2.1.1. Признаки выделения пород фундамента на сейсмограммах
2.1.2. Особенности волновых картин при изучении ледниковых отложений
2.1.3. Расчленение надморенной осадочной толщи
2.1.4. Выделение разрывных нарушений на сейсмограммах
2.1.5. Признаки газонасыщенности в надморенных осадках
2.1.6. Гравитационные процессы в проливе Великая Салма и их признаки на сейсмограммах
Сейсмоакустическими исследованиями были охвачены акватории губы Ругозерской, пролива Великая Салма и губы Бабье море. Работы проводились с использованием аппаратуры разных модификаций (с электроискровым источником и с бумером) и в различных методических вариантах (одноканальных, многоканальных, с поверхностными и погружными установками и т.д.). Центральная (видимая) частота менялась от нескольких сотен герц до нескольких тысяч герц, что позволяло с высокой детальностью изучать весь разрез отложений, залегающих на породах фундамента, представленных в районе практики преимущественно гнейсами. Большой объем сейсмоакустических исследований с электроискровым источником на всей акватории Белого моря был выполнен в 70-х и 80-х годах прошлого века сотрудниками кафедры сейсмометрии и геоакустики геологического факультета МГУ и ВСЕГЕИ (г. Санкт-Петербург). В результате этих работ впервые были получены данные о строении верхней части разреза на акватории и выработаны основные картировочные признаки всех элементов разреза. Так как экспедиции были комплексными, то заверка результатов интерпретации сейсмических материалов проводилась несколькими методами – пробоотбором ударной трубкой и с помощью ковша, подводным фотографированием и телевидением, а также прямыми наблюдениями морского дна с помощью водолазов. Полученные данные были обобщены в диссертации Н.А. Девдариани «Геология Белого моря» (1985 г.). В этой работе и в ряде статей были показаны возможности сейсмоакустики при выделении, в первую очередь, ледниковых отложений, что послужило основой для их картирования не только на акватории Белого моря, но и на шельфах Балтийского, Баренцева и Карского морей.
В результате исследований, проведенных на прилегающих к ББС участках Кандалакшского залива, были получены примеры волновых картин всех выделенных сейсмических комплексов (рис. 2.1) и проведено их сопоставление с осадочными отложениями и с породами фундамента. Анализ полученных данных показал, что волновые картины сейсмических комплексов могут значительно отличаться не только друг от друга, но и в пределах каждого комплекса. Эти тонкие особенности волновой картины отчетливо наблюдаются на материалах, полученных с помощью современной аппаратуры. Ниже будут даны примеры записей для различных типов отложений с краткими пояснениями.
Рис. 2.1. Примеры основных типов волновых картин сейсмических комплексов
на акватории, прилегающей к ББС, и их соответствие различным частям разреза.
Цветные линии – границы сейсмических комплексов
2.1. Губа Ругозерская и пролив Великая Салма
Разрез в губе Ругозерской и проливе Великая Салма по сейсмоакустическим данным в целом однотипен. В его основании залегают преимущественно гнейсы архейского возраста (рис. 2.1, 2.2).
Рис. 2.2. Архейский фундамент (о. Касьян, фото В.А. Стручкова)
2.1.1. Признаки выделения пород фундамента на сейсмограммах
Фундамент на сейсмограммах характеризуется, как правило, акустически «прозрачной» или «хаотической» волновой картиной и полным отсутствием осей синфазности отраженных волн. Кровля часто имеет сложную конфигурацию и может иметь как более низкочастотное отражение по сравнению с донным отражением (рис. 2.3), так и практически не отличаться от него по частотному составу (рис. 2.4). Кровля фундамента на некоторых участках осложнена разрывными нарушениями. Иногда породы фундамента обнажаются на дне. В этом случае при высокочастотных наблюдениях их бывает довольно сложно отличить от морены, имеющей часто аналогичный тип волновой картины (см. раздел 2.1.2). Рельеф дна на таких участках обычно неровный и обломки коренных архейских пород можно наблюдать непосредственно на дне (рис. 2.5).
Рис. 2.3. Фундамент с характерной волновой картиной и залегающей
на нем мореной (1). Кровля фундамента показана красной стрелкой
Рис. 2.4. Фундамент (1-его кровля), перекрытый
ледниковыми отложениями (2) и морскими (?) осадками (3).
Красные вертикальные линии –
предполагаемые разрывные нарушения
Рис. 2.5. Пример волновой картины на участке выхода пород фундамента
на поверхность дна. На фото – обломки пород фундамента
на Еремеевском пороге
На сейсмограммах, представленных на рисунках 2.3–2.5, кровля пород фундамента имеет довольно сглаженный рельеф, однако встречаются участки с блоковым строением, обусловленным наличием большого количества разрывных нарушений (рис. 2.6). Следует отметить, что донный рельеф в изучаемом районе контролируется, в основном, рельефом кровли фундамента. Однако на некоторых участках, как, например, на профиле, изображенном на рис. 2.6, рельеф дна полностью отражает структуру фундамента, что, например, отчетливо видно при сопоставлении строения блоков 1 и 2 на этом рисунке. Кровля фундамента сложной формы (с большим количеством уступов и сильно трещиноватым) может иметь волновую картину, осложненную многочисленными осями синфазности дифрагированных волн (рис. 2.7 А).
Рис. 2.6. Пример волновой картины на участке блокового строения
архейского фундамента. Синяя линия – кровля фундамента,
красные вертикальные линии – разрывные нарушения. 1 и 2 – объяснения в тексте
Рис. 2.7. Примеры волновых картин ледниковых отложений в виде холмообразных
структур: А – морена выходит на поверхность дна, в подошве залегает
отражающий горизонт сложной конфигурации (кровля коренных пород);
Б – морена перекрыта слоистыми морскими (?) осадками, кровля коренных пород
выражена отчетливыми осями синфазности прямолинейной формы.
