Использование глубоководного бурения для решения геологических задач

Тип работы:
Курсовая
Предмет:
Геология


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Курсовая реферативная работа

Использование глубоководного бурения для решения геологических задач

Аннотация

Работа посвящена глубоководному бурению и исследованию океана. Тема работы: «Использование глубоководного бурения для решения геологических задач»

Она может представлять интерес для учащихся геологических специальностей, геологов и всех, проявляющих интерес к данной проблеме. В работу вошла информация о полезных ископаемых океанического дна, основных месторождениях, технологии проведения буровых работ в морских условиях и основные результаты, полученные в ходе глубоководных исследований. Также приводится исторический обзор проблемы.

Поскольку глубоководное бурение является на сегодняшний день основным способом получения достоверной информации о составе и строении океанического дна, то работа, в которой обобщен обширный материал уже опубликованных результатов, поможет получить общее представление о том, что такое глубоководное бурение и как оно помогает в решении геологических задач.

____ страниц, 5 глав, 17 иллюстраций, библиографический список включает 19 публикаций.

Ключевые слова: Глубоководное бурение, полезные ископаемые в океане, гидротермальное рудообразование, месторождения нефти и газа, буровое судно, буровая платформа, геологические задачи.

Содержание

  • Аннотация
  • Введение
  • Глава 1. Исторический обзор
  • Глава 2. Объекты изучения, цели и задачи глубоководного бурения
  • Глава 3. Современные знания в данной области
  • 3.1 Принципы локации объектов глубоководного бурения
  • 3.2 Местоположение объектов глубоководного бурения
  • 3.3 Полезные ископаемые в океане
  • 3.4 Научные результаты глубоководного бурения
  • Глава 4. Современные методы и средства исследований
  • Глава 5. Исследования, проводимые в институтах геологического профиля Новосибирского центра СО РАН
  • Заключение
  • Словарь основных терминов
  • Список использованной литературы

Введение

На сегодняшний день исследование дна мирового океана с целью поиска полезных ископаемых становится все более актуальной задачей, ведь Земля как объект исследования геологии доступна для прямого наблюдения только с поверхности, а о составе и строении земных глубин можно судить лишь по косвенным данным. При этом, водой, как известно, покрыты две трети земли. Именно поэтому геологи стремятся проникнуть как можно дальше в глубь Земли с помощью бурения.

Глубоководное бурение (aнгл. deep-sea drilling; deep-water drilling; нем. Tiefseebohren; франц. sondage abyssal, forage abyssal; ит. sondeo en aguas profundas) — процесс сооружения скважины на дне моря с использованием надводных технических средств при глубинах воды свыше 600 м. Проводится с целью инженерно-геологического исследования морских грунтов и изучения строения дна океана, а также для извлечения из морских недр жидких или газообразных полезных ископаемых. (http: //dic. academic. ru)

Для глубоководного бурения используются буровые суда, оснащённые системой динамического позиционирования, допускающей предельное отклонение бурильной колонны от скважины в радиусе 3% от глубины моря при боковом ветре до 45 узлов. Для бурения применяются специальные конструкции водоотделяющих колонн и бурильных труб и их соединений, изготовленных из специальных сталей, рассчитанных на сжимающие, растягивающие и изгибающие усилия; акустические системы обнаружения подводного устья скважины и мультиплексные системы контроля электрогидравлических противовыбросовых превенторов. Глубоководное бурение ведётся с 1966 по «Программе проекта глубоководного бурения», осуществление которой началось под руководством Института океанографии Скриппса по контракту с Национальным научным фондом (США).

За время осуществления проекта глубоководного бурения пробурены уже тысячи скважин. Получены многочисленные данные, которые были использованы для решения фундаментальных научных проблем современной геологии. Результаты научного бурения во многом оказались неожиданными и заставили пересмотреть теоретические представления, которые до этого казались очевидными и незыблемыми.

Таким образом, мы видим, насколько важной является проблема глубоководного бурения скважин. Именно ей и посвящена данная работа. Автор постарался привести данные по истории вопроса от первых исследований и начала систематического бурения до современной программы океанических исследований, объединившей ученых многих стран, постарался в общих чертах осветить методику глубоководных исследований, а также привел основные результаты, полученные в ходе осуществления проекта освоения дна мирового океана.

В процессе работы с материалом автор смог не только найти и систематизировать информацию по данной проблеме, но и приобрел навыки работы с научной литературой, научился осваивать и кратко излагать полученный материал. Выяснил, как исследуют этот вопрос современные ученые, причем как российские, так и зарубежные.

Глава 1. Исторический обзор

Океанское дно, как всё неизведанное, всегда притягивало к себе внимание исследователей. С развитием технического прогресса и геологической науки исследование морской бездны стало реально выполнимой задачей. В 60е годы XX столетия благодаря геофизическим исследованиям было установлено, что океаническая земная кора принципиально отличается от континентальной. Отличия выявили в ходе анализа сейсмических данных, во-первых, отметив значительную разницу мощностей океанической (8 — 10 км) и континентальной (35 — 40 км) кор, во-вторых, отсутствие в океанической коре так называемого гранитного слоя, характеризующегося скоростями сейсмических волн 6 км/с что соответствует плотности пород — 2,7 г/см3.

Прежде чем приступить к планомерному изучению океанического дна, исследователям была необходима единая геологическая концепция, в основе которой лежали бы ключевые предположения о строении литосферы.

Наиболее ранними из таких предположений являются рассуждения английского пастора — Османда Фишера, изложившего в 1889 году свои, на тот момент революционные идеи, в труде «Физика земной коры». Там он, исходя из гипотезы об изостатическом равновесии материков, и задолго до разработки геофизических методов исследования, впервые правильно определил мощность континентальной земной коры — 20, 25 географических миль, то есть около 37 — 46 километров (Пейве, 1982). К сожалению, труды Фишера не были по достоинству оценены современниками, в основном в силу отсутствия фактического материала, подтверждавшего его гипотезу о важнейшей роли океанической коры в тектонике земли.

