Морская магниторазведка и набортные гравиметрические наблюдения широко применяются в комплексе геолого-геофизических исследований акваторий для решения общих геологических задач изучения строения земной коры региона или его части, а также отдельных структурных этажей земной коры [4, 6, 7, 8 ].
Гравиразведка и магниторазведка как «легкие» геофизические методы, стали инструментами опережающих этапов региональных геолого-разведочных работ уже в первые годы деятельности экспедиции (с 1972 г.). Постепенно, добиваясь улучшения технического оснащения и методики работ, компания перешла к проведению площадных гравиметрических и магнитометрических съемок более высокого уровня.
Еще в 70-е годы прошлого столетия МАГЭ начала выполнять на морских акваториях гравиметрические съемки IV–II класса, используя отечественные гравиметры ГМН, а позднее и I класса, используя инновационный гравиметрический комплекс на базе гравиметра «Флагман». Гравиметрические работы экспедиции выполнялись для создания листов гравиметрических карт м-ба 1:1 000 000 и 1:200 000, а также в рамках поисковых работ на нефть и газ.
Проведение магниторазведочных работ высокого качества, особенно в высоких широтах Арктики, основном районе работ компании, невозможно без решения задачи учета вариаций магнитного поля, порой достигающих здесь ураганных значений. В начале своей деятельности компания, как и отрасль в целом, не располагала эффективными средствами измерений магнитного поля в таких условиях. В силу этого во второй половине 1980-х гг. экспедиции была поручена роль заказчика и куратора разработки в СКБ ТМГР (г. Мурманск) протонных магнитометров МАМП-01, пригодных для проведения градиентометрических наблюдений магнитного поля.
Высокоточные гравимагнитные работы в АО «МАГЭ»
С помощью новой разработанной магниторазведочной и гравиметрической аппаратуры специалисты МАГЭ уже в начале 1990-х провели изучение тонкой структуры аномальных гравиметрического и магнитного полей Штокмановской, Лудловской и других структур в Баренцевом море, результаты которого позволили произвести значимые уточнения строения этих структур. Совершенствование измерительной аппаратуры сопровождалось развитием математических и программных средств обработки и интерпретации данных. Пример применения гравимагнитных работ при исследовании геологического строения Штокмановской структуры приведен на рис. 1.
Активизация в 2000-х гг. в России работ по освоению шельфовых месторождений углеводородов привела к развитию в АО «МАГЭ» инженерно-изыскательского направления деятельности, в первую очередь с помощью уже успешно применявшихся геофизических методов. Геофизические исследования при инженерно-геологических изысканиях на шельфе выполняются в составе первоочередных работ на всех стадиях изысканий под все типы морских нефтегазопромысловых сооружений, в сочетании с другими видами инженерно-геологических работ с целью изучения геологического строения и инженерно-геологических условий массива грунтов дна и изучения состояния дна акватории. При этом основными задачами морских геофизических исследований является картографирование морского дна с высокой детальностью; выявление форм, предметов и объектов на морском дне природного и техногенного происхождения, которые могут служить препятствием для проведения буровых работ и строительства скважин; изучение особенностей геологического разреза до глубины не менее 1000 м с выявлением тектонических нарушений, зон газосодержания и многолетнемерзлых пород, локализацией потенциально опасных газовых аномалий; оценка возможности развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов; оценка инженерно-геологических условий; общая оценка литодинамических процессов [16].
В пределах арктического шельфа распространенными видами геологических опасностей, общее представление о которых дает рис. 2, являются палеоврезы и палеодолины, обширная сеть которых покрывает Баренцево-Карский шельф [13], где в настоящее время активно проводятся ИГИ [12]. Эти структуры традиционно заполнены слабоконсолидированными, часто газонасыщенными осадками с включением крупнообломочного материала. Известно, что данные элементы строения коры отчетливо проявляются в высокочастотной составляющей магнитного поля, и для их выявления рассчитывается локальная составляющая аномального магнитного поля.