1 – кровля коренных пород, 2 – слоистые осадки. Вертикальные красные линии –
разрывные нарушения. Морена показана красными стрелками
2.1.2. Особенности волновых картин при изучении ледниковых отложений
На архейских породах беломорской серии в западной части Кандалакшского залива залегают четвертичные отложения ледникового, ледниково-морского и морского комплекса (Медведев, Невесский, 1971).
В ледниковом комплексе Беломорской впадины установлено наличие двух морен, которые относятся к Днепровскому и Валдайскому оледенениям. На Карельском побережье днепровская морена сохранилась только в понижениях кровли фундамента, главным образом в долинах рек, а на остальной территории предположительно уничтожена Валдайским ледником. Морена представлена супесями и суглинками, реже глинами и содержит обломочный материал местного происхождения (граниты, амфиболиты, гнейсы и т.д.; Невесский и др., 1977). Валдайская морена распространена в Карелии практически повсеместно, в западной части моря выделяют основную плащеобразно залегающую морену, которая имеет преимущественно песчаный состав (содержание песчаной фракции 30–70%). На Терском шельфе выделены краевые морены в виде вытянутых параллельно береговой линии гряд, которые хорошо прослеживаются в современном рельефе (Невесский и др., 1977; Спиридонов и др., 1980; Девдариани, 1985).
Одними из первых работ, в которых рассматривались картировочные признаки выделения на сейсмоакустических профилях ледниковых отложений были исследования в Балтийском море (Свиридов, 1974). Затем методика картирования морены и ее площадное распространение изучались во время многочисленных экспедиций сотрудниками геологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова и ВСЕГЕИ на шельфах Белого и Баренцева морей. Также, как и в породах архейского фундамента, в ледниковых отложениях практически всегда отсутствует слоистость, поэтому одним из основных отличий ледникового комплекса от залегающих выше осадков является, как правило, отсутствие на сейсмограммах протяженных осей синфазности, т.е. волновая картина является «хаотической», а иногда и акустически «прозрачной» (рис. 2.7, А и В). При наличии в морене крупных включений в волновой картине могут наблюдаться и оси синфазности дифрагированных волн. Необходимо отметить, что ледниковые отложения (морена) часто выражена в донном рельефе, даже если она перекрыта более молодыми осадками (рис. 2.7 В). Однако этот признак («хаотический» тип волновой картины) можно использовать только в том случае, если морена имеет достаточно большую мощность, т.е. когда можно увидеть волновую картину. Если мощность незначительна, то важным картировочным признаком ее выделения является неровная кровля.
В ледниковом комплексе могут встречаться и довольно протяженные оси синфазности отраженных волн, преимущественно прямолинейной формы (на рис. 2.8 показаны красными стрелками). При изучении структуры ледниковых образований на суше в напорных моренах иногда отмечаются надвиговые структуры (Лаврушин, 1976; Левков, 1980; рис. 2.8 Б), поэтому выделенные наклонные прямолинейные границы в морене можно предположительно интерпретировать как плоскости надвигов. В ледниковом комплексе могут встречаться также внутренние границы другого генезиса, связанные с неоднократным наступанием-отступанием ледниковых потоков. В этом случае тонкий слой между ледниковыми образованиями представлен, по-видимому, межстадиальными ледниково-озерными (?) осадками и часто имеет сложную форму и может протягиваться на расстояния в несколько километров и больше. Пример двухчленного строения морены дан на рис. 2.9. Кровля и подошва ледниковых образований зачастую выделяются по интенсивным осям синфазности отраженных волн, так как перепад акустических жесткостей между архейскими породами и мореной и ледниковыми образованиями, и более молодым осадочным комплексом значительный (рис. 2.10).
Рис. 2.8. Пример строения ледниковых отложений с внутренними границами (А).
1 – кровля фундамента; 2 – ледниковые отложения;
3 – кровля морены. Красные стрелки указывают на оси синфазности
отраженных волн внутри морены. На нижнем рисунке (Б) изображен фрагмент
фронтальной морены напора с плоскостью надвига (Левков, 1980)
Рис. 2.9. Фрагмент сейсмоакустического профиля
с двухчленным строением морены (ледниковые образования разного возраста, разделенные отражающей границей, показаны красными стрелками)
Рис. 2.10. Фрагмент сейсмоакустического профиля с мореной,
плащеобразно перекрывающей породы фундамента.
Зеленая линия – кровля фундамента (подошва морены), голубая – кровля морены.
Красные вертикальные линии – предполагаемые разрывные нарушения. 1 – фундамент;
2 – морена; 3 – надморенная толща (ледниково-морские и морские отложения)
При детальных исследованиях с высокочастотными источниками (например, с бумером) или если мощность морены значительная, выделить подошву ледникового комплекса зачастую не удается. В такой ситуации анализируются такие признаки волновой картины, как амплитуда и частота (рис. 2.11).
Рис. 2.11. Фрагменты сейсмограмм с различными типами волновых картин
в ледниковом комплексе (красная линия – кровля морены,
фиолетовая – кровля архейского фундамента). А – оси синфазности отраженных волн
на границе ледникового комплекса и фундамента не прослеживаются, граница
между ними проводится по изменению волновой картины (в ледниковом комплексе
оси синфазности большей амплитуды, чем в комплексе фундамента);
Б – волновая картина в ледниковом комплексе и в комплексе фундамента одинакова.
Граница проведена по слабо выраженным осям синфазности
Следует также особое внимание уделять фрагментам границ, которые, как правило, видны на участках распространения моренных холмов или гряд в их краевых частях, где мощность ледникового комплекса еще незначительна и можно выделить подошву морены (рис. 2.12, на профиле НСП она показана белыми стрелками). При проведении сейсмоакустических исследований совместно с ГЛБО участки с выходами морены на дно можно контролировать по данным гидролокации бокового обзора (рис. 2.12, показаны белыми стрелками).
