Современные геологические процессы, влияющие на окружающую среду Каспийского региона

Геологические опасности — это долгосрочные и краткосрочные геологические процессы, в значительной степени оказывающие негативное воздействие на природную среду, растения, людей, животных, объекты экономики. Геологические опасности могут быть относительно небольшими, но они также могут достигать огромных размеров.

К геологически опасным явлениям относят: землетрясения, извержение вулканов, в том числе грязевых вулканов, осыпи и обвалы, сели, просадку или провалы земной поверхности в результате карста, эрозии, абразии, лавины, смывы, оползни и др. Непрерывное и междисциплинарное расследование возникновения и последствий геологических опасностей, в частности морских геологических опасностей в связи с разведкой нефти и газа, привело к конкретным исследованиям по смягчению последствий и созданию соответствующих механизмов предотвращения.

Для оценки экологических рисков, связанных с геологическими опасностями, необходим учет геологических особенностей Каспийского региона, где протекают современные геологические и геодинамические процессы, активно влияющие на окружающую среду. Современная экологическая ситуация в Каспийском регионе характеризуется нестабильностью, обусловленной совместным действием ряда природных и антропогенных факторов.

Примерами геологических опасностей в результате геодинамической активности в регионе являются просачивание разливов углеводородов на поверхность земли в результате геодинамической активности, сейсмичности, грязевого вулканизма, активности дизъюнктивных нарушений и другие, которые рассмотрены ниже.

Геологические опасности, связанные с просачиванием углеводородов в результате геодинамической активности

На морских акваториях и на прилегающей суше Каспийского региона существует огромное количество естественных, длительно функционирующих выходов нефти и газа в форме макро- и микросипов, покмарков и грязевых вулканов. На космических снимках Каспийского моря отчетливо видны периоды поступления огромных масс углеводородов, фиксируемых по пленкам нефти и изменению прозрачности воды [25][30] (рис. 1).

По данным космической радиолокации скопления пятен, отобразившиеся на радиолокационной информации, являются результатом активности подводных грязевых вулканов и грифонов, характеризующихся выделением небольших объемов газов, воды и нефти, что фиксирует геофлюдодинамически активные периоды в углеводородных системах. На общем фоне обширного нефтяного шлейфа отчетливо видны многочисленные самостоятельные сгустковые образования с высокой спектральной яркостью, маркирующие проекции на поверхность очагов этих мелких загрязнений. Всплывшая нефть образует пленки и формируют пятна, именуемые сликами (рис. 2).

Нефть всплывает на поверхность моря пузырьками газа (рис. 2в), пузырьки лопаются, а нефть остается на поверхности [52]. Попав на поверхность, нефть образует отдельные небольшие пятна, а затем, собираясь, дрейфуя и растекаясь, — большие пятна длиной несколько километров.

Находясь под действием поверхностных течений (в данном случае пренебрегаем незначительным вкладом ветра в общий дрейф пленок), пленки перемещаются в их поле и в открытом море приобретают вихревую закрутку. Когда скорость дегазации высока, а сам процесс происходит неоднократно, газ, проходя через осадки, влияет на морфологию дна и образует округлые впадины или кратеры, называемые оспинами (рис. 2г). Расположение таких кратеров указывает на наличие газовых выходов и метановых биотопов на морском дне.

По своей морфологии в плане наблюдаемые пятна нефти можно разделить на пятна линейной, кольцевой и радиально-лучевой формы. Кольцевая и петлеобразная формы пятен — результат вовлечения пленок в локальные вихревые структуры циклонического или антициклонического характера. Дешифрирование радиолокационной информации (РЛИ) в сочетании с данными морских геолого-геофизических и сейсмологических исследований выявили связь этих пятен с очагами разгрузки флюидов в сводах локальных структур осадочного покрова Южно-Каспийской впадины (ЮКВ) [4].

Установлено, что периодичность появления пятен нефти отражает чередование импульсов грязевого вулканизма в моменты повышенной сейсмичности с периодами спокойной разгрузки флюидов по проницаемым зонам разрывных нарушений. Сводная карта нефтяных пятен показана на рисунке 3. В период с июля 2003 по октябрь 2004 г. в течение каждого из семи сеансов РЛ-съемок на поверхности моря наблюдалось от 30 до 98 пятен нефти (см. табл. 1).