Многолетний опыт проведения компанией АО «МАГЭ» геолого-разведочных работ методами грави- и магниторазведки и наличие адекватных средств измерений позволяет получать данные, пригодные для построения карт аномальных геофизических полей высокой детальности, позволяющих решать задачи в т.ч. в рамках инженерно-геологических изысканий, одной из составляющих которых является задача выявления зон опасностей геологической и техногенной природы. При этом, если использование магниторазведки при ИГИ – обычная практика, применение гравиметрических работ требует обоснования. Гидромагнитная съемка входит в стандартный комплекс геофизических методов при инженерно-геологических изысканиях и выполняется с целью обнаружения и картирования магнитоактивных неоднородностей на морском дне и в верхней части разреза (ВЧР) осадочного чехла, как техногенного характера, так и геологической природы [14, 15, 16, 17].
Примеры эффективности применения гидромагнитных исследований при картировании всевозможных металлосодержащих конструкций и сооружений, созданных и утерянных когда-то человеком, представлены в работах большого количества авторов [15, 17, 31, 33]. Гидромагнитные исследования подтвердили свою эффективность в рамках поиска затонувших кораблей, самолетов, военной техники и неразорвавшихся боеприпасов со времен войны, а также археологических ценностей и остатков сооружений. Гидромагнитная съемка занимает важное место и при картировании геологических образований: подводных вулканов, зон развития моренных отложений, возможных погребенных речных долин и древних русел, палеодепрессий, зон трещиноватости и разрывных нарушений, скрытых под современными отложениями, при поисках месторождений углеводородов [10, 16].
В настоящее время наблюдается общая тенденция к привлечению гравиметрических исследований, эффективность которых при поиске углеводородов известна, и в других случаях. Представляется естественным намерение применять гравиметрию и на других стадиях освоения ресурсов, особенно с учетом относительной простоты комплексирования морских надводных гравиметрических наблюдений с другими геофизическими методами. В частности, компании-недропользователи заинтересованы в проведении наряду с сейсмическим мониторингом месторождений и гравиметрического мониторинга, в разработку методики которого вовлечена и АО «МАГЭ» [2, 3, 6].
Качественный скачок в развитии инерциально-спутниковых технологий сделал возможным выполнение гравиметрических измерений не только с морских судов, но и с самолетов. К настоящему моменту достижимая точность аэрогравиметрических наблюдений составляет 0,5–1 мГал, точность морских набортных съемок может достигать 0,1 мГал, а точности наземных и донных гравиметрических наблюдений уже достигают первых десятков микрогалл (мкГал), 10 мкГал = 0,01 мГал [9]. Высокоточные микрогальные гравиметрические съемки позволяют изучать тонкую структуру поля силы тяжести и фиксировать ее минимальные изменения, что служит целям мониторинга разрабатываемых месторождений.
Гравиметрические исследования с использованием современных методов интерпретации позволяют успешно выделять нефтегазоперспективные объекты, изучать строение соляных толщ, трассировать тектонические нарушения в осадочном чехле и фундаменте, выявлять аномальные зоны в отдельных интервалах разреза и т.д. [1]. Кроме того, гравиразведка способна дать оценку возможности развития опасных геологических и инженерно-геологических процессов и явлений, таких как газонасыщенные грунты и с аномально высоким пластовым давлением в ВЧР, разжижение поверхностных грунтов и их подвижки [5, 4, 20]. Гравиметрические исследования уже применяются при мониторинге газовых и газоконденсатных месторождений при их разработке, как на шельфе, так и на суше [1]. Донные гравиметрические исследования, выполняемые с целью гравиметрического мониторинга, позволяют отслеживать и контролировать изменения положения уровня газо-водяного контакта (ГВК) и таким образом могут предупредить проникновение воды в добывающие скважины. В комплексе методов гравиразведка решает специфические задачи: определение плотностного строения толщи пород вносит свой вклад в построение модели геологического строения изучаемой территории и используется для прогнозирования геофизической обстановки и состояния окружающей среды.
В последние годы в компании надводные гравиметрические наблюдения проводятся с помощью гравиметров «Чекан» и «Чекан-АМ», а магниторазведочные – с использованием дифференциальных магнитометров SeaSpy2. Эти средства измерений обеспечивают высокую точность измерений, пригодную для анализа тонкой структуры аномальных полей. Общее представление о процессе выполнения исследований геофизическими методами при ИГИ дает рис. 3.