Тем не менее, спустя тридцать лет немецкий геофизик, профессор университета в Граце Альфред Вегенер выдвинул в 1912 году так называемую теорию «Мобилизма» (теория дрейфа материков) предполагающую большие (до нескольких тыс. км) горизонтальные перемещения материковых глыб земной коры (литосферы) относительно друг друга и по отношению к полюсам в течение геологического времени. Основанию такой гипотезы послужила схожесть конфигурации современных континентов, и органических ископаемых остатков, что позволило предположить, что когда-то раньше все континенты составляли единый материк, но затем в ходе формирования новой океанической коры в центральных частях океана (срединно-океанических хребтах) континенты раcходились, занимая свои настоящие позиции. Таким образом, возраст океанической коры неоднороден, и по мере приближения от центра к окраинам бассейнов растет. Данная теория противопоставляется фиксизму, то есть. гипотезе, отрицающей такое перемещение и отводящей основную роль в развитии земной коры вертикальным движениям. Вегнер не просто выдвинул теорию, но и предложил целую систему обоснованных доказательств в пользу этого явления. Но, к сожалению, с трагической смертью Альфреда Вегнера в Гренландии в 1930 году, куда он отправился за дополнительными доказательствами своих идей, его смелая гипотеза была предана забвению. Но всего лишь до 1963 года, когда американские геофизики, Вайн и Мэтьюз обнаружили, что установленные ими на дне чередующиеся полосы с прямой и обратной намагниченностью пород (базальтов), протягивающиеся параллельно срединно-океаническим хребтам, соответствуют времени формирования очередных порций океанической коры, и что их возраст постепенно удревняется по мере приближения к континентам. (Хаин, 1996).

Таким образом к началу глубоководного бурения в океанах геологи имели хорошо увязанную с геофизическими материалами теорию, которую следовало подтвердить фактическими геологическими данными.

На начальном этапе бурение проводилось примитивными способами с помощью дночерпателей, драг и донных тралов. Уже первые пробы показали, что осадки, покрывающие дно океана, не являются чем-то однородным, как это считалось ранее, а исключительно разнообразны по составу. Благодаря опробованию поверхностных осадков, которое проводили в многочисленных геологических экспедициях, удалось изучить их пространственное распределение. Одновременно оно позволило выявить новый тип полезных ископаемых — так называемые железо — марганцевые конкреции которые покрывают дно мирового океана и запасы которых значительно превышают разведанные запасы подобных руд на суше. Учитывая, что конкреции содержат кроме Fe и Mn и другие, в том числе редкие металлы, они представляют собой важный резерв полезных ископаемых для будущих поколений. (Басов, 2001)

Следующим шагом в исследовании океанского дна и его осадочного чехла стало применение в океанографических исследований прямоточных грунтовых трубок, которые позволили в отличие от дночерпателей получать образцы не только поверхностных, как правило современных, но и более древних осадков. Опробование океанского дна с помощью грунтовых трубок позволило геологам заглянуть несколько глубже в историю развития океана. Тем не менее, полученная таким образом информация касалась осадков, возраст которых ограничивался, как правило, первыми десятками и сотнями тысяч лет и не могла полностью удовлетворять геологов. Стало очевидно, что необходима новая технология изучения дна океана. Такая технология появилась в конце 60х гг XX века и почти через столетие после знаменитой английской океанографической экспедиции на судне «Челленджер» 1872−1876 гг. Так началась эра глубоководного бурения. (Басов, 2001).

В 1968 году буровое судно «Гломар Челленджер», построенное в США и специально оборудованное для бурения на больших глубинах, начало бурение своей первой скважины в мексиканском заливе, таким образом начав новый этап в изучении океанического дна.

Для осуществления этих целей был создан консорциум, получивший название «Объединение океанографических институтов по глубинному опробованию Земли» (Joint Oceanographic Institutions for Deep Earth Sampling" - JOIDES), который в начале объединял несколько океанографических институтов США, а в настоящее время включает также многочисленные научные организации из двух десятков стран. Помимо США, главного держателя «акций» и владельца бурового судна «Гломар Челленджер», в проекте участвовали и делали финансовые взносы ФРГ, Франция, Англия, Япония и СССР. CCCР был участником этого объединения в общей сложности около десяти лет, но по разным причинам дважды прекращал свое участие. В начале работы велись в рамках международного проекта глубоководного бурения (Deep Sea Drilling Project), а с 1985 года и до настоящего времени реализуются в рамках новой программы океанического бурения. Она осуществляется с помощью нового более совершенного бурового судна «ДЖОИДЕС-Резолюшн» («JOIDES Resolution»), названного в честь американского парусника, на котором Джеймс Кук совершил кругосветное путешествие. (Басов, 2001).

В послевоенные годы дно Мирового океана интенсивно изучалось и другими геофизическими и геологическими методами, в частности, путем картирования дна при помощи глубоководных спускаемых и управляемых аппаратов, драгирования, фотографирования, сейсмического и магнитного профилирования и т. д. (Пейве, 1982). Эти работы стимулировались не только интересами большой науки, но и практическими задачами изучения минеральных ресурсов. И проект глубоководного бурения с самого начала был направлен также на возможную общую оценку перспектив, прежде всего нефтегазоносности, Мирового океана.