Из анализа рисунков 3 и 4 следует, что распределение нефтяных пятен на поверхности моря в целом согласуется со строением осадочного покрова рассматриваемой части ЮКВ. В азербайджанском секторе Южного Каспия нефтяные пятна появляются над грязевыми вулканами, которые расположены в сводах пяти линейных антиклинальных складок северо-западного простирания. Эти складки прослеживаются в глубоководной и мелководной частях моря со стороны соседней территории и имеют прямую выраженность в рельефе дна, особенно в пределах континентального склона [5].

На основе анализа карт сделан вывод, что скопления пятен, отобразившиеся на РЛИ, являются результатом активности подводных грязевых вулканов и грифонов, находящихся в относительно спокойной грифонно-сальзовой стадии, характеризующейся выделением небольших объемов газов, воды и нефти. Оценки объемов выброшенной нефти напрямую зависят от общей площади и толщины наблюдаемых пятен. Толщина нефтяной пленки в пятнах нефти, связанных с донными истечениями нефти, оценивается в 10^-1—10^-2 мкм, а время существования слика (пятна) на морской поверхности — в 8—24 часа [31]. Подмечено, что пленки нефти на морской поверхности в районах грязевулканической активности имели окраску от серебристо-серой до радужной [28], что соответствует средней толщине пленки (3—5)×10^-4 мм [32—34].

Исходя из того, что каждый кв. км акватории моря, покрытой пленкой, может содержать до 400—450 кг нефти [33], можно оценить экологический эффект грифонной активности. Судя по сводной карте (см. рис. 3), суммарные площади сликов варьируют от 19 до 127 км² (см. табл. 1). Площадь наибольших пятен достигает 15 км². Средняя площадь отдельных пятен нефти варьировала от 0,6 до 3,4 км², а их общая площадь за все дни составила 544,4 км². Таким образом, суммарная оценка естественного выброса нефти в море составляет от 6,8 до 44,5 т в день или от 2,5 до 16 тыс. т нефти в год (с учетом ежедневной активности) (см. табл. 1).

Вполне очевидно, что пластовые нефти вносят существенный вклад в общее загрязнение Каспийского моря. Такая природная инфильтрация может быть ошибочно приписана антропогенной деятельности, хотя на самом деле представляет собой одну из характерных особенностей Каспийского моря. По данным Каспийской экологической программы [38], оценка природного загрязнения составляет 17,2% от общего загрязнения моря нефтью и нефтепродуктами (120 тыс. т), а по данным ряда других источников — до 13—15% от общего загрязнения Мирового океана. По оценкам, разгрузка пластовых нефтей в западной части Южного Каспия может обеспечивать поставку до 13% общего загрязнения Каспийского моря. Для сравнения, вклад грифонов в общее загрязнение Мексиканского залива, по оценкам американских специалистов, может составлять от 17 до 140 тыс. т в год; оценки для шельфа Южной Калифорнии дают 8—17 тыс. т нефти в год [39].

Геологические опасности, связанные с землетрясениями

Важнейшей особенностью структуры Каспийского региона являются сейсмотектоническое напряженное состояние недр и высокая геодинамическая активность, ярким проявлением является сейсмичность (рис. 5 и 6). С геодинамической активностью региона сопряжены различные виды разрядки флюидодинамической напряженности недр (систем гидро- и литодинамических потоков в зонах разрядки геодинамических напряжений), и прежде всего это интенсивные восходящие разгрузки разнообразных подвижных флюидов и их компонентов, которые создают экологические опасности, что наносит экологический ущерб окружающей среде [18].

Территория Каспийского региона расположена в сейсмически активном поясе. Основываясь на данных 533 зафиксированных землетрясений начиная с 1832 года, были оценены вероятностные риски в Каспийском море [35].