Опытные гравиметрические работы при выполнении инженерно-геологических изысканий
Для оценки эффективности проведения гравиметрии для решения задач ИГИ в сентябре 2020 года на научно-исследовательском судне (НИС) «Геолог Дмитрий Наливкин» специалистами морской арктической геологоразведочной экспедиции были выполнены опытные набортные гравиметрические исследования в комплексе с дифференциальной гидромагнитной съемкой и высокоразрешающей сейсморазведкой. Исследования проводились на участке инженерно-геологических изысканий в южной части шельфа Карского моря (рис. 4, слева).
Инженерно-геологические изыскания выполнены на 51 меридиональном (рядовом) и 26 широтных (секущих) профилях. Расстояние между меридиональными профилями – 100 м, широтными – 200 м. Длина каждого профиля 5 км. Всего на объекте выполнено 385 пог. км комплексных наблюдений (рис. 4, справа).
Гравиметрические исследования не входят в стандартный комплекс геофизических методов при инженерных изысканиях на шельфе, однако возможности современных технологий позволяют пересмотреть ее роль при комплексировании геофизических данных. Перспективы гравиразведки связаны с совершенствованием гравиметрической аппаратуры, повышением ее точности и надежности, а также с развитием математического аппарата интерпретации данных [11].
Измерения модуля полного вектора напряженности магнитного поля Т проводились магнитометром SeaSPY2 на частоте 1 Гц и с точностью измерительного датчика равной 0,1 нТл. Для определения высоты прибора над дном (альтитуды) в магнитометре установлен альтиметр – высокоточный эхолот с частотой 200 кГц, а также датчик давления. Для корректной пространственной привязки съемочных галсов и дальнейшей локализации магнитных аномалий применялась система подводного гидроакустического позиционирования Sonardyne Range2 USBL с точностью позиционирования 0,3–0,5 м в режиме реального времени. Цифровая регистрация данных осуществлялась с частотой дискретизации 1 с. Обработка данных проводилась с помощью программного комплекса Geosoft Oasis montaj 7.3. (Geosoft Inc. Copyright © 2011) Гидромагнитная съемка выполнена с огибанием рельефа морского дна. На протяжении всех работ магнитометр удерживался в коридоре 5–7 м от донной поверхности и буксировался на удалении от судна равному 216 м, что составляет три длины НИС «Геолог Дмитрий Наливкин». Данный методический подход позволил регистрировать сигнал от самых незначительных по размерам магнитоактивных неоднородностей и минимизировать девиационную помеху в наблюдениях – влияние магнитного поля (МП) судна на измерительный датчик. Оставшаяся девиационная составляющая и совокупность ошибок наблюдений, связанных с методическими особенностями гидромагнитных измерений МП, компенсировалась на стадии уравнивания съемки. Для учета вариаций магнитного поля использовалась донная магнитовариационная станция (МВС) Sentinel, установленная непосредственно в районе работ на удалении 3 км от юго-западной границы исследуемого участка. Приведенная методика наблюдений с МВС хорошо зарекомендовала себя и подробно описана в статье [18, 19]. Используемая конфигурация оборудования позволяет получить значения модуля полного вектора напряженности постоянного магнитного поля Земли T.
Процедуры обработки материалов подробно описаны в [8, 12, 14]. Результирующая СКП гидромагнитной съемки после уравнивания полиномом 3-й степени за несколько итераций составила ±1,12 нТл при количестве пересечений точек наблюдений рядовых профилей с секущими n=1326.
Наблюдения ускорения силы тяжести проводились морским набортным гравиметром «Чекан-АМ» (разработчик АО «Концерн «ЦНИИ «ЭЛЕКТРОПРИБОР», 2016). Гравиметр был включен при отходе судна из порта г. Мурманск и находился в рабочем режиме все время рейса. Обработка данных гравиметра проводилась по стандартной методике программой Chekan_PP (программное обеспечение гравиметра «ЧЕКАН–АМ», предназначенное для сбора и последующей обработки гравиметрических данных), которая включает в себя расчет поправки за совместное действие горизонтальных ускорений и остаточных наклонов гироплатформы гравиметра, поправки Этвеша, поправки за смещение нуль-пункта гравиметра, вычисление приращений и аномалий поля силы тяжести. Полученные значения были загружены в базу данных Geosoft Oasis Montaj 7.3 (Geosoft Inc. Copyright © 2011). Далее по вычисленным значениям аномалий поля силы тяжести в свободном воздухе в точках пересечения рядовых и секущих профилей рассчитывалась СКП σ съемки.