А теперь чуть подробнее о первых экспедициях «Гломар Челленджера». Этот корабль был относительно невелик по размерам — 11 тыс. т водоизмещением. На его палубе было размещено свыше 7 тыс. погонных метров буровых труб, на такую примерно глубину и могло производиться бурение, включая, конечно, слой воды. «Гломар Челленджер» имел много уникальных технических приспособлений для бурения в океане. Помимо того, что на нем впервые были применены весьма совершенные средства навигации, судно было оснащено системой, позволявшей удерживать его в одной точке в ходе бурения. Для этого на дно океана опускался ультразвуковой буй, на который были нацелены гидрофоны, находящиеся под судном. От них информация о смещении судна поступала в компьютер, который подавал команду четырем подруливающим устройствам, находящимся в носовой и кормовой частях судна. Судно имело также стабилизирующее устройство, предохраняющее буровые трубы от разрыва при качке. С начала бурения в августе 1968 г. по октябрь 1980 г. во время 75 рейсов пробурено 878 скважин в 532 районах морей и океанов. Наибольшее проникновение в породы дна — 1741 м при глубине в этом месте 3900 м. (Пейве, 1982).

Технологические знания, полученные в ходе осуществления глубоководного бурения, развитие буровой техники и конструирование разнообразных приборов в процессе исследований достигли большого совершенства. В скважинах проводился не только стандартный каротаж (звуковой, плотностный, индукционный, нейтронный, гамма — и др.), но и различные эксперименты, например по изучению сейсмических явлений. Применение гидравлического керноотборника, позволяющего извлекать 90% слабо разрушенного керна, привлекло внимание не только геологов, но и других специалистов. Выяснилось также, что возможно повторное вхождение в ствол скважины и получение таким образом данных длительных наблюдений. Все это позволило усовершенствовать технологии и проводить современное глубоководное бурение на более высоком уровне.

глубоководное бурение геологический исследование

Глава 2. Объекты изучения, цели и задачи глубоководного бурения

Основная цель морской геологии и геофизики — понять структуру Земли под океанами, последовательность и характер процессов, которые формировали морское дно, а также историю Мирового океана в целом. Соответственно, главный объект исследования — океаническая кора, причем, не только ее осадочный слой, но и строение фундамента. Разумеется, цель весьма глобальна, но пусть это вас не смущает, ведь именно в ходе рассмотрения таких основополагающих вопросов, решается множество прикладных и весьма ценных задач, как-то поиск полезных ископаемых или уточнение возрастных границ отложений Мирового океана.

Специфика объекта исследования требует и соответствующих методов изучения. В первую очередь для проведения работ в океане требуются суда. Во-вторых, если не привлекается специальная техника (батискафы, подводные лодки и т. п.), то необходима методика дистанционного отбора проб с поверхности воды. Ну и в-третьих, океан представляет собой единую геохимическую систему, что необходимо учитывать при анализе полученных данных.

Глубоководное бурение в таких исследованиях занимает особое место, ведь только так геологи могут получить достоверную информацию о строении дна. Как правило, в процессе бурения решаются следующие геологические задачи:

Расчленение геологического разреза и выяснение строения коры. Это базовая задача. Ее решение важно в первую очередь для науки, ведь именно так можно точно определить возраст отложений, восстановить седиментационные процессы и их последовательность. А также выяснить, какие особенности имеет океаническое дно, к примеру, срединные океанические хребты. С практической точки зрения, благодаря точному знанию состава, структуры и мощностей отложений можно производить расчет запасов, также это необходимо для последующих поисков на сопредельных территориях.

Определение элементов залегания, а соответственно и общей структуры отложений с последующим построением карт на различные периоды времени, что позволяет проследить тектоническую эволюцию исследуемой территории.

Выделение поисковых объектов. Ведь под водой сокрыто великое множество богатств: нефть, газ, минеральное сырье, руды. Для каждого характерны определенные условия. В зависимости от целей поиска будет варьировать и поисковый объект.

Оценка содержания полезных ископаемых. Грубо говоря, это ответ на вопрос «стоит ли игра свеч». Имеются ли в данном районе ценные для человека ресурсы и если да, то какие именно.

Определение фильтрационно-емкостных характеристик пород, что необходимо для расчета запасов и определения коэффициента извлекаемости, без чего невозможно определить, будет ли вообще выгодно разрабатывать данное месторождение.

Непосредственно подсчёт запасов.

Создание априорных моделей среды для наземных (в данном случае — надводных) геофизических методов. Другими словами, эти данные позволяют построить модель, которая позволит представить, что же расположено в недрах и каким образом. Эта модель станет основой не только для разработки данного объекта, но и для дальнейших исследований.

Контроль за разработкой месторождений.

Глава 3. Современные знания в данной области

3.1 Принципы локации объектов глубоководного бурения

На сегодняшний день, когда наибольший интерес при исследовании океанической коры представляет поиск полезных ископаемых, именно этот факт и определяет местоположение объекта бурения. Ведь само по себе бурение является весьма дорогостоящим процессом, а уж в условиях океана стоимость каждого пройденного метра возрастает в разы. Окупить эти затраты можно лишь в случае обнаружения и последующей разработки месторождения, если, конечно, это не чисто научное исследование, финансируемое государством или спонсором. Таким образом, хотя исследователей и волнует выяснение точного строения океанической коры в таких зонах как срединноокеанические хребты или, скажем, зоны субдукции, но бурение в таких сейсмически активных точках не только требует специальной технологии, но и попросту опасно. Более того, с тех пор как были пробурены первые глубоководные скважины, получено немало доказательств современной концепции тектонических плит. Поэтому сейчас в основе выбора места для глубоководного бурения зачастую лежит весьма практическая цель — добыча полезных ископаемых. Чаще всего максимально привлекательными для разработки являются залежи углеводородов, поскольку для добычи руд (к примеру марганцевых) можно обойтись и без глубоководного бурения. Более того, существуют косвенные признаки наличия месторождений таких полезных ископаемых как, скажем, руда. Да и для разработки таких месторождений достаточно внедрения в верхние слои осадочного слоя океанического дна. У нефти и газа же есть своя специфика. В отличие от других, эти сокровища недр имеют свойство перемещаться из одних пород в другие, но при этом обнаружить крупную залежь, основываясь лишь на косвенных данных, практически невозможно. Именно поэтому процесс поисков нефти и газа в настоящее время разделяется на два самостоятельных этапа.