Рис. 2.12. Выходы морены на дно на материалах сейсмоакустического
профилирования (НСП, в центре) и данных гидролокации бокового обзора
(ГЛБО, верхний и нижний рисунок). На данных ГЛБО выходы морены показаны
белыми стрелками. На сейсмическом профиле черные стрелки указывают на морену,
белые – на фрагменты подошвы морены
Необходимо также отметить, что в морене скорости продольных волн могут достигать 3000 м/с, т.е. относительно расположенных по горизонтали на этих же временах молодых осадков или воды значительно больше, что может привести к подъему границы под моренными холмами или грядами (так называемый скоростной эффект).
2.1.3. Расчленение надморенной осадочной толщи
Предыдущими исследованиями установлено, что перекрывающие морену осадки разделяются на два комплекса – ледниково-морской и морской (Невесский и др., 1977; Рыбалко и др., 2017). В настоящее время данные пробоотбора (кроме опробования придонного слоя) и бурения в акватории в районе ББС отсутствуют, поэтому расчленение надморенной толщи возможно только по данным сейсмоакустического профилирования. По имеющимся материалам над ледниковыми отложениями залегают слоистые осадки мощностью иногда до нескольких десятков метров. На некоторых участках в местах интенсивных приливно-отливных течений надледниковые осадки могут отсутствовать и на дне обнажаются либо архейские породы, либо морена (см., например, рис. 2.5). Используя методику сейсмостратиграфического анализа (Сейсмостратиграфия, 1982; Шалаева, Старовойтов, 2010), рассматриваемые осадки, где их мощность достаточно велика, были расчленены на несколько комплексов (отчетливо выделяются три комплекса). Важной отличительной чертой строения этих осадков, кроме резко изменчивой мощности, является также дискретность их распространения. Это создает дополнительные трудности при их сопоставлении в региональном плане (Девдариани, 1985).
На территории Карелии ледниково-морской комплекс представлен лимногляциальными и ледниково-морскими отложениями. Озерно-ледниковые отложения распространены гораздо шире, чем ледниково-морские. Они представлены пластинчатыми глинами серого цвета, местами слоистыми, а также суглинками и песками мощностью до 17 м (Невесский и др., 1977).
Ледниково-морские отложения слагают нижнюю часть пачки водных четвертичных отложений, сформировавшихся в переходных и морских условиях. Их мощность может достигать 20 м. Формирование ледниково-морских отложений происходило в позднеледниковое время. Наиболее широкое распространение они получили на дне Кандалакшского залива, где они представлены ленточными слоистыми осадками (Спиридонов и др., 1980). На основании датировок можно предположить, что уже 14 тыс. лет назад (т.е. в раннем дриасе) в районе Кандалакшского залива существовали морские условия осадконакопления. Верхняя пачка ледниково-морских отложений датируется поздним дриасом и сложена тонкозернистыми илами.
Осадки морского комплекса завершают четвертичный разрез Беломорской впадины. По палинологическим данным их можно разделить на два горизонта. Нижний, соответствует максимальному развитию послеледниковой трансгрессии, и отражает постепенный переход к полностью морским условиям осадконакопления. Он представлен монотонными глинами и алевроглинами с очень низким содержанием песка (Спиридонов и др., 1980; Рыбалко и др., 2017). Верхний соответствует современной морской обстановке. В нем четко прослеживается фациальная зональность и характерна слабая механическая дифференциация (Медведев, Невесский, 1971).
Ниже даны примеры залегания надморенного комплекса и его внутренней структуры.
Пример локального распространения современных морских осадков дан на рис. 2.13 и 2.14. На рис.2.13 осадки мощностью около 6 м залегают в ложбине между двумя моренными холмами. На некоторых участках мощность современных осадков настолько мала, что уверенно их выделить можно только во впадинах донного рельефа (рис. 2.14).
Рис. 2.13. Фрагмент сейсмоакустического профиля с тремя сейсмическими
комплексами. 1 – комплекс фундамента (красная линия – его кровля);
2 – комплекс ледниковых отложений (морена, кровля показана зеленой линией)
3 – комплекс голоценовых (?) слабостратифицированных осадков
Рис. 2.14. Фрагмент сейсмоакустического профиля
с голоценовыми осадками незначительной мощности.
Подошва показана голубой линией
Довольно мощная толща (около 13–14 метров) слоистых осадков, показанная на рис. 2.15, включает в себя три комплекса.
Рис. 2.15. Фрагмент сейсмоакустического профиля с тремя комплексами
в надморенной толще: 1 – ледниковый комплекс;
2–4 – комплексы в надморенной толще
В юго-западной части пролива Великая Салма в районе о-ва Молочница надморенная толща также разделяется на три основных сейсмических комплекса (рис. 2.16). Нижний комплекс отличается от залегающих выше тонкослоистой волновой картиной.
Рис. 2.16. Фрагмент сейсмоакустического профиля в юго-западной части пролива
Великая Салма (у о. Молочница). В надморенной толще выделяются три основных
комплекса: 1– кровля фундамента; 2 – кровля ледникового комплекса;
3– кровля нижнего комплекса в надморенной слоистой толще;
4 – кровля среднего комплекса в надморенной толще. Отражающий горизонт 4
является также подошвой верхнего комплекса, выходящего на поверхность дна;
5 – тонкослоистый тип волновой картины нижнего комплекса, перекрывающего морену.