Расчет СКП гравиметрических измерений выполнялся аналогично гидромагнитным. Результирующая СКП гравиметрической съемки при количестве пересечений точек наблюдений рядовых профилей с секущими n=1326 после уравнивания полиномами 7 степени составила ±0,14 мГал. Полиномы применялись для удаления небольших по значениям профильных погрешностей, ухудшавших вид первоначальной цифровой модели (ЦМ).
Чтобы не потерять низкоамплитудные аномалии по профилям, применялся низкочастотный фильтр Баттеруорта c шириной окна 150 метров.
Итоги выполненных опытных работ
Поле локальных магнитных аномалий в северной и северо-восточной части участка исследований имеет мозаичную структуру, с амплитудами на уровне погрешности съемки. Локальные аномалии с амплитудами заметно выше погрешности наблюдений развиты в основном в юго-западной части изучаемой площади, где они прослеживаются в виде узких квазилинейных зон западного и северо-западного направления (рис. 5, слева). Амплитуда положительных аномалий составляет в среднем 6–10 нТл, максимум 14 нТл. Вероятно, выделенные аномалии отражают геологические неоднородности в осадочном чехле, что подтверждается сейсмоакустическими данными, на которых в волновой картине фиксируются очертания данной геологической структуры (рис. 6) в южной части приведенного на рисунке сейсмического разреза профиля № 1.
В полученном поле аномалий силы тяжести отчетливо выделяются несколько зон. В первую очередь, это изогнутая линейная зона положительных амплитуд запад-северо-западного, переходящего в северное простирание, интенсивностью 1–2 мГал (рис. 5, справа). Эта зона практически полностью совпадает с аномальной зоной, полученной по данным магниторазведки (рис. 5, слева), что коррелирует и с результатами интерпретации данных сейсморазведки. В результате комплексной интерпретации локальных аномалий поля силы тяжести и магнитного поля локализована изогнутая аномальная зона, пересекающая юго-западную и западную часть участка исследований, заключенная между зелеными линиями на картах аномальных полей на рис. 5. Выделенная аномальная зона приурочена к границам палеовреза, который первоначально был обнаружен по данным сейсмоакустических исследований (см. рис. 6).
В результате анализа данных сейсморазведки высокого разрешения в верхних 500 метрах разреза было выделено 4 сейсмокомплекса (СК), границами которых являются 5 опорных отражающих горизонтов: Н0 (морское дно), Н1, Н2, Н3, Н4 (рис. 6). Стратиграфическая привязка указанных рефлекторов производилась путем сопоставления сейсмических данных с разрезами скважины № 1, расположенной в 7,2 км к югу от площадки, и № 2, расположенной в 18,4 км к северо-западу от площадки. При этом использовалась региональная сейсмостратиграфическая схема и результаты ранее проведенных изысканий на исследуемом участке.
По результатам сопоставления отражающий горизонт Н2 приурочен к границе верхнего мела – нижнего палеогена, отражающий горизонт Н3 к кровле кампана. Границы Н3.1 и Н3.2 были выделены внутри сейсмического комплекса H3 по априорным скважинным данным.
Наблюдаемая в восточной части исследуемой площадки изометричная зона отрицательных аномалий поля силы тяжести интенсивностью до –0,8 мГал (рис. 5, б) по сейсморазведочным материалам отвечает врезам сложной конфигурации, но при этом не отражается в магнитном поле. Эта область отрицательных аномалий может быть связана с разуплотнением осадочных слоев, вызванным газонасыщенностью, что безусловно должно быть учтено при планировании установки добычного оборудования.
Выводы
Главным фактором эффективности решения геофизических задач при выполнении инженерно-геологических изысканий на шельфе является комплексный подход к интерпретации данных сейсморазведки и потенциальных методов геофизики. Приведенные в статье результаты интерпретации данных, как гравиразведки, так и дифференциальных гидромагнитных исследований с наблюдениями вариаций магнитного поля на магнитовариационной станции, показали высокую эффективность методов при комплексировании с данными сейсморазведки для локализации палеоврезов и трассирования их границ. Опыт проведенных работ показывает, что даже при попутных гравиметрических наблюдениях имеется возможность надежного выделения аномалий до 0,5 мГал, а при благоприятных условиях – до 0,1–0,2 мГал.
Комплексная интерпретация данных потенциальных полей и сейсморазведки позволяет получить достоверную картину распространения палеоврезов, тектонических нарушений и других потенциально опасных геологических и техногенных структур. Как показывает практика, результаты методов хорошо подтверждают друг друга.
В комплексе с материалами сейсморазведки и другими геолого-геофизическими данными гравиметрия позволяет получить представление об объемном плотностном строении изучаемого массива пород разреза, дать рекомендации по дальнейшим исследованиям, что, несомненно, поможет выбрать правильное место для установки платформы и безопасного проведения бурения на стадии эксплуатации месторождения. Результаты комплексной интерпретации подтверждают высокую чувствительность гравиметрии и магнитометрии, их совместимость и продуктивность для решения задач морских инженерных изысканий при условии использования высокоточной измерительной аппаратуры и эффективных методов обработки материалов работ и их интерпретации.
Заключение
Для решения задач инженерно-геологических изысканий в МАГЭ обычно применяется следующий набор геофизических методов:
- батиметрическая съемка методом промера глубин многолучевым эхолотом (МЛЭ);
- гидроакустическая съемка дна гидролокатором бокового обзора;
- сейсморазведка высокого разрешения (СВР);
- непрерывное сейсмоакустическое профилирование в диапазонах низких и высоких частот;
- дифференциальная гидромагнитная съемка.
Среди них доминирующими являются сейсмоакустические методы – непрерывное сейсмоакустическое профилирование и высокоразрешающая (высокочастотная) сейсморазведка.
Демонстрируемое в ряде выполненных проектов работ, как в рамках геолого-геофизического изучения относительно больших площадей, так и в случае локально проводимых специализированных инженерно-геологических изысканий, успешное применение совместно проводимых дифференциальных магниторазведочных и высокоточных надводных гравиметрических работ позволяет предложить рассматривать и гравиразведку в качестве необходимого метода при выполнении инженерных съемок.
Назревшее, по нашему мнению, дополнение сложившейся практики проведения ИГИ дополнительными исследованиями, в данном случае обсуждаемыми гравиметрическими работами, отражает общую тенденцию совершенствования технологии. Может оказаться целесообразным включение в применяемый МАГЭ при ИГИ работах набор и других методов. Таковыми могут стать, например, модификация сейсморазведки высокого разрешения за счет внедрения разрабатываемых при участии МАГЭ в рамках программы импортозамещения волоконно-оптических кос [9] и электрохимические исследования, эффективность которых при поисках углеводородов была ранее показана в работах ФГБУ «ВНИИОкенагеология» им. И.С. Грамберга и АО «МАГЭ» [28]. Применение электрохимических работ для целей ИГИ нами еще не рассматривалось, в дальнейшем аргументы в этом отношении могут появиться.
Литература
1. Андреев О.П., Кобылкин Д.Н., Ахмедсафин С.К. и др. Гравиметрический контроль разработки газовых и газоконденсатных месторождений. Состояние, проблемы, перспективы. М.: ООО «Издательский дом Недра», 2012. 374 с.
2. Базилевич С.О., Казанина М.А., Жилин Ф.Е., Шепелев А.А., Кочетов М.В. Разработка и внедрение методики высокоточных гидромагнитных и набортных гравиметрических исследований при инженерных изысканиях на шельфе // Приборы и системы разведочной геофизики. 2023. № 4. С. 32–38.
3. Базилевич С.О., Казанина М.А., Жилин Ф.Е., Кочетов М.В., Шепелев А.А. Высокоточные гидромагнитные и набортные гравиметрические исследования при инженерных изысканиях на шельфе // Гелиогеофизические исследования. 2023. № 41. C. 27–33.
4. Блох Ю.И. Теоретические основы комплексной магниторазведки. М., 2012. 160 с.
5. Буданов Л.М., Сенчина Н.П., Шнюкова О.М., Горелик Г.Д. Исследование палеовреза с помощью гравиметрических наблюдений. Геосистемы переходных зон, 2020, т. 4, No 3, с. 288–296. https://doi.org/10.30730/gtrz.2020.4.3.288-296.
6. Бычков С.Г., Геник И.В., Простолупов Г.В., Щербинина Г.П. Современная гравиразведка при геологоразведочных работах на нефть и газ // Геофизика. 2013. № 5. С. 42−45.
7. Гордин В.М., Розе Е.Н., Углов Б.Д. Морская магнитометрия. М.: Недра, 1986. 232 с.
8. Городницкий А.М., Филин А.М., Малютин Ю.Д. Морская магнитная градиентная съемка. М.: Наука, 2004, 140 с.
9. Казанин Г.С., Базилевич С.О., Морозов И.С., Шабалкин В.В., Хрусталев М.А., Жилин Ф.Е., Дмитращенко П.Ю., Куликов А.В., Лавров В.С., Мешковский И.К., Плотников М.Ю. Инновационная технология создания и применения волоконно-оптических буксируемых сейсмических кос для проведения комплексных инженерных изысканий / Сборник работ лауреатов Международного конкурса научных, научно-технических и инновационных разработок, направленных на развитие и освоение Арктики и континентального шельфа 2019 года. – М.: Министерство энергетики Российской Федерации, ООО «Технологии развития», АО «Печатный дом «Формат». – 2019.– С. 36–39.
10. Колюбакин А.А., Миронюк С.Г., Росляков А.Г. и др. Применение комплекса геофизических методов для выявления опасных геологических процессов и явлений на шельфе моря Лаптевых // Инженерные изыскания. 2016. № 10–11. С. 38−51.
11. Костицын В.И. Методы повышения точности и геологической эффективности детальной гравиразведки. Пермь: ПГУ, 2002. 220 с.
12. Кочетов М.В., Шепелев А.А., Челышев С.В. Возможности набортных гравиметрических и гидромагнитных исследований при решении инженерно-геологических задач на шельфе // Вестник Московского университета. Серия 4: Геология. 2023. № 3. С. 88–97. https://doi.org/10.55959/MSU0579-9406-4-2023-63-3-88-97.
13. Мусатов Е.Е. Палеодолины Баренцево-Карского шельфа. // Геоморфология и палеогеография. 1998 (2), с. 90–95.
14. Никитин А.А., Хмелевской В.К. Комплексирование геофизических методов. Тверь: ГЕРС, 2004. 294 с.
15. Семевский Р.Б., Аверкиев В.В., Яроцкий В.А. Специальная магнитометрия. СПб.: Наука, 2002. 228 с.
16. Современные геофизические исследования в рамках инженерно-геологических изысканий на континентальном шельфе - Д.И. Черников, Д.А. Науменко, А.П. Демонов. / Морские технологии: Материалы конференции (г. Геленджик, Россия, 22–26 апреля 2019 г.). Геленджик: 2019. С. --
17. Стариков В.С. Методы инженерной геофизики при поисках техногенных объектов на мелководных акваториях // Вестн. Воронеж. гос. ун-та. Серия: Геология. 2021. № 1. С. 75−81.
18. Шепелев А.А., Жилин Ф.Е., Демонов А.П. Эффективность выполнения гидромагнитных градиентометрических исследований с использованием магнитовариационной станции при инженерно-геологических изысканиях на континентальном арктическом шельфе // Инженерные изыскания. 2021. Т. XV, № 3−4. С. 32−41.
19. Chiocci, F.L., Cattaneo, A. and Urgeles, R. (2011) ‘Seafloor mapping for geohazard assessment: State of the art’, Marine Geophysical Research, 32(1–2), pp. 1–11. doi: 10.1007/s11001-011-9139-8.
20. Shepelev A.A., Zhilin F.E. Comparison of Processing Results of Magnetometric Data Using Magnetic Base Station and Gradiometer in Offshore Engineering Survey // Engineering and Mining Geophysics 2021. – European Association of Geoscientists & Engineers. 2021. Vol. 2021. № 1. P. 1–7.