На первом этапе осуществляются подготовительные работы. При помощи геологических, геофизических и геохимических методов выявляются структуры (площади), благоприятные для скопления углеводородов. На этом этапе широко применяются геологическая и структурно-геологическая съемки, гравитационная и магнитная съемки, электроразведка, сейсмические методы разведки, различные виды геохимических разведок (газосъемка, бактериосъемка и т. д.). Для установления структур и построения структурных карт, при необходимости проводится колонковое бурение (не глубже 1000 м) (Трофимук, 2002).

Назначение всех этих работ сводится к тому, чтобы доказать: а) что избранная площадь расположена на территории, благоприятной для нефтегазообразования; б) что эта площадь имеет благоприятные структурные формы для скопления промышленных запасов нефти и газа.

Во время осуществления подготовительного этапа газо- или нефтепроявления могут быть вообще не выявлены, так как породы, заключающие в себе углеводороды могут залегать значительно глубже.

После проведения подготовительных работ и успешного разрешения поставленных задач, наступает второй этап — постановка глубокого поискового бурения для выяснения наличия на подготовленной площади промышленных притоков нефти и газа. Этот этап завершается открытием месторождения или обосновывает отсутствие их. (Трофимук, 2002)

3.2 Местоположение объектов глубоководного бурения

За прошедшие тридцать с лишним лет в Мировом океане, а также во многих краевых и внутренних морях пробурены скважины, расположенные более чем в тысяче точек в районах приблизительно от 80° с. ш. до 70° ю. ш. (рис. 1). В результате получены многие километры керна проб осадочных и магматических пород, всестороннее изучение которых позволило выяснить геологическое строение дна океана и проследить историю его развития.

В течение первой фазы бурения, которая была нацелена в первую очередь на проверку правильности основных постулатов тектоники плит, главной задачей было достижение твердого фундамента как можно в большем числе районов. Опробование осадков в скважинах при этом проводили с большими перерывами, что, естественно, во многих случаях приводило к существенной потере информации, касающейся состава, строения и истории формирования осадочного чехла.

Тем не менее такая тактика проведения буровых работ полностью себя оправдала. В течение нескольких лет в разных районах Мирового океана были пробурены сотни скважин, которые вошли в магматические породы фундамента. В результате исследований выяснилось, что недра океана хранят немалые запасы горючих углеводородов, что не могло не радовать хозяев акваторий. С этого момента началось поисковое бурение.

Рис. 1. Карта точек бурения в океанах: 1 — скважины, пробуренные с судна «Гломар Челленджер» в 1968—1985 годах; 2 — скважины, пробуренные с судна «ДЖОИДЕС Резолюшн» начиная с 1985 года (Басов, 2001)

3.3 Полезные ископаемые в океане

Рудные полезные ископаемые

Как уже говорилось ранее, океан богат различными полезными ископаемыми. Это, в первую очередь руды. Поскольку мощность океанической коры много меньше мощности континентальной, плюс еще и в зонах спрединга мантия расположена в непосредственной близости от поверхности, именно в океане происходит накопление комплексных руд, зачастую гидротермального происхождения. Среди рудных полезных ископаемых в океанах выделяются следующие типы:

1) гидротермальные сульфидные постройки на поверхности океанического дна,

2) сульфидная минерализация в толще океанической коры (придонные образования),

3) железо — марганцевые конкреции на дне глубоководных впадин,

4) металлоносные осадки открытого океана,

5) прибрежно-морские россыпи. (Сотников, 1998)

1) Гидротермальные сульфидные постройки на поверхности океанического дна были открыты в 1978 году были открыты на Восточно-Тихоокеанском поднятии и стало ясно, что именно они являются источниками металлоносных осадков (Короновский, 1999). Глубоководное бурение с кораблей «Гломар Челленджер» и «Джоидес Резолюшн» позволило установить присутствие металлоносных осадков в осадочных толщах океанического дна. Гидротермы, также известные под названием «черные» и «белые курильщики», как правило связаны с океаническими рифтами разного типа строения, находящимися как в начальной стадии своего образования, так и в более зрелых, обладающих различными скоростями спрединга — расширения океанического дна (рис. 2). Рифтовые зоны океанов — это глубокие ущелья, располагающиеся вдоль осей срединно-океанических хребтов, они представляют собой дивергентные границы литосферных плит. Повышенный тепловой поток в рифтовых зонах связан с многочисленными, неглубоко залегающими магматическими очагами, из которых и происходят излияния базальтовой магмы, наращивающей океаническое дно. Средние глубины океанских рифтов составляют 2700−2900 м.

Рис. 2. Распространение современных гидротермальных построек и металлоносных осадков в океанах: 1 — гидротермальные постройки и сульфидные руды, 2 — илы с сульфидами (стратиформные залежи), 3 — металлоносные осадки (по данным Дж.П. Кеннета и С.Г. Краснова), 4 — рифтовые зоны (Короновский, 1999)

Откуда берется рудное вещество в гидротермах? Несомненно, что решающую роль играют вулканические породы — базальты океанического дна и процессы извержения базальтов, которые время от времени происходят в рифтовых зонах, наращивая океаническую кору. Сама базальтовая магма и базальты содержат крайне мало воды, не более 0,1%, следовательно, основным источником гидротермальных растворов является вода океанов, просачивающаяся в глубь океанической коры, сложенной базальтами. Для такого процесса вполне достаточно даже мелких (до 3 мм шириной) трещин, хотя широко развиты и более крупные, зияющие трещины — гьяры (гьяу — исл.). Подобные трещины могут рассекать всю океаническую кору в осевых зонах срединно-океанических хребтов на глубины в первые км. Так, для Исландии достоверно установлено просачивание океанских вод до 3 км. Неустойчивое состояние воды, когда увеличивается ее объем, достигается при разных температурах в зависимости от давления. Так, при давлении в 250 бар критическая температура равна 375° С, а при Р = 700 бар — примерно 500° С. Такие температуры на глубине делают воду неустойчивой, и она должна устремляться к поверхности, в сторону понижения градиента давления. Когда вода поднимается к поверхности океанского дна и давление быстро падает, тогда из высокотемпературных рудоносных растворов начинают выпадать некоторые химические элементы и уже на выходе из отверстия «черного курильщика» образуется скопление различных рудных минералов (рис. 3). Наиболее характерными являются сульфиды. Наряду с сульфидами в значительных количествах встречается аморфный кремнезем. В качестве элементов-примесей присутствуют Cd, Hg, Ni, Sn, W, U, V, Ag, Au. Так в начале 90-х годов в Новогвинейском море российской экспедицией были обнаружены гидротермы, в составе пород которых отмечено повышенное содержание золота.