Красные линии – предполагаемые разрывные нарушения
Таким образом, на акватории, прилегающей к району практики, по сейсмоакустическим данным нижний и средний сейсмокомплексы, перекрывающие неслоистый ледниковый сейсмокомплекс, можно предположительно отнести к ледниково-морскому комплексу, сложенному соответственно лимногляциальными (нижний тонкослоистый комплекс) и ледниково-морскими отложениями (средний комплекс), выделенными ранее по данным пробоотбора в осадочном чехле в других частях Беломорской впадины (Невесский и др., 1977). Наиболее широко распространенный верхний комплекс, выходящий на дно, в этом случае может быть отнесен к морскому. Следует отметить, что морской комплекс иногда также можно предположительно разделить на несколько подкомплексов (рис. 2.16), однако по имеющимся материалам, это сделать можно, как правило, лишь на отдельных небольших участках.
Надледниковую толщу не всегда можно разделить на отдельные сейсмические комплексы, часто данные отложения характеризуются довольно однотипным строением. Так, на рис. 2.17 показаны толщи, залегающие над моренным комплексом, имеющие практически «прозрачный» тип волновой картины (верхний рисунок) или тонкослоистый (нижний рисунок).
Рис. 2.17. Примеры волновых картин надледниковых сейсмокомплексов
Строение поздне-послеледниковых отложений в глубоководной части пролива Великая Салма значительно усложняется. Это обусловлено, в основном, развитием здесь литодинамических (гравитационных) процессов, которые могут существенно нарушать первоначальную структуру осадочной толщи. Эти процессы будут рассмотрены в соответствующем разделе, здесь же приведем пример волновой картины, характерной для оползневых отложений. На рис. 2.18. показан фрагмент сейсмоакустического профиля, выполненного в проливе Великая Салма (максимальная глубина на профиле более 90 метров). Ледниковые отложения на этом участке не выявлены. Осадочный чехол представлен здесь двумя сейсмокомплексами. Нижний залегает непосредственно на архейском фундаменте и имеет сложное строение (его кровля показана красной линией). Наряду с хаотическим, а на некоторых участках и прозрачным типами волновой картины, в нем наблюдаются и отдельные оси синфазности отраженных волн сложной конфигурации, что, вместе с крайне изменчивой мощностью позволяет генезис этот комплекса связать с деятельностью гравитационных процессов. В верхнем сейсмокомплексе, кровлей которого является поверхность дна, на отдельных участках наблюдается слоистость. Сопоставление с разрезами, представленными на рис. 2.15 и 2.16 показывает, что в рассматриваемом типе разреза произвести выделение комплексов, описанных выше, только на основании различий в волновой картине практически невозможно.
Рис. 2.18. Фрагмент сейсмоакустического профиля, выполненного в проливе
Великая Салма. Синяя линия – кровля архейского фундамента.
Красная линия – кровля оползневой толщи
В открытой части Кандалакшского залива, где глубины дна достигают 200 и более метров, волновая картина несколько упрощается (рис. 2.19). Здесь осадочную толщу, залегающую на породах фундамента, можно разделить на два основных сейсмокомплекса, граница между которыми показана на рисунке красной линией. Структура волновой картины нижнего комплекса отличается большим разнообразием – здесь можно выделить участки как с хаотическим типом записи, так и акустически прозрачным, иногда видны довольно протяженные отражающие горизонты сложной конфигурации и разрез приобретает подобие слоистости. Кровля нижнего комплекса также неровная.
Рис. 2.19. Фрагмент сейсмоакустического профиля, расположенного восточнее
о. Великий в открытой части Кандалакшского залива.
Синяя линия – кровля архейского фундамента, красная – кровля оползневой толщи.
1 и 2 – соответственно акустически прозрачные
и тонкослоистые отложения, перекрывающие оползневую толщу
Верхний комплекс существенно отличается от нижнего. Он представлен почти горизонтально залегающими отложениями, заполняющими у основания неровности кровли нижележащих образований. Его можно разделить на три подкомплекса с волновой картиной от горизонтально слоистой до акустически прозрачной (рис. 2.19).
Проведенный анализ строения надледникового сейсмокомплекса показал следующее:
- 1. Мощность комплекса крайне изменчива – от практически нуля до нескольких десятков метров, причем эти изменения могут происходить на небольших расстоя-
ниях; - 2. Волновая картина отличается большим разнообразием. Она может быть акустически прозрачной, хаотической, тонкослоистой. Вследствие перечисленных выше особенностей строения этого комплекса (пункты 1 и 2) сопоставление разрезов из различных районов по особенностям волновой картины является крайне сложной задачей, а часто и не представляется возможным;
- 3. Основываясь на перечисленных особенностях строения рассматриваемых отложений, для дальнейшего детального изучения разреза и выбора мест для бурения необходимо выбирать участки с наименьшими деформациями отложений и с наиболее простыми ненарушенными взаимоотношениями отдельных толщ. В первую очередь к таким участкам относятся районы у о. Молочница и в губе Нильма (см., например, рис. 2.16).
2.1.4. Выделение разрывных нарушений на сейсмограммах
Как было указано выше (см. Главу 1), в западной части Беломорья происходит воздымание берегов, что связано с продолжающимся общим сводово-купольным воздыманием Балтийского щита в поздне-
послеледниковое время. Суммарные поднятия в Карелии после таяния ледового покрова (14–12 тыс. лет назад) в отдельных районах достигают около 250 м. На территории, прилегающей к ББС, скорости поднятия составляют несколько мм в год – от 2 до 6 (Путешествие …, 2008; Кошечкин, 1979; Геоморфология Карелии …, 1977). В новейшее время возобновились опускания Кандалакшского грабена, что привело к образованию одноименного залива и современной центральной акватории Белого моря (Хаин, 1977). Эти движения сопровождались широким развитием здесь блоковых субвертикальных разрывных нарушений преимущественно северо-западного простирания, совпадающих в основном с простиранием Кандалакшского грабена. Отмечаются также поперечные разрывы северо-восточного направления. Имеющиеся данные «позволили рассматривать новейшую тектонику Балтийского щита, в основном, с позиции субвертикальных движений весьма умеренной, платформенной интенсивности, что стало общепринятым», однако появляются данные и о горизонтальных движениях и деформациях (Зыков, 2001). На приведенных в данном пособии фрагментах сейсмоакустических профилей все предполагаемые разрывные нарушения показаны как вертикальные разрывы. Это обусловлено тем, что соотношение горизонтального и вертикального масштабов при сейсмоакустических исследованиях, как правило, значительное (минимальное соотношение составляет обычно не менее 5:1). Это приводит к тому, что даже при таких минимальных искажениях небольшие наклоны плоскостей сместителей разрывных нарушений, выделенные на исходных сейсмоакустических профилях, в реальности (при учете искажений) будут иметь наклоны всего в несколько градусов, что требует доказательств и, на наш взгляд, является маловероятным. Вследствие этого все разрывы на данных НСП показаны вертикальными.