Изучение современных движений и деформаций на основе исследования влияния конфигурации элементов геодезической сети на результаты определения компонент деформации земной поверхности, происходящих в исследуемом регионе, позволило выявить неоднородный характер деформационного поля региона. Это в основном связано с блочным строением региона. Конец 2000 — начало 2001 годов охарактеризованы сейсмической, грязевулканической и солнечной активизацией. Произошла серия сильных землетрясений с магнитудой до М = 6,8. Компьютерная обработка и визуальное дешифрирование радиолокационной информации в сочетании с данными морских геолого-геофизических и сейсмических исследований выявили связь нефтяных пятен и выбросов газа с очагами генерации и разгрузки флюидов в осадочном покрове Каспийского региона.

Большое количество аварий, произошедших на нефтепромыслах, свидетельствует о том, что разработка залежей углеводородов неизбежно сопровождается рядом опасных инженерно-геологических процессов в виде наведенной сейсмичности, прорыва мощных высоконапорных струй подземных вод, нефтей и газов [43][45]. Ретроспективный анализ сейсмологического материала показывает, что аварии на буровых платформах и установках часто происходят в период подготовки землетрясений и извержения грязевых вулканов [40, 41]. Сопоставление дат аварий с датами сильных землетрясений убеждает в том, что периоды активности грязевых вулканов и появление пятен на поверхности моря хорошо коррелируют друг с другом, что, однако, требует более детального анализ архивов РЛИ за более длительный промежуток времени [21].

Связь появления пятен нефти с сейсмичностью региона оценивалась на основании данных USGS National Earthquake Information Center о землетрясениях, произошедших в Южно-Каспийском регионе в 2003—2004 гг. (рис. 7). Как видно из рисунка, сеансы РЛ-съемок соответствуют периоду относительного сейсмического затишья. На фоне этого затишья выделяется кратковременный период (март — июнь 2004 г.), который отличался заметным ростом числа и магнитуды землетрясений в Северном Иране.

Условные обозначения: на врезке рисунка 7 — корреляция между магнитудой землетрясений и количеством пятен нефти, обнаруженных на РЛИ. Эллипсом отмечена серия землетрясений в Северном Иране, спровоцировавшая появление большого количества пятен нефти на поверхности моря [46][47].

Характерно, что этот «беспокойный» период сопровождался ростом числа и площади нефтяных пятен, причем максимальное количество пятен отмечено на РЛИ 15 и 31 мая 2004 г. (врезка, рисунок 7). В период сейсмического затишья корреляция числа пятен с импульсами сейсмичности менее четкая.

Геологические опасности, связанные с грязевыми вулканами

Анализ данных по землетрясениям и зафиксированным извержениям грязевых вулканов выявил связь между активизацией грязевулканической деятельности и сейсмичностью. Установлено, что землетрясения запускают процесс вулканизма грязевых вулканов, в который включены магнитуды землетрясения, глубины очага, энергетический класс, расстояние между эпицентром и вулканом. Извержение вулкана совпадает по времени или следует с некоторым опозданием за землетрясением (рис. 8).

Расположенные в этой зоне многочисленные грязевые вулканы рассматриваются как возможные каналы поступления флюидопотока на поверхность. Естественные выбросы нефти из недр юго-западной части Каспийского моря по данным космической радиолокации оцениваются от 2 до 16 тыс. тонн в год. Установлено, что периодичность появления пятен нефти отражает чередование импульсов грязевого вулканизма в моменты повышенной сейсмичности с периодами нормального распределения флюидов по проницаемым зонам разрывных нарушений.

В результате периодических извержений грязевых вулканов на протяжении последних сотен лет были вынесены десятки и сотни миллионов кубометров газа. Если расчетная скорость поступления углеводородов в залежи на гигантских месторождениях дают величины n×(10—13)кг/(м²/с), то для всех грязевых вулканов наземной части общий объем выброшенного газа оценивается величиной 32×103 млрд куб. м. Расчеты количества извержений грязевых вулканов за время их существования показывают, что количество извержений грязевых вулканов составляет 7350 (влк. Большой Кянизадаг), 6860 (влк. Торагай), 1250 (влк. Дашмардан), 550 (влк. Дашгиль), что позволило нам подсчитать приблизительные объемы газа, которые выбрасывались в атмосферу.