Рис. 3. Схема геохимических процессов в гидротермальной системе срединно-океанического хребта (по данным Д.В. Гричука). Показаны соединения, которые извлекаются из базальтов фильтрующейся морской водой, а также флюиды, поступающие в гидротермальную систему из магматической камеры, находящейся под рифтом срединно-океанического хребта (Короновский, 1999).

2) Рудные месторождения, залегающие ниже уровня морского дна, представлены двумя типами. В одних случаях это те же рудные проявления, которые известны и в прибрежных районах. Примером подобной минерализации являются оловянные руды, залегающие на некотором удалении от мыса Корнуолл в Англии (Сотников, 1998). Здесь в море продолжаются оловосодержащие рудные жилы, которые иногда разрабатывались шахтами с суши. Предполагается, что цепочка таких рудных образований уходит в море на 160 км.

Второй тип оруденения связан с проявлением вулканизма. В подводных базальтах установлена минерализация трех разновидностей (Сотников, 1998): сульфидные капли (глобулы) в базальтовом стекле; скопления рудных минералов в газовых полостях; минералы в трещинах контракции (трещинах, возникающих за счет уменьшения объема магматической породы при ее охлаждении после образования). Сульфидные глобулы размером от нескольких до 200−300 микрон обычно представляют собой шары с резкими границами на контакте с базальтовым стеклом. Реже встречаются сульфидные выделения каплевидной и уплощенной формы, образовавшиеся в процессе течения магматического расплава. Рудные образования в газовых полостях базальтового стекла представлены кристаллами, шаровидными и каплевидными выделениями. В трещинах контракции чаще встречаются халькопирит, кубанит, пирротин, самородные Fe и Ag. Формы выделений рудных минералов обычно неправильные, комковатые.

3) Глубоководные Fe-Mn-конкреции впервые были изучены во время экспедиции на «Челленджере» в 1873—1876 годах (Сотников, 1998). С того времени их исследование проводилось со всевозрастающей интенсивностью. Fe-Mn-конкреции представляют собой стяжения гидроокислов железа и марганца, образующиеся на дне современных водоемов (океанов, морей, озер). Размеры их от 0,01 мм до десятков сантиметров. Наиболее активно конкреции формируются в пелагических районах океанов (открытые, удаленные от суши области океана, где на больших глубинах наименее сказывается влияние суши на протекающие здесь процессы осадкообразования; в эти области поступает мало терригенно-обломочного материала). В таких районах конкреции покрывают огромные пространства дна. Так, в отдельных частях Индийского океана объем конкреций составляет от 4 до 10 тыс. т на 1 км2.

4) Металлоносные осадки представляют собой обогащенные Fe, Mn и некоторыми другими рудными элементами морские отложения. Компоненты металлоносных осадков, как и большинства морских отложений, поступают из различных источников: терригенный (обломочный), биогенный, гидротермальный (Сотников, 1998, Короновский, 1999). Терригенные компоненты заносятся в океан с речным стоком вследствие размыва берегов и ветрового переноса.

Наиболее тонкие частицы достигают удаленных от суши глубоководных частей океанов. Биологический привнос металлов в осадки имеет ограниченное значение. Его роль возрастает с увеличением глубины, когда разложение биогенного материала приводит к развитию в осадках восстановительных условий, способствующих выпадению из морской воды металлов, которые не осаждаются в окислительной или нейтральной среде (в частности, это относится к урану, молибдену и некоторым другим элементам).

В процессе циркуляции в осевой части рифтовой зоны рассол вступает в контакт с магматическими породами, где нагревается до 250 °C и изменяется при химических реакциях с горячими базальтами, выщелачивая из них значительные количества металлов (рис. 4).

Так, к примеру, по мере разгрузки рассола на дне Красного моря происходит осаждение содержащихся в них металлов сначала в виде сульфидов (пирит, халькопирит, галенит PbS, сфалерит), затем силикатов Fe, окисных соединений Fe и, наконец, оксидов Mn.

В отдельных прослоях сульфидов содержится до 20% Zn. Запасы металлов во впадине: Zn — около 2,5 млн. т, Cu — 600 тыс. т, Ag — 9 тыс. т.

Рис. 4. Формирование металлоносных осадков во впадине Атлантис II Красного моря (по данным С.Г. Краснова) (Короновский, 1999)

5) Скопления полезных ископаемых в россыпях сформировались в результате механического концентрирования минеральных частиц, высвобожденных при выветривании материнских пород и руд. Минералы россыпей характеризуются высоким удельным весом и устойчивостью к химическому выветриванию. Среди рудных минералов это самородные золото и платина, касситерит, вольфрамит, шеелит, киноварь, ильменит, колумбит, танталит, монацит, циркон (Сотников, 1998).

Большинство минералов россыпей встречаются на расстоянии до нескольких километров от источника, поэтому морские россыпи всегда приурочены к прибрежной зоне. Перенос минералов в основном осуществляется текущей водой. Небольшие концентрации россыпных минералов могут образовываться при подводной эрозии минерализованных пород на дне моря. На перераспределение минералов в россыпях могут влиять течения в акваториях (в частности, круговая циркуляция течений в заливах).

