗ. При моделировании был использован гипотетически упрощенный геологический разрез, представленный рыхлыми кайнозойскими отложениями, характерными для отрицательных неотектонических структур, тот же что использовался при решении одномерной задачи. По РЗ задавались повышенные значения пористости и влажности пород, что позволило учесть их нарушенность. Теплофизические характеристики отложений приведены в таблице N1. В моделях рифтов на шельфе принято допущение о вертикальном расположении ограничивающих их разломов. Все варианты модели приняты ось-симметричными.

Таблица N1. Состав и свойства отложений, использованных для моделирования динамики толщ ММП и ЗСГГ в рифтах
Глубина залегания слоев, м	Наименование пород	Влажность W % вне РЗ / по РЗ	Теплоемкость, Сx106 Дж/м3 К		Теплопроводность, λ Вт/мК		Энергия гидратообразования (разложения) Qгг Дж/м3
			талого, Ст вне РЗ / по РЗ	мерзлого, См, вне РЗ / по РЗ	талого, λт, вне РЗ / по РЗ	мерзлого, λм, вне РЗ / по РЗ
0-10	засоленные суглинки и пески	27 /40	2,7/3,15	2,15 /2,38	1,36 / 1,94	1,55 / 2,08
10-750	засоленные суглинки и алевриты	20 / 30	2,52/2,85	2,07 /2,64	1,45 / 1,74	1,83 / 2,2
750-1500	суглинки, глины, пески	10 / 15	2,3 / 2,67	1,95 / 2,3	1,38 / 1,82	1,75 / 2,35
1500-3000	песчаники и аргиллиты	3,5 / 6	1,9 / 2,12	1,87/ 2,2	2,95/ 3,02	3,12 / 3,2
300-600, 150-750	газ содержащие суглинки и алевриты	_ / 30	_ / 2,85	_/ 2,64	_ / 1,74	_/ 0,66	132,7 x 106
800-1000	газ содержащие пески, глины, суглинки	_ / 15	_ / 2,67	_ / 2,3	_ / 1,82	_/0,71	101,4 x 106

В использованной для расчетов программе впервые учтены следующие природные особенности: различие теплофизических свойств пород в ненарушенных блоках и РЗ; наличие газовых (газогидратных) залежей внутри РЗ.

Результаты расчетов оформлялись в виде графиков (диаграмм) двух видов. Графики первого вида отражают динамику мощности толщ ММП и ЗСГГ за последние 400 тысяч лет на различных участках современного шельфа (см. рис 8Б). Это сделано для разрезов рифта расположенных на разных глубинах моря, различных широтах и в пределах структур с характерными для них величинами q_вз. Графики второго вида показывают конфигурацию подошвы ММП и нижней поверхности ЗСГГ на определенный момент времени в пределах рифтовой структуры (см. рис. 7). Сопоставление графиков обоих видов позволило исследовать многолетнюю динамику толщ ММП и ЗСГГ вне и внутри РЗ, следить за изменением во времени конфигурации границ толщ МПП и ЗСГГ в рифтах и РЗ в сочетании с ненарушенными блоками пород.

Результаты моделирования позволили установить, что на шельфе мощности ММП и ЗСГГ существенно меньше в РЗ, чем в окружающих ненарушенных литосферных блоках. Это обусловлено в первую очередь с различиями в тепловых потоках. В результате подошва толщи ММП и подошва ЗСГГ над РЗ сводообразно приподняты. В процессе длиннопериодной динамики размеры и форма этих сводообразных поднятий изменяются. Эти структуры контрастнее выражены в широких РЗ, по сравнению с узкими. Подобное прослеживается и в структурах с большим значением теплового потока, чем с относительно невысоким q_вз. (рис. 7). В периоды трансгрессий сводообразные структуры приурочены главным образом к внутренней части шельфа. Во внешней части шельфа во второй половине этапов трансгрессии моря указанные структуры превращаются в сквозные эндогенные субмаринные талики и <разрывы> в ЗСГГ, через которые, при одновременном их существовании, возможна эмиссия подмерзлотных газов. В периоды регрессий моря и аградации мерзлых толщ на шельфе сквозные эндогенные талики промерзают, преобразуясь в <сводообразные> структуры. Эмиссия газов через них, прекращается. В последних, видимо, создаются условия для накопления газов или их гидратов, то есть они превращаются в <криогенные ловушки> на нижней поверхности мерзлых толщ. Таким образом, периоды регрессий, по-видимому, являются временем накопления газов ниже толщи ММП на всей территории арктического шельфа Восточной Сибири. Периоды трансгрессий, напротив, являются временем возможной эмиссии газов через образующиеся сквозные талики и <разрывы> в ЗСГГ, преимущественно во внешней части шельфа. Талики, приуроченные к разрывным дислокациям, по которым происходит разгрузка напорных подземных вод, сопровождаемая выходами газов. Видимо подобные талики были обнаружены осенью 2003 и 2004 годов во время гидрологических исследований под руководством И.В.Семилетова, которые показали наличие очень высокой концентрации метана в придонных слоях воды в проливе Дмитрия Лаптева в месте пересечения им Святоносско- Бельковского рифта (Shakhova et al., 2005).

Моделирование показывает, что скопления газов/газовых гидратов, расположенные в рифтовых структурах, повышают устойчивость толщи ММП. (рис.8). Это выражается в уменьшении диапазона изменения мощностей и стабилизации положения нижней границы мерзлой толщи.