Подсчеты (по [19]) показали, что в районе Апшеронского полуострова на дневную поверхность выходят миллиарды кубометров газа и несколько миллионов тонн нефти в год — продукты современной генерации и эмиграции нефти и газа, не перехваченные ловушками и проницаемыми, заполненными водой пластами. Постоянный выброс огромных объемов углеводородных флюидов, особенно в местах локализации каналов грязевых вулканов, активность которых определяется частотой их извержения, является показателем геофлюидодинамической активности региона. Общее количество извержений, вычисленное по объему брекчии, достигает нескольких тысяч. Данные об исторических извержениях показывают, что за новейший период деятельности грязевых вулканов в атмосферу в процессе извержений было выброшено нескольких десятков триллионов кубометров газа (табл. 2, рис. 9).

К настоящему времени накоплен объем данных, обсуждаемых и в современной литературе [42, 44] свидетельствующий о возможности воспроизводства углеводородного сырья в недрах, активно влияющий на экологическую ситуацию.

На рисунке 8 показаны очаги грязевых вулканов Азербайджана за последние десять лет. Приведен частотный анализ параметров дегазации, зарегистрированных с помощью станции мониторинга.

На суше и на море Азербайджана известны более 250 грязевых вулканов. И лишь на 74 из них зарегистрированы извержения различной силы. При этом частота извержений тоже различная. На вулкане Локбатан за последние 2 века было зарегистрировано более 20 извержений, а на 33-х вулканах — всего по одному.

Извергаясь, грязевые вулканы выбрасывают миллионы кубометров сопочной брекчии (грязи), потоки которой могут снести все инфраструктурные постройки. Обломки пород исторгаются на десятки или первые сотни метров и могут повредить трубопроводы. Нередко во время извержения метановый газ возгорается, и пламя может привести к значительным разрушениям и жертвам недалеко от центра возгорания. Трещины, образующиеся в результате деятельности вулканов и острова на море, возникающие при извержении, а впоследствии размывающиеся, выделяющийся метановый газ, газогидраты — все эти явления могут привести к значительным разрушениям и потерям. При извержениях грязевых вулканов происходят геологические опасности, связанные с воспламенением газов, грязевыми потоками, выбросом потоков обломочных пород и др.

Извержения грязевых вулканов сопровождаются выбросами миллионов кубометров сопочной брекчии — грязи. Изверженная брекчия, будучи полужидкой, стекает по склонам вулканов вне зависимости от того, где этот вулкан расположен — на суше или на море. Достигая в толщине 10 метров и более, эти потоки грязи способны пройти сотни метров, реже километры до полной остановки, при этом, естественно, разрушая все преграды на своем пути (рис. 10).

Учитывая, что многие грязевые вулканы приурочены к промышленным скоплениям УВ, необходимо объективно оценить расстояние и зоны, где можно безопасно расположить платформы, трубопроводы, инфраструктурные сооружения. Важным вопросом является определение безопасного расстояния от возможного эруптивного центра, где можно поставить строения, инфраструктуру, скважины без риска для них быть разрушенными грязевым потоком. Если быть более точным, то нужно определить возможное направление потоков и длину потока, которые определяются тремя основными параметрами: 1) объем изверженной брекчии, 2) морфология вулкана и положение жерла на вулкане, 3) среда, в которой происходило извержение (суша или море, воздух или вода).

Кинематические и динамические характеристики потока варьируют в зависимости от среды, в которой этот поток движется. Форма потока и его скорость зависит от крутизны склона и содержания воды в потоке, определяющей вязкость. В какой-то степени скорость зависит от температуры воздуха и дождя. После дождя скорость грязевого потока увеличивается. Движение грязевых потоков продолжается от нескольких дней до нескольких месяцев и зависят от скорости высыхания грязи. На этот процесс влияют погодные условия. При теплой погоде грязь высыхает быстрее. То же самое происходит при ветре. При холодной погоде она высыхает медленнее, но может и замерзнуть. В отличие от потоков на суше в морской среде грязевой поток более вязок и плотен у эруптивного центра, и, наоборот, в отдалении он становится менее плотным. Грязь, смешиваясь с морской водой и пузырьками выделяющегося газа, образует мутьевые потоки, которые движутся вниз по склону [29].