Давно известны прибрежно-морские золотоносные россыпи Аляски. Эти россыпи прослеживаются на 26 км при ширине до 18 км. Золото сосредоточено в тонких слоях (иногда мощностью 2−3 см). Распределение золота гнездовое, расположение обогащенных гнезд связано с особенностями гидродинамики береговых течений. Эти россыпи эксплуатируются, и из них уже добыто более 140 т золота. Прибрежно-морские россыпи золота известны также на северо-востоке России. Морские россыпи касситерита широко распространены в Индонезии, Малайзии и Таиланде, где они прослеживаются на расстояние до 5 — 15 км от береговой линии (глубина залегания 30 — 35 м). Эти россыпи в общем балансе добычи касситерита занимают значительное место.

Горючие углеводороды

Уже ни для кого не секрет, что месторождения нефти и газа есть не только на континентах. Значительная часть углеводородных ресурсов сокрыта в толще океанов. К сожалению, на сегодняшний день точную информацию о месторождениях нефти и газа скрывают, поскольку это стратегическое сырье первостепенной важности. А общей карты месторождений мира, расположенных в океане нет. Поэтому приведу общеизвестные данные по самым крупным месторождениям и нефтегазоносным бассейнам, расположенным на шельфе. Отмечу, что как правило, это газовые и газоконденсатные месторождения. Причем большинство из них расположено именно на шельфе, что может объясняться мощностью осадочного слоя, который в районе шельфов значительно больше, нежели в открытом океане. Во-вторых, добыча на шельфе гораздо выгоднее и удобнее, поскольку не придется протягивать инфраструктуру (в частности, трубопроводы) слишком далеко в океан.

Далее расскажу о самых крупных месторождениях, расположенных под водой.

Самым крупным месторождением на море является Северный Купол/Южный Парс. (рис. 5) Это самое супергигантское нефтегазовое месторождение в мире. Находится в центральной части Персидского залива в территориальных водах Катара (Северное) и Ирана (Южный Парс). Северное и Южный Парс разделены тектоническим разломом. Оба они является самостоятельными разновозрастными залежами: Северное — поздним мелом, а Южный Парс — триасового возраста. (Геология нефти, 1968)

Запасы Северного/Южного Парса оценивается в 28 трлн. м3 газа и 45 млрд баррелей или 7 млрд. тонн нефти.

Рис. 5. Месторождение Северное/Южный Парс.

Разработка Северного началась в 1991 году. Газ из Северного по газопроводам отправляется в ОАЭ. Операторами разработки является Qatar Gaz и Rasgaz. Qatar Gas распределяется следующим образом: Qatar Petroleum — 65%, Total — 10%, ExxonMobil — 10%, Mitsui — 7,5%, Marubeni — 7,5%. Добыча природного газа 2005 году составила 25 млрд м3. Добыча нефти 2006 году составила 12 млн. тонн в год. Запасы Северного оценивается 13,8 трлн. м3 и 27 млрд. баррелей или 4,3 млрд. тонн нефти.

Южный Парс (South Pars) — это северная (Иранская) часть газового месторождения Северное/Южный Парс, которая расположено Персидском заливе к северо-востоку от Катара. Южный Парс был открыт в 1990 году. Разработка Южного Парса будет проходит в 28 фазах. Оператором разработки является NIOC. Участниками разработки являются Газпром, ENI и Total. Газ из Южного Парса по газопроводам отправляется в Ассалуйе. Дальше в Индию и Европу. Южный Парс занимает площадь в 3700 кв. км, оно содержит 8% мировых запасов газа и 50% суммарных запасов газа Ирана. Добыча природного газа 2006 году составила 23 млрд м3. Добыча нефти 2006 году составила 5,15 млн. тонн в год. Запасы Южного Парса оценивается 14,2 трлн. м3 и 18 млрд. баррелей или 2,7 млрд. тонн нефти.

В акватории Российской федерации расположено множество месторождений, но, пожалуй, самым крупным является Штокмановское (рис. 6). Оно расположено в Баренцевом море в 600 км к северо-востоку от Мурманска. Ближайшая суша (около 300 км) — западное побережье архипелага Новая Земля. Глубины моря в этом районе колеблются от 320 до 340 м. Открыто в 1988 году сотрудниками производственного объединения «Арктикморнефтегазразведка» (Мурманск) с борта бурового судна дизель — электрохода ледового класса «Виктор Муравленко». Месторождение названо в честь советского учёного-океанолога профессора В. Б. Штокмана. Разведанные запасы (на 2006 год) — 3,7 трлн м3 газа и 31 млн т. конденсата. Разработку проводит компания «Газпром». (Геология нефти, 1968).

Рис. 6. Основные месторождения Северного моря

Еще одним крупным российским проектом являются Сахалинские шельфовые проекты — обобщённое название группы проектов по разработке месторождений углеводородного сырья на континентальном шельфе Охотского и Японского морей и Татарского пролива, прилегающем к острову Сахалин. Всего на шельфе Сахалина открыто девять нефтегазоносных участков с совокупными запасами 1,19 трлн м3 газа, 394,4 млн тонн нефти и 88,5 млн тонн газового конденсата.

В конце ХХ-го века к северо-востоку от острова Сахалин было открыто несколько крупных залежей углеводородов: в 1977 году месторождение Одопту; в 1979 году — Чайво; в 1984 году — Лунское; в 1986 году — Пильтун-Астохское; в 1989 году — Аркутун-Дагинское. С тех пор и началась плановая разработка этого района. Названия проектов именуются по порядковым номерам: от первого (Сахалин-1) и до девятого (Сахалин-9).

Также к достаточно известным крупным морским месторождениям относятся Экофиск и Гронинген (Слохтерен).