Наиболее крупные разрывные дислокации на суше выражены, как правило, либо в виде линейных отрицательных форм рельефа шириной в несколько метров (рис. 2.20), либо в виде уступов различной высоты (рис. 2.22). В фундаменте наблюдается также значительное количество трещин, практически не выраженных в рельефе (рис. 2.21).
Рис. 2.20. Разрывное нарушение в коренных отложениях
(показано красной стрелкой). Фото М. Синицына
Рис. 2.21. Трещины в кристаллическом фундаменте
Рис. 2.22. Разрывное нарушение в коренных породах (показано красной стрелкой).
Фото С.А.Тихоцкого
Признаки выделения дизъюнктивных дислокаций на сейсмических данных были рассмотрены ранее (Мушин и др., 2001; Шалаева, Старовойтов, 2010). Здесь же напомним, что они разделяются на кинематические (структурные) и динамические.
К кинематическим признакам относятся:
- разрывы осей синфазности отраженных волн;
- смещение осей синфазности отраженных волн;
- резкое изменение наклонов осей синфазности;
- резкое изменение по латерали типа волновой картины
Среди динамических признаков наиболее вероятным является появление в зонах дизъюнктивных дислокаций волн иной природы (дифрагированных).
В рассматриваемом районе разрез состоит из древних архейских пород, перекрытых маломощным чехлом четвертичных образований. Отражающих границ в приповерхностной части архейского комплекса, как показывает многолетний опыт сейсмоакустических наблюдений на акватории Белого моря, нет, поэтому одним из основных признаков для выделения разрывов является анализ поверхности кровли фундамента, т.е. морфологический.
На рис. 2.23 приведен пример блокового строения фундамента, кровля которого, также, как и на рис 2.6, выделяется на профиле по характерной низкочастотной волновой картине. Превышение кровли отдельных блоков над соседними (т.е. амплитуда смещения кровли) может составлять 10–12 метров. В породах фундамента отражающих границ не наблюдается. Необходимо отметить, что рельеф поверхности дна на данном участке практически полностью повторяет рельеф кровли фундамента, т.е. движения по разломам, по-видимому, являются активными и в настоящее время (рис. 2.23). Выделение разрывных дислокаций по наличию уступов в кровле фундамента проводилось, очевидно, не по отдельным профилям, анализировалось и пространственное расположение этих форм рельефа (т.е. их линейность). Высота уступов иногда может достигать 35–40 метров и они часто хорошо выражены в современном рельефе дна (рис. 2.24), хотя это наблюдается не всегда.
Рис. 2.23. Фрагмент сейсмоакустического профиля с разрывными нарушениями
(пролив Великая Салма). Синей линией показана кровля архейского фундамента (1),
розовой – кровля морены. Разрывы показаны красными вертикальными линиями
Рис. 2.24. Фрагмент сейсмоакустического профиля в юго-восточной части
пролива Великая Салма. 1 – опущенный участок,
2 – поднятый участок кровли архейского сейсмокомплекса.
Красной линией показано разрывное нарушение, выраженное в рельефе дна
На многих участках субвертикальные разрывные нарушения прослеживаются и в верхней, стратифицированной части отложений, перекрывающих ледниковый комплекс и фундамент, смещая не только кровлю фундамента, но и кровлю ледникового комплекса и слои в самой верхней части разреза (рис. 2.25 и 2.26). Амплитуда смещения, как правило, не превышает первых метров.
Рис. 2.25. Фрагмент сейсмоакустического профиля (пролив Великая Салма).
1 – кровля фундамента; 2 – ледниковый комплекс; 3 – кровля ледникового комплекса;
4 – поздне- послеледниковый (надморенный) комплекс.
Разрывы показаны красными вертикальными линиями
Рис. 2.26. Фрагмент сейсмоакустического профиля в проливе Великая Салма.
Смещение осей синфазности отражающего горизонта в надморенном (голоценовом?)
комплексе (1). Разрывные дислокации показаны красными линиями.
Белые стрелки – кровля архейского сейсмокомплекса
Таким образом, на рассмотренных участках Кандалакшского залива широко распространены разрывные дислокации, которые смещают отложения всех выделенных комплексов вплоть до голоценовых осадков. Большая их часть хорошо выражена в современном рельефе, т.е они являются активными и в настоящее время. Амплитуда смещения по имеющимся сейсмоакустическим данным может достигать 35–40 метров.
2.1.5. Признаки газонасыщенности в надморенных осадках
В работах по Беломорской впадине, в которых используются материалы сейсмоакустических наблюдений, практически отсутствуют упоминания о газонасыщенности в осадках. Детальные исследования методом НСП, проведенные на рассматриваемых участках Кандалакшского залива, позволили по специфическим признакам волновой картины выделить участки предполагаемого развития газонасыщенных осадков в губе Ругозерская, губе Бабье море и проливе Великая Салма. Наиболее распространены эти осадки в губе Ругозерская. Анализ литературы и собственные опытно-методические исследования позволили выработать критерии выделения газонасыщенных осадков на сейсмических профилях (Judd, Hovland, 2007; Шалаева, Старовойтов, 2010; Рыбалко и др., 2011). Основными признаками газонасыщенности на сейсмограммах являются следующие:
- 1. Значительное увеличение амплитуды отраженного от кровли слоя газонасыщенных осадков сигнала, что свидетельствует об увеличении коэффициента отражения (образование аномалии типа «яркое пятно»).
- 2. Увеличение абсолютного значения коэффициента отражения, которое обусловлено резким уменьшением скорости распространения продольных волн в газонасыщенных осадках (значения скорости могут быть в несколько раз меньше, чем скорость в воде и даже в воздухе).
- 3. Коэффициент отражения от слоя осадков вследствие уменьшения скорости в них становится отрицательным, что приводит к смене полярности отраженного сигнала. Необходимо отметить, что, если газонасыщенные осадки залегают внутри разреза, обнаружить смену полярности сигнала вследствие интерференции зачастую крайне сложно. Этот признак хорошо «работает», когда данные отложения залегают непосредственно на дне акваторий.
- 4. Ниже по разрезу вследствие большого поглощения под газонасыщенными осадками часто наблюдается ослабление записи (уменьшение амплитуды) вплоть до полного «экранирования» (газонасыщенные осадки становятся «акустическим» фундаментом).
- 5. Иногда наблюдается «прогибание» осей синфазности ниже их кровли (так называемый «скоростной эффект»), вследствие значительных изменений скорости по латерали.
- 6. Резкое увеличение модуля коэффициента отражения, которое приводит к формированию интенсивных кратных волн одной полярности, которые также начинаются с отрицательной фазы (если излучаемый импульс начинается с положительной фазы).
На сейсмоакустических профилях перечисленные признаки могут варьировать в различных сочетаниях. Предполагается, что волновая картина будет сильно зависеть от содержания газа в осадках. Этим фактором, по-видимому, объясняется отличие в волновых картинах на фрагментах сейсмоакустических профилей, представленных на рис. 2.27. Красными стрелками показана кровля газонасыщенных отложений, черными – кровля морены. Отчетливо видно, что характер кровли газонасыщенных осадков на фрагментах профилей А и Б сильно отличается. Если на фрагменте Б кровля выражена интенсивными осями синфазности отраженных волн субгоризонтальной формы (типичная аномалия «яркое пятно»), то на фрагменте А данный признак отсутствует, наблюдается просто хаотическая волновая картина. По-видимому, это связано со строением перекрывающего слоя. На профиле, изображенном на рис. 2.27 В отмечаются оба этих признака. Отметим также, что на фрагменте А под газонасыщенными осадками кровля морены прослеживается, хотя амплитуда отражения стала меньше, чем на соседних участках. На фрагментах Б и В на этом же рисунке под газонасыщенными осадками какие либо оси синфазности отраженных волн отсутствуют, т.е. наблюдается полное «экранирование». Очевидно, что данный признак обусловлен различным содержанием газа в осадках.
Рис. 2.27. Фрагменты сейсмоакустических профилей с примерами волновых картин
газонасыщенных осадков (показаны красными стрелками).
Черные стрелки – кровля ледникового комплекса. Объяснения в тексте
Анализируя положение газонасыщенных осадков в разрезе, следует отметить, что они приурочены в целом к участкам повышенных мощностей надледниковых отложений (рис. 2.28; 2.29). Минимальная глубина залегания их кровли от поверхности дна на изученных участках, как правило, составляет около 1,8–2,0 метров.
Рис. 2.28. Фрагмент сейсмоакустического профиля, полученного в губе Ругозерская.
Стрелками показана кровля газонасыщенных осадков
(выражена амплитудной аномалией типа «яркое пятно» –
центральная стрелка, и хаотической волновой картиной по краям)
Рис. 2.29. Фрагмент сейсмоакустического профиля, полученного
в губе Ругозерская. Красная линия – дно, синяя – кровля морены.
Стрелками показана кровля газонасыщенных осадков:
1 – амплитудная аномалия типа «яркое пятно»
(под ней осей синфазности отраженных волн не наблюдается);
2 – хаотический тип волновой картины
(кровля ледникового комплекса отчетливо выделяется)
Волновая картина под газонасыщенными осадками может сильно отличаться, несмотря на идентичную запись их кровли. Так, на рис. 2.28 и 2.29 кровля выглядит практически одинаково – имеются аномалии типа «яркое пятно» и есть участки с хаотической волновой картиной. Однако волновая картина под кровлей газонасыщенных осадков существенно различается. На рис. 2.28 оси синфазности отраженных волн под их кровлей отсутствуют, тогда как на профиле, изображенном на рис. 2.29, под хаотической волновой картиной (правая часть, под цифрой 2) отражение от кровли ледникового комплекса уверенно выделяется. Эти существенные отличия, по-видимому, зависят от содержания газа в осадках, но этот сложный вопрос требует изучения.
Так как в газонасыщенных отложениях скорость распространения упругих волн может быть значительно меньше, чем скорость в воде (до 5 раз), то одним из картировочных признаков при их идентификации на сейсмических профилях является смена полярности в их кровле (коэффициент отражения становится отрицательным). Эта смена фаз отчетливо наблюдается на тех участках, где отсутствует интерференция, например, если газонасыщенные осадки залегают на дне. Пример такой ситуации дан на рис. 2.30. Если же рассматриваемые отложения залегают внутри разреза, то этот признак также может иметь место, но он наблюдается не всегда. На рис. 2.31 представлен фрагмент сейсмоакустического профиля с вып-
рямленными осями синфазности отражающего горизонта, приуроченными к кровле газонасыщенных осадков внутри надморенного комплекса. Несмотря на сложную волновую картину, смена полярности и в этом случае наблюдается уверенно.