Размеры и объемы грязевых потоков на суше могут быть оценены статистически. Вместе с тем имеются только два наблюдения, где оценена длина потоков в морских условиях.

Анализ формы и размеров грязевых потоков на суше показал, что они зависят от морфологического строения вулкана и его склона. Если кратер расположен на равнине, то покров имеет изометрическую форму. И наоборот, крутой склон обуславливает длинный продолговатый поток. По-видимому, подобное происходит и в водной среде. Здесь склон даже с небольшим углом падения может вызывать длинные потоки из-за низких значений вязкости.

Трудно предугадать, в какой среде потоки представят большую опасность — в водной или воздушной. С одной стороны, в воде сопротивление среды потоку выше, чем в воздухе. С другой стороны, ее вязкость гораздо ниже. Плюс в водной среде часть осадков движутся в виде мутьевого потока. По этой причине оценка опасности в двух средах проводилась различными методами: статистический анализ для вулканов суши и 3D-моделирование грязевых потоков для акватории моря.

Геологические опасности, связанные с дегазацией Земли

Как свидетельствуют результаты исследований, наряду с глубинной дегазацией Земли активная роль принадлежит коровой дегазации, сопряженной с состоянием и функционированием геофлюидодинамических систем, которые связаны с напряженным состоянием недр, высокой и разнообразной геодинамической активностью, ярким проявлением сейсмичности, грязевым вулканизмом и геохимическими процессами [13][14]. Формирование и эволюция геофлюидодинамических систем в недрах Земли происходит под влиянием геодинамических процессов при активном воздействии генерации, миграции и аккумуляции метана, водорода и других газов, которые протекают во всем объеме осадочного выполнения и на всех этапах эволюции бассейна при возникновении очагов фазовых переходов метана и водорода из растворенного в подземных водах в свободное состояние [50]. Метан является преобладающим компонентом в составе углеводородных газовых залежей. Превалирует он и в составе газовых шапок, и в растворенном газе низкоплотных, маловязких нефтей и представлен в выделениях грязевых вулканов в момент их извержения. Соответственно, формирование месторождений газа и нефти и грязевой вулканизм связаны с развитием полей концентраций этого компонента в природных средах, а именно — с процессами его образования, распределения и потребления в естественных циклах эволюции этих сред [49]. Поэтому и образование углеводородов, и грязевые извержения естественно рассматривать как составляющие общего явления, в основе которого лежат фазовые переходы, обусловленные развитием поля метана. Таким образом, процесс современной разгрузки газообразных флюидов связан с изменением энергетического состояния геофлюидодинамических систем и целым рядом физико-химических и флюидодинамических факторов [36][37].

Природные газы на территории Азербайджана характеризуются разнообразным химическим составом. Основными компонентами природных газов являются метан, углекислый газ и азот с содержанием более 50%. Остальные компоненты, такие как этан, пропан, бутан, аргон и др., являются примесями, содержание которых не превышает единицы процентов, а такие, как сероводород, гелий, неон и др., содержатся в микроконцентрациях, в долях одного процента [22, 23].

Углекислые воды на территории Азербайджана представляют собой гетерогенную систему, компоненты которой имеют разный генезис. По изотопному составу гелия и углерода CO₂ газы минеральных вод близки к газам верхней мантии, однако, судя по высоким значениям СО₂/Не, доля метаморфогенной СО₂ значительно превышает магматогенную. Примесь метана в газах имеет коровое происхождение, и его повышенные концентрации маркируют надвиговую структуру Главного хребта. В питании источников доминирует атмогенная составляющая. В изотопном составе воды видны следы высотной зональности, типичной для современных атмосферных осадков [27].

Количество СО₂ в газах вулканов Азербайджана находится обычно в пределах 0,01—8,6%, в среднем составляя 3,0%. Газы вулканов Шамахы-Гобустанского района характеризуются большими значениями СО₂ — до 10%. Количество азота составляет 0,06—11,7%. Содержание инертных компонентов незначительно, достигая в среднем 0,012% (Прикаспийско-Губинский район). В небольшом количестве присутствует и водород Н₂, составляя в среднем 0,006% (Бакинский архипелаг) [1][10].