Экофиск (Ekofisk) — газонефтяное месторождение в норвежском секторе Северного моря; входит в Центральноевропейский нефтегазоносный бассейн. Открыто в 1969, разрабатывается c 1971, c 1977 начата добыча товарного попутного газа. Залежи на глубине 3,1−3,3 км. Начальные запасы 230 млн. т. Плотность нефти 0,85 г/см3. Эксплуатируются 40 скважин. Годовая добыча (1989) 5,3 млн. т нефти и 7,2 млрд. м3 газа, накопленная к началу 1990 — 135 млн. т и 35 млрд. м3 соответственно. Hефть по нефтепроводу длиной 360 км и диаметром 86 см транспортируется в поселок Teссайд, газ по газопроводу длиной 443 км и диаметром 91 см — в город Эмден. Pазработку месторождения ведёт американская компания «Philips Petroleum».

Гронинген, Слохтерен (Groningen) — гигантское газовое месторождение, находится на севере Нидерландов. Входит в Центрально-европейский нефтегазоносный бассейн. Залежи на глубине 2,8−3,0 км. Начальные запасы 1960 млрд. мі. Содержание углеводородов 85%, азота 14%, СО2 1%. Открыто в 1959 году. Залежи на глубине 2,5 — 3 км. Считается, что остаточные запасы газа на месторождении — 2,7 трлн м3, накопленная добыча — свыше 1,5 трлн м3. На месторождении функционируют 300 скважин. Газ месторождения Гронинген содержит 81% метана и 14% азота, что делает его идеальным для использования в сети газопроводов Нидерландов. Оператором месторождении является Nederlandse Aardolie Maatschappij, совместное предприятие на паритетных началах компаний Royal Dutch/Shell и ExxonMobil.

3.4 Научные результаты глубоководного бурения

Важнейшее достижение современных наук о Земле — установление фундаментального факта, что земная кора океанов принципиально отличается от коры континентов. Кора океанов не только в 4 — 6 раз тоньше коры континентов, но и отличается по составу и структуре. В отличие от континентальной, подразделяющейся на осадочный чехол (который в некоторых местах и вовсе отсутствует), верхний (гранито-гнейсовый) и нижний (гранулит-базитовый) слои консолидированной коры, в составе океанической коры выделяют четыре слоя. (рис. 7). Также стоит заметить, что в составе континентальной коры преобладают гранито-гнейсовые породы, тогда как в океанической в основном основные и ультраосновные породы, такие как габбро и базальты. (Кеннет, 1987, Короновский, 2006).

Рис. 7. Схемы строения земной коры. I — континентальная кора, слои: 1 - осадочный, 2 — гранитно-метаморфический, 3 — гранулито-базитовый, 4 — перидотиты верхней мантии. II — океаническая кора, слои: 1 — осадочный, 2 — базальтовых подушечных лав, 3 — комплекса параллельных даек, 4 - габбро, 5 - перидотиты верхнеймантии. М - граница Мохоровичича (Короновский, 2006)

Самый верхний (осадочный) слой континентов, состоящий из осадочных пород, разбурен до фундамента тысячами буровых скважин, особенно в нефтегазоносных областях, а глубочайшая в мире Кольская буровая скважина вошла в фундамент континента на глубину 10,8 тыс. м. Континентальная гранитогнейсовая кора хорошо изучена по всей толще благодаря тому, что нередко в зонах крупных разломов отдельные части коры перемещены относительно друг друга, а следовательно, более древние отложения поднимаются выше и позволяют получить полную картину, не углубляясь в глубь на многие километры. Установлено, что отдельные блоки континентальной коры имеют очень древний возраст и были сформированы 3 — 4 млрд. лет назад. (Кеннет, 1987, Хаин 2001, Короновский, 2006).

До начала глубоководного бурения мы по существу ничего не знали или очень мало знали о геологии осадочного слоя коры в морях и океанах, который выделяется с помощью геофизических данных. Полученные с помощью глубоководного бурения научные результаты стали во всех отношениях подлинным открытием нашего времени. Всего в Мировом океане на сегодня, как уже было сказано, пробурено около 1000 скважин; некоторые из них полностью прошли осадочный слой и проникли в базальтовый фундамент на глубину 600 м по базальтам.

Бурением и сейсмопрофилированием доказано, что осадочная толща в океанах, лежащая в вертикальном разрезе сверху (рис. 8), распространена практически повсеместно. Она отсутствует лишь местами в центральных частях больших океанических хребтов и на подводных вулканических поднятиях. Однако мощность ее изменчива, что важно знать при оценке нефтегазоносности. На больших пространствах мощность осадочного слоя не превышает 1 — 1,5 км, увеличиваясь в краевых морях на континентальных окраинах до 10 км и больше (участки с мощной толщей осадков, правда, иного состава) (Басов, 2001). Установлено, что осадочный слой подстилается базальтами. Это второй слой океанической коры. (рис. 8) Бурение показало, что наиболее молодые — базальты осевых зон срединно-океанических хребтов, при удалении от которых возраст базальтов постепенно удревняется. Соответственно, подошва осадочного слоя также удревняется в направлении от оси хребта в сторону океанических окраин. Закономерность строения горных хребтов в океанах, таким образом, прямо противоположна строению их на континентах, где осевые зоны хребтов слагаются обычно наиболее древними породами.

Также, путем драгирования и с помощью подводных спускаемых аппаратов были изучены горные породы фундамента океанической коры (рис. 8) — ультрамафиты и мафиты, для которых характерны скорости сейсмических волн, типичные для мантии и нижней части океанической коры (Пейве, 1982). Время и геологическая история формирования этих пород еще слабо изучены, но, как твердо установлено, вышележащие базальтовые и осадочные слои океанической коры во всех океанах не древнее 200−230 млн. лет, что свидетельствует о кардинальных отличиях геологической истории коры океанов и континентов, о намного более древнем возрасте формирования коры на континентах.

Изучение осадочных и магматических пород показало, что возраст океанской коры действительно становится древнее по мере удаления от срединно-океанских хребтов в сторону окраинных частей океана, что подтвердило плейт-тектоническую модель развития дна океанов и Земли в целом. Это было продемонстрировано прежде всего с помощью изучения ископаемых микроорганизмов, что позволило в большинстве случаев с большой степенью надежности определить возраст самых нижних слоев осадочного чехла. Расчленение разреза велось по находившимся в кернах скважин остаткам быстро эволюционировавших и быстро расселявшихся в Мировом океане планктонных организмов, таких как фораминиферы, радиолярии, диатомовые, наннопланктон и др. (Басов, 2001). С учетом палеомагнитной шкалы и радиометрических определений впервые в результате глубоководного бурения создана основа для сверхдетальной и надежной корреляции времени проявления геологических явлений и объектов на всей Земле.

Было установлено, что наиболее древние осадки (среднеюрские, более 150 млн лет), залегающие на базальтах фундамента и вскрытые в Атлантическом и Тихом океанах, развиты в их окраинных районах. По направлению к срединным хребтам они становятся моложе и в их осевой части океанских бассейнов имеют современный возраст. Кроме того, было показано, что в глубоководных котловинах окраинных частей океанов нижние слои осадочного чехла являются относительно мелководными по сравнению со слоями, залегающими вверх по разрезу. Это означает, что океанская кора, которая формировалась в срединно-океанских хребтах, по мере удаления от них остывала и постепенно погружалась. Все это свидетельствует в пользу справедливости основных положений тектоники плит (Хаин, 2001).

Еще одним из основных постулатов современной тектонической концепции является дрейф литосферных плит. В процессе глубоководного бурения, это постулат не только был доказан, но было даже подсчитано, что средняя скорость дрейфа коры неодинакова во времени и пространстве, меняясь от 1 до 13 см в год, а средняя скорость вертикальных движений блоков составляет от 5 до 10 см в тысячу лет.

В Атлантическом океане, например, с большими подробностями удалось восстановить процесс раздвигания континентальной коры и его палеогеографию по синхронным осадочным горным породам, которые разбурены на противоположных окраинах континентов и первоначально образовались в узком бассейне в лагунных условиях в начальный период раскалывания и раздвигания континентов (Пейве, 1982).

Средствами глубоководного бурения подробно исследована геологическая история осадочного слоя на дне Северной Атлантики. Выяснено, что начало раздвигания в разных частях океана разное. Северная и арктическая часть океана начала формироваться позже его южной части. (Короновский, 2006).

Океанские базальты, вскрытые скважинами, так же как и осадки, оказались в значительной мере разнородными по химическому составу. Стало очевидным, что формирование дна океана происходило по более сложному сценарию, чем это предполагалось ранее, глядя на океан с суши. В частности, были установлены систематические вариации изотопного состава Rb, Sr, Nd и некоторых других химических элементов, которые свидетельствуют о неоднородности источников базальтовых магм, расположенных в верхней мантии. (Басов, 2001).

Эти сведения несомненно представляют значительный интерес, но все же наиболее значительными достижениями глубоководного бурения отмечено изучение осадочного чехла океана. Одним из них явилась разработка детальных стратиграфических шкал, точно датированных последовательностей осадков в разрезе, которые позволяют восстановить ход геологических событий и коррелировать их между собой на больших расстояниях, то есть помогают составить своего рода календарь событий прошедших эпох. От степени детальности и надежности стратиграфических шкал напрямую зависит адекватность интерпретации прошлых геологических процессов и событий, следы которых записаны в осадочных разрезах. Наибольшую детальность расчленения разрезов обеспечивают биостратиграфические шкалы, которые строятся на основании изменений в составе и структуре ассоциаций различных ископаемых организмов.

В настоящее время разработаны детальные, так называемые зональные шкалы по многим группам микроорганизмов с известковым, кремневым и органическим скелетом: планктонные и бентосные фораминиферы, радиолярии, диатомеи, силикофлагелляты, динофлагелляты, споры и пыльца (рис. 8).

Рис. 8. Некоторые ископаемые микроорганизмы, используемые в стратиграфических исследованиях: 1 — планктонные фораминиферы; 2 — бентосные фораминиферы; 3 — радиолярии; 4 — диатомовые водоросли; 5 — кальцисфера; 6 — кокколиты (Басов, 2001)

Эти шкалы датированы различными методами, достаточно надежно сопоставлены между собой и позволяют расчленять осадочный чехол на отрезки, отвечающие в некоторых случаях временным интервалам продолжительностью в несколько сот тысяч лет, что по геологическим меркам соответствует весьма высокой точности. Применение стратиграфических шкал выявило исключительно сложное строение осадочных разрезов океана. Оказалось, что непрерывные разрезы осадков в океане представляют собой скорее исключение, а не правило, как это представлялось до начала глубоководного бурения. В большинстве случаев осадочные разрезы Мирового океана содержат перерывы в накоплении осадков, порой многочисленные и часто внешне незаметные в составе осадков. Особенно часты перерывы в осадочном чехле Тихого океана (рис. 9). Их продолжительность колеблется от нескольких сот тысяч до нескольких миллионов и даже десятков миллионов лет. Такое широкое распространение перерывов в осадочном чехле океанов указывает на его активный размыв придонными течениями и широкое развитие гравитационных склоновых процессов.

Рис. 9. Стратиграфические перерывы в осадочном чехле Тихого океана: 1 — перерывы; 2 — неопробованный интервал; 3 — скважины, не достигшие фундамента; 4 — скважины, достигшие фундамента (Басов, 2001)

Вместе с тем анализ осадочных разрезов показывает, что придонная циркуляция в Мировом океане не всегда была столь интенсивной, чтобы препятствовать отложению новых осадков или приводить к размыву уже накопленных. В его истории были периоды, когда циркуляция придонных вод в некоторых частях почти полностью прекращалась. