Ю.Б.Баду

ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ, СОСТОЯНИЯ И СВОЙСТВ КАЙНОЗОЙСКИХ ОТЛОЖЕНИЙ СЕВЕРНОЙ ЧАСТИ ЗАПАДНО-СИБИРСКОЙ ПЛИТЫ

В пределах северной части Западно-Сибирской плиты расположены крупнейшие нефтегазовые месторождения – Харасавэйское и Ямбургское, в пределах которых в 1980-1984гг. были выполнены комплексные инженерно-геокриологические и криолитологические исследования.  Для экономичной и эффективной разработки этих площадей  тогда требовался  большой объем инженерно-геокриологической информации, позволяющей учитывать изменчивость геокриологических условий территории. Широкое развитие здесь мощных низкотемпературных толщ вечномерзлых пород обязывало проводить  комплексные  исследования процессов как естественного изменения состава, состояния и свойств горных пород, так и искусственного теплового и механического воздействия на породы  заколонного пространства с целью обеспечения эффективного и безаварийного режима работы эксплуатационных скважин.

Геологическое строение кайнозойских отложений

Наиболее полные разрезы кайнозойских отложений изучены нами на северо-западе Ямала у п.Харасавэй (260 м) и в северной части Тазовского 

п-ова (150 м). Ямальский разрез вскрывает (снизу вверх) нерасчлененную толщу палеоцен-маастрихтского возраста, перекрытую мощным базальным горизонтом и 150-метровой толщей четвертичных отложений - полуйской и казымской (Q_I-II ), салехардской ( Q_II ^2-4 ) и казанцевской свит ( Q_III¹ ) и каргинско-сартанского горизонта ( Q_III^3-4 ). В Ямбургском разрезе (Тазовский полуостров) толща палеогеновых отложений

( P₁  ) с размывом перекрыта пачкой четвертичных отложений казымской, салехардской и казанцевской свит мощностью 93,5 м.

Палеогеновые отложения

Палеогеновые отложения представлены в Ямальском разрезе (150-260 м) мощной   толщей темнокоричневых горизонтально- слоистых глин с прослоями супесей и косослоистых песков. В них содержатся включения обломков раковин моллюсков, растительных обугленных остатков, мелкой гальки сланцев и щебня черных аргиллитов. Видовой состав споропылъцевнх спектров маастрихт-палеоценовый, фораминиферы нечетвертичного облика, определена створка остракоды мелового возраста на глубине 237м.

В Ямбургском разрезе палеогеновые отложения (93,5-150 м) представлены аналогичными суглинисто-глинистыми породами, но зеленовато-серого цвета, а прослои песков встречаются значительно реже.

Четвертичные отложения

Нижнечетвертичные отложения казымской свиты залегают в Ямальском разрезе в интервале 110-150 м, а в Ямбургском - в интервале 65,4-93,5 м. Они представлены плотными темно-серыми суглинками и глинами с гравийно-галечниковым заполнителем. Заметно присутствие песчаных прослоев с волнистой текстурой, осложненной гофрированными складками. Характерная черта вскрытой части разрезов - мощный базальный горизонт косослоистых разнозернистых песков с гравием, галькой и окатышами глин. Видовой состав споропылъцевых спектров смешан, отмечены обломки и иглы губок, обрывки водорослей. Среди разнообразия фораминифер преобладают характерные виды обского комплекса.

Среднечетвертичные отложения салехардской свиты представлены  в Ямальском  разрезе (56,5-11Ом) однородными тяжелыми глинами  зеленовато-серого цвета с точеч­ными включениями тонкодисперсной органики, раковинами морских моллюсков, большим количеством фораминифер арктобореальных п арктических форм. Споропыльцевые спектры типично лесотундрового типа. Аналогичными по составу породами сложена толща салехардских отложений (29-65,4 м) в Ямбургском разрезе.

Позднечетвертичные отложения казанцевской свиты в Ямальском разрезе (20-56,5 м) представлены переслаиванием глин, супесей, суглинков и песков. Слоистость волнистая, местами отмечаются каплевидные деформации. Пески обогащены растительными остатками. Споропыльцевые спектры преимущественно лесного и лесотундрового типа. В Ямбургском разрезе толща казанцевских отложений завершает разрез и сложена преимущественно песчаными разностями пород с различной степенью пылеватости и заторфованности, а в самой верхней части разреза отмечены прослои супесей и суглинков.

Позднечетвертичные  отложения каргинско-сартанского горизонта на Ямале завершают разрез, слагая 20-метровую толщу суглинков  и супесей, обогащенных растительными остатками.

Гранулометрическнй состав кайнозойских отложений

Гранулометрический состав горных пород в изученных разрезах существенно неоднороден (табл. 1). Результаты исследований показывают, что среди четвертичных отложений максимальной дисперсностью отличаются глины и суглинки салехардской свиты, хотя в Ямбургском разрезе  для них характерно высокое содержание пылеватых частиц. Песчаные фракции здесь также представлены в довольно широком диапазоне. Менее дисперсны суглинисто-глинистые отложения казанцевской свиты, в них больше частиц песчаной фракции. Позднечетвертичные отложения каргинско-сартанского горизонта в нижней его части преимущественно песчаные, в верхнеи - глинистые. Состав глинистых пород палеогеновых отложении весьма сходен в обоих разрезах, если не учитывать более высокое содержание песчаных фракций в глинах Ямальского разреза.

Минеральный состав кайнозойских отложений

Состав глинистой фракции изученных пород полиминерален (табл. 2). Во всех исследованных образцах отмечены гидрослюды, монтмориллонит, каолинит и хлорит, количественные соотношения между которыми заметно меняются по разрезу. В образцах четвертичных отложений содержание основных минералов приблизительно одинаково при небольшом преобладании монтмориллонита и гидрослюд. В образцах палеогеновых отложений Ямальского разреза резко доминирует каолинит, а в тех же Ямбургского разреза  - гидрослюды. В качестве примесей почти во всех образцах от­мечены хлорит, гидроокислы железа, галлуазит, обломки диатомей, органическое вещество. Распределение органики по разрезу по­казано в табл. 3. Песчаная фракция состоит, в основном, из минералов осадочной  и  изверженной групп пород.  Среди минералов легкой фракции преобладают (89-97%) полевые шпаты и кварц. В основе тяжелой фракции - пироксены и роговая обманка, рудные минералы, в не­больших количествах неизменно встречаются мусковит, турмалин, сфен, эпидот, цоизит, гранат, лейкоксен. Характерно увеличение количества глауконита, рудных минералов, карбонатов, граната, пирита и лимонита вниз по разрезу.

Указанный состав глинистой фракции пород определяет сред­нюю коллоидную активность грунтов Ямбургского разреза в северной части Тазовского полуострова. При оттаивании и увлажнении они будут слабо набухать и уплотняться под нагрузкой. Это согласуется с малыми величинами показателя гидрофильности грунтов, т.е. подчеркивает слабую способность тонкодисперсной фракции связывать большие количества воды. Таким образом, при оттаивании и переувлажнении грунтов несущая способность их практически не изменится.

Таблица 1 Гранулометрический состав кайнозойских отложений

Таблица 2 Минеральный состав глинистой фракции кайнозойских отложений (по данным рентгено-структурного анализа)

Таблица 3

Содержание органики (%) в кайнозойских отложениях

Результаты исследований показывают, что определение гранулометрического и минералогического состава грунтов в разрезе имеет существенное значение при разработке долгосрочного прогноза взаимодействия скважин с многолетнемерзлыми породами. Различные по  составу грунты содержат неодинаковое количество связанной воды, а поэтому столь  же различные теплофизические и физико-механические характеристики. Немалую роль играет однородность состава грунтов в разрезе или преобладание в нем определенного типа грунта. Оценка динамики развития того или ино­го мерзлотного процесса в заколонном пространстве не может быть выполнена без качественных определений состава горных пород, слагающих разрез. При этом необходимо иметь данные об их засоленности и химическом составе солей в этих породах.

Химический состав воднорастворимых солей

Результаты исследования водных вытяжек показывают, что все горизонты вскрытых разрезов сложены засоленными породами. Величина засоленности и ее тип меняются в зависимости от состава пород и их стратиграфо-генетической принадлежности. Содержание легкорастворимых солей зависит в первую очередь, от гранулометрического состава, т.е. от количества глинистых частиц в породе. В песчаных разностях плотный остаток составляет 0,12-0,18%, а в супесях 0,21-0,27%, в суглинках 0,36-0,81% (причем в тяжелых 0,66-0,81%), в глинах 0,51-0,98%, а в тяжелых глинах достигает 0,85-1,1% (табл.4).

Палеогеновые глинистые породы относятся к засоленным грунтам сульфатного типа засоления, связанного с окислением содержащегося в них пирита. Они характеризуются кислой и нейтральной реакцией среды, локальными повышениями общей жесткости, высокой общей щелочностью.

Четвертичные породы в Ямальском разрезе имеют хлоридно-натриевый тип засоления. Рост содержания ионов хлора всегда совпадает с увеличением общей минерализации водных вытяжек. Основные ионы в солевом составе располагаются в таком же порядке, как  в морской воде и в современных морских осадках. Засоленность пород Ямбургского разреза  существенно ниже. Солевой состав преимущественно натриево-сульфатный с характерным минимальным содержанием анионов хлора и катионов кальция и магния. Реакция среды преобладает щелочная, реже слабокислая: жесткость преимущественно карбонатная, общая щелочность невысокая.

Таблица 4

Содержание воднорастворимых солей в кайнозойских  отложениях (%)

В геологическом строении изученных разрезов северо-западного Ямала и северной части Тазовского п-ва отмечаются четкие закономерности, обусловленные общей направленностью палеогеографического развития территории. Это отражено в едином составе и строении литологических пачек отложений, характери­зующихся  обособленными, но внутри сравнительно однородными фаунистическими комплексами. Оба разреза достоверно коррелируются, выделено 4 общих геолого-генетических комплекса, различающихся особенностями условий формирования мерзлых толщ. Последними и определяются различные геокриологические условия изученных участков севера Западно-Сибирской плиты.

Состояние горных пород

В процессе комплексных геокриологических исследований были получены новые данные о тепловом состоянии и строении толщ кайнозойских отложений. Измерения температур в выстоявшихся скважинах указывают на положительный температурный градиент в криогенной толще и на продолжающийся в настоящее время процесс промерзания верхних слоев криолитосферы. Сравнение естественной температуры пород по разрезу и экспериментально оп­ределенной температуры начала замерзания пород, при известных величинах их влажности и засоленности, показывает, что граница распространения льдистых мерзлых пород располагается на глубинах 165-170 м в разрезе северо-западного Ямала и несколько ниже в северной части Тазовского п-ва.

Известно, что неоднородность фазового состава влаги в породах подчеркивается анализом материалов стандартного каротажа, качественно определяющего фазовый состав грунтовой влаги при известных отрицательных температурах. Характер поведения поля ПС в переходных зонах от мерзлых к талым породам или охлажденным резко различен и поэтому может быть показателем состояния пород, т.к. потенциал мерзлых пород выше, чем талых или охлажденных. При выраженном температурном градиенте в мерзлых породах наблюдается резкий скачок градиента естественного потенциала на границе исчезновения видимых включений льда в породе. Таким образом, выделяется подошва мерзлой толщи, а ниже фиксируется переходный горизонт мерзлых и охлажденных, пластично-мерзлых или только охлажденных пород. Мощность этого горизонта  определяется составом, влажностью и температурой пород, а особенно - давлением и минерализацией поровой влаги.

Результаты комплексного исследования керна горных пород, данных стандартного каротажа, термометрии, температур начала замерзания пород при определенной концентрации порового раствора показывают, что в изученных разрезах залегают весьма неоднородные по состоянию слои (табл. 5). Так, в Ямальском разрезе выделяются два горизонта пород - верхний мерзлый и нижний охлажденный. Подошва вечномерзлых пород здесь расположена на глубине 165 м, а ниже залегают охлажденные породы, отрицательная температура которых выше точки начала их замерзания. Существование такого горизонта отмечается практически повсеместно на севере Западно-Сибирской плиты.

В разрезе криогенной толщи северной части Тазовского п-ва, вскрытой до глубины лишь 150 м, выделяются горизонты твердомерзлых и пластичномерзлых глинистых пород. Слои охлажденных пород залегают гораздо ниже.

Выделенные выше горизонты характеризуются также и различным криогенным строением горных пород. В верхней 10-20-метровой части разреза тонкодисперсные отложения имеют слоистую и сетчато-слоистую криогенную текстуру. Толщина ледяных шлиров Н_шл =0,1-3 см, толщина минеральных прослоек  между ними Н_мп  = 1-5 см. На глубинах до 50-70 м в глинах отмечаются слоисто-сетчатые и сетчатые криогенные текстуры (Н_шл=0,1-1,0см, Н_мп=5-20см). В пластично-мерзлых суглинках и глинах местами отмечается крупносетчатая и горизонтальная редкослоистая кри­огенные текстуры. Охлажденные породы видимых включений льда не содержат. При микроскопическом исследовании этих пород от­мечены отдельные ледяные корки и гнезда вокруг агрегированных частиц грунта.

Таблица 5 Состояние пород криогенной толщи

Ямальский разрез

Ямбургский разрез

Водно-физические свойства грунтов

Горные породы в процессе формирования и последующего развития претерпевают воздействие промерзания, льдовыделения, пучения, уплотнения, обезвоживания, протаивания, набухания и др. Совокупное воздействие диагенетических процессов приводит к формированию целого ряда свойств горных пород, в целом закономерно изменяющихся по разрезу (табл. 6).

Анализ величин плотности, пределов пластичности и естественной влажности показывает, что при протаивании мерзлые породы могут принимать различную консистенцию - от полутвердой и твердой до пластичной и текучей.

При протаивании и интенсивном обводнении породы будут размокать и разрушаться в стенках скважин, в кавернах, на различных участках заколонного пространства. Так, например, глины и суглинки на глубине 30-60 м полностью размокают за 9-26 часов. Ниже по разрезу (до 100 м) породы размокают и разрушаются гораздо медленнее и неполностью. Палеогеновые же глины распадаются полностью всего через 1-1,5 часа после начала испытаний.

Вечномерзлые породы  при оттаивании могут дать осадку различной величины. В пределах большого ореола оттаивания вок­руг скважин Ямальского разреза суммарная осадка может достигнуть 6-7 м, а в северной части Тазовского п-ва - не более 4,5-5 м.

В таблицу 6 сведены осредненные значения параметров основных свойств грунтов, необходимые в расчетах как теплового, так и механического взаимодействия скважин с многолетнемерзлыми породами.

Результаты полевых и лабораторных исследований показывают, что в пределах севера Западно-Сибирской плиты разрез толщ вечномерзлых пород отличается существенной сложностью геологического и геокриологического строения. В связи с этим в дальнейшем необходимо детальное уточнение всего комплекса инженерно-геокриологических условий в пределах каждого месторождения.

Таблица 6 Основные показатели воднофизических  свойств кайнозойских отложений

(в числителе - по Ямальскому разрезу,  в знаменателе – по Ямбургскому разрезу, осредненные)