Основным компонентом газа грязевых вулканов Азербайджана является метан, содержание которого изменяется от 70 до 99% об. [1][48]. Метановые газы грязевых вулканов представляют собой гомогенную систему, все компоненты которой (газ, вода, солевая нагрузка) имеют коровый источник и формируются в едином резервуаре в верхних этажах осадочной толщи. Формирование изотопного состава воды грязевых вулканов характеризуется основными изотопно-химическими свойствами газоводных флюидов (химическим составом воды и величинами δ¹¹В и δ¹³С(СН₄)), что доказывает элизионный генезис грязевулканических систем [3][12][54].

Повышенные концентрации метана наблюдаются в газах источников из палеозойских кристаллических пород Главного хребта. Высокие концентрации, приуроченные к выходам кристаллических пород, а также отсутствие видимой связи с осадочными породами позволяют высказать предположение, что метан здесь генетически не связан с комплексами осадочных пород и может иметь абиогенное (не осадочное) происхождение [15—17][26].

Метан из грязевых вулканов в Среднекуринском прогибе по величине δ¹³С идентичен метану углеводородных залежей [6][9]. В грязевых вулканах Азербайджана (в Прикаспии) отмечался диапазон значений для δ¹³С (CO₂) от -36,9 до +24,0‰ при средней величине +2,4‰. Как известно [7][8], наименьшие значения δ¹³С(СН₄) ≈-70‰ присущи биогенному метану (болотный газ и т.п.), тогда как более высокие характерны для термогенного метана.

Метан является основным компонентом углеводородных газов нефтяных месторождений азербайджанского сектора Южно-Каспийской впадины (ЮКВ), и его содержание в редких случаях снижается до 50% [2][20]. Среднее содержание отдельных компонентов в различных отложениях приведено в таблице 4.

Таким образом, наиболее широко распространены метановые газы, которые приурочены в основном к Большому Кавказу и Прикаспийско-Губинской наложенной мульде, Южно-Каспийской и Куринской впадинам [51]. Углекислые газы занимают территорию Малого Кавказа и западную часть Талыша. Азотные газы небольшими по площади зонами присутствуют на Большом Кавказе, Талыше и северо-востоке Прикаспийско-Губинской наложенной мульде. В пределах Талыша присутствие зон всех трех основных газовых компонентов позволяет говорить о незаконченности ранее начавшихся геологических процессов [24][26][53].

Заключение

В Каспийском регионе наряду с антропогеновой дегазацией активная роль принадлежит глубинной и коровой дегазации Земли. Коровая дегазация связана с состоянием и функционированием геофлюидодинамических систем, формирование и эволюция которых происходят под влиянием геодинамических процессов при активном влиянии генерации и миграции метана, водорода и других газов, которые протекают во всем объеме осадочного выполнения и на всех этапах эволюции бассейна.

Естественные нефте- и газопроявления пространственно и генетически связаны, главным образом, геологическими процессами: вертикальными и горизонтальными движениями, сейсмичностью в том числе осадочной — мелкофокусной, с грязевым вулканизмом, миграцией и эмиграцией УВ, а также скоплениями свободного газа в верхней части осадочного разреза. Нередко предположения о техногенном загрязнении акватории являются ошибочными и безосновательными.

Выходы нефти и газа на поверхность воды отличаются многовариантностью, среди варианов выделяются локальные (сосредоточенные) выходы (грязевые вулканы, грифоны, сальзы, слики, сипы и др.), площадное поступление углеводородов и их фракций из нефтегазоносных структур через сеть разломов.

Можно уверенно утверждать, что нефтяное загрязнение Бакинской бухты явилось следствием естественных флюидодинамических процессов, происходящих в его недрах. Источником пятен нефти служат очаги разгрузки пластовых флюидов в структурах осадочного чехла. Режим этой разгрузки регулируется сейсмичностью земной коры Южно-Каспийской тектонической впадины.