Рис. 2.30. Фрагмент сейсмоакустического профиля (верхний рисунок) и запись
в амплитудном виде участка с газонасыщенными осадками в придонной части
(нижний рисунок). А – красная линия-дно; желтая линия-кровля газонасыщенных
осадков; синяя линия-кровля морены; зеленая линия – предполагаемая кровля
архейского фундамента. Красные стрелки указывают на газонасыщенные осадки
в придонной части разреза. Б – синяя линия-«выпрямленное» дно;
красным кружком показан участок смены фаз в донном импульсе
Рис. 2.31. Фрагмент сейсмоакустического профиля в амплитудном виде.
Пример инверсии фаз в кровле газонасыщенных отложений, залегающих внутри
осадочной толщи. Синяя линия – выпрямленный отражающий горизонт.
Красным кружком выделен участок смены фаз
2.1.6. Гравитационные процессы в проливе Великая Салма и их признаки на сейсмограммах
Результаты сейсмоакустических исследований, полученные за последние десятилетия на морских и пресноводных акваториях, свидетельствуют о том, что на наклонных участках дна акваторий практически повсеместно происходит смещение осадков под воздействием силы тяжести (Лонгинов, 1973; Ионов, 2012). Эти процессы также широко известны и на суше, где они изучаются уже более 100 лет. Кроме изучения их влияния на осадконакопление в современных осадочных бассейнах, исследование этих процессов имеет крайне важное практическое значение в связи с производственной деятельностью на акваториях, в частности, при определении рисков при установке разнообразных сооружений на дно (например, буровых платформ), прокладке трубопроводов, строительстве терминалов и т.д. Известно, что гравитационные или литодинамические (т.е. экзогенные и эндогенные геологические процессы, связанные с мобилизацией и транспортировкой осадочного материала) процессы перемещения осадков различного типа могут происходить при углах наклона поверхности дна в первые градусы и меньше (Lewis, 1971). Расстояния, на которые могут перемещаться отложения некоторыми видами осадочных потоков, иногда достигают многих сотен километров (Embley, 1976). Изучение рельефа в рассматриваемом районе и анализ имеющихся сейсмоакустических данных показал наличие отложений, сформированных гравитационными процессами, в проливе Великая Салма (рис. 2.32). Восточнее п-ва Киндо рельеф акватории по сравнению с рельефом губы Ругозерской резко меняется. Глубины увеличиваются до 70–80 метров, далее на юго-восток – до 150 и более метров (подробнее рельеф будет рассмотрен в разделе «Основные геологические результаты»). На поперечных сечениях пролив Великая Салма представляет собой долину с довольно крутыми бортами и плоским днищем. Углы наклона дна на бортах могут достигать 8–10 градусов, но обычно меньше. На плоском днище иногда выделяются долины (врезы?) различной формы.
Рис. 2.32. Схема расположения профилей в проливе Великая Салма
Различные исследователи, основываясь на структурных особенностях отложений и физических представлениях о процессах перемещения терригенного материала потоками различного генезиса, выделяют несколько типов гравитационного смещения отложений. Некоторые из типов перемещения можно идентифицировать только по результатам изучения структуры осадков в образцах из керна скважин или данных пробоотбора грунтовыми трубками вследствие малой мощности этих осадков.
При интерпретации данных сейсмоакустических наблюдений с точки зрения изучения оползневых в широком смысле процессов и сформированных ими отложений одним из основных признаков является характер волновой картины, что предполагает достаточно большую мощность изучаемых осадков – от 8–10 мс в масштабе времени при использованной методике наблюдений. Второй важной характеристикой при интерпретации является морфология осей синфазности отражающих границ. При смещении осадков происходит деформация как внутренней структуры отложений, так и их подошвы, и кровли, причем степень структурных нарушений может значительно меняться и по простиранию, и по разрезу. Указанные деформации, как правило, находят свое отражение и в изменении волновой картины на сейсмоакустических профилях. Третьим важным картировочным признаком является форма в плане анализируемых осадочных тел.
Существует множество различных классификаций подводных гравитационных процессов. Так как практически все гравитационные процессы под водой обладают своими сухопутными аналогами, можно использовать классификацию, принятую на 4-ом интернациональном симпозиуме «Submarine Mass Movements and Their Consequences» 2010 года (рис. 2.33).
Рис. 2.33. Классификация морских подводнооползневых процессов, разработанная
в соответствии с классификацией гравитационных процессов на суше
[ISSMGE Technical Committee on Landslides(TC)]
В реальности, определить тип процесса перемещения терригенного материала не всегда удается. Это, во-первых, может быть обусловлено изменением механизма движения во время смещения как всей толщи осадков, так и отдельных частей двигающихся масс. Во-вторых – многократной деятельностью гравитационных процессов. Все последующие движения могут захватывать нижезалегающие отложения. Последнее обстоятельство часто приводит к тому, что генезис оползневой толщи крайне сложно бывает связать с каким-то одним процессом. В этом случае эти толщи относят к так называемым «отложениям двигающихся масс» – MTD (mass transport deposits).
Причиной или «спусковым механизмом» гравитационных процессов могут служить различные факторы (Prior, Coleman, 1982; Ионов, 2012). Основными являются землетрясения, увеличение угла наклона поверхности осадконакопления, вес вышезалегающих отложений и т.д. В проливе Великая Салма инициирование гравитационных процессов может быть обусловлено увеличением углов наклона дна на ее бортах и землетрясениями, которые активизировались на новейшем этапе развития Кандалакшского залива.
В западной части Великой Салмы приблизительно в середине обоих склонов выделяются тела увеличенной мощности (рис. 2.34, показаны стрелками). Хаотическая, в целом, волновая картина и деформированные оси синфазности у основания этих тел, наряду с увеличенной мощностью (особенно в хвостовых частях) позволяют отнести эти тела к оползневым. Отметим, что кровля коренных пород (т.е. плоскость скольжения) в левой части профиля имеет наклонную прямолинейную форму. Величина смещения, по-видимому, не превышает первые сотни метров.
Рис. 2.34. Фрагмент поперечного профиля в западной части пролива Великая Салма.
Стрелками показаны оползневые тела. Красная линия – дно,
синяя – кровля архейского фундамента
Значительно большие по мощности оползневые толщи (MTD) слагают центральную часть пролива Великая Салма. На рис. 2.35 нижняя часть разреза, залегающая на архейском фундаменте, представляет собой мощный комплекс (до 80–100 мс в масштабе времени) отложений с преимущественно хаотической волновой картиной с отдельными непротяженными осями синфазности отраженных волн (показаны зелеными линиями). Кровля комплекса (красная линия) имеет выпуклую в центральной части пролива форму. В левой присклоновой части осадочного выполнения выделяется еще одна оползневая толща, показанная цифрой 2, которая по латерали постепенно замещается на слоистую. Таким образом, строение осадочной толщи в данном сечении позволяет выделить два этапа деятельности гравитационных процессов. На первом этапе была сформирована мощная толща, залегающая непосредственно на фундаменте, а на втором интенсивность литодинамических процессов существенно уменьшилась и была образована толща в левой части профиля (рис. 2.35, 2)
Рис. 2.35. Фрагмент поперечного сейсмоакустического профиля в центральной части
пролива Великая Салма. Синяя линия – кровля архейского фундамента;
красная линия – кровля оползневой (MTD) толщи. Зелеными линиями показаны
отдельные оси синфазности отраженных волн внутри MTD.
1 – толща MTD; 2 – оползневые отложения
Далее к востоку строение осадочного чехла еще более усложняется (рис. 2.36). В основании разреза залегает комплекс, который выделен как MTD 1. Его максимальная временная мощность составляет 30–35 мс в наиболее прогнутой центральной части. Выше по разрезу выделен комплекс, структура которого в левой и правой частях профиля значительно отличаются. Левая часть характеризуется хаотическим типом волновой картины (показана цифрой 2), правая представляет собой отложения с тонкослоистым субгоризонтальным типом записи (цифра 3). Граница между этими одновозрастными отложениями постепенная, субвертикальная, временная мощность достигает 70 мс. Толща с нарушенной внутренней структурой выделена как MTD 2 (рис. 2.36, 2). Также в левой части выделена еще одна толща с хаотическим типом записи мощностью около 20 мс (показана цифрой 4), которая при приближении к другому борту пролива замещается, в целом, на стратифицированную, но на некоторых участках сложенную отложениями с прозрачным типом записи (показаны цифрой 5). Эта верхняя толща с нарушенной внутренней структурой выделена как MTD 3 (цифра 4). Следует отметить, что на участке профиля, расположенном между стрелками с цифрой 5 в рассматриваемых отложениях отмечается небольшое увеличение их мощности. Полное исчезновение осей синфазности (прозрачная волновая картина), как предполагается некоторыми авторами, может указывать на области с аномально высоким пластовым давлением. Смена по латерали MTD 2 и MTD 3 слоистыми отложениями происходит приблизительно по продольной оси пролива. Самый молодой, акустически прозрачный комплекс мощностью до 15 мс облекает нижележащие отложения. Признаков оползневых процессов в нем не наблюдается (рис. 2.36, 6). Таким образом, по особенностям строения осадочного чехла на этом профиле можно выделить три этапа активизации гравитационных процессов, которые привели к формированию MTD 1 – MTD 3. Следует отметить, что отложения MTD 2 и MTD 3 приурочены к подножию левого (юго-западного) склона пролива, тогда как MTD 1 распространяется и на его центральную часть. В настоящее время, судя по строению самого молодого комплекса, гравитационных процессов на этом участке пролива не наблюдается.
Рис. 2.36. Фрагмент поперечного сейсмоакустического профиля в восточной части
пролива Великая Салма. Синяя линия – кровля архейского фундамента,
красная – кровля нижнего оползневого комплекса(MTD 1). 1 – MTD 1; 2 – MTD 2;
3 – слоистая толща, одновозрастная с MTD 2; 4-MTD 3;
5 – участки с прозрачным типом волновой картины;
6 – верхний (голоценовый ?) комплекс
На широте восточного окончания острова Великий в Кандалакшском заливе строение разреза меняется (рис. 2.37). Разрез плейстоцен-голоценовой толщи отложений состоит здесь из двух основных сейсмокомплексов. Нижний, залегающий на комплексе фундамента, характеризуется преимущественно хаотическим типом волновой картины, но на некоторых участках в нем выделяются довольно протяженные оси синфазности отраженных волн. Мощность этого комплекса местами достигает 50–60 мс и незначительно меняется по профилю. Неровная кровля и сложное внутреннее строение позволяют отнести этот комплекс к оползневым отложениям (MTD). Перекрывающий его комплекс в целом имеет горизонтально слоистую структуру и сложен толщами с хорошо выраженной слоистостью и акустически прозрачной (рис. 2.37). Граница между ними показана красной линией (синяя линия – кровля фундамента).
Рис. 2.37. Фрагмент субмеридионального профиля, расположенного на широте
восточного окончания о. Великий в открытой части Кандалакшского залива.
Синяя линия – кровля архейского фундамента,
красная – кровля оползневой толщи (MTD)
Рассмотренные несколько фрагментов поперечных профилей через пролив Великая Салма и примыкающей к нему части Кандалакшского залива свидетельствуют о неоднократных проявлениях гравитационных процессов, интенсивность и форма проявления которых значительно менялись как в плане, так и во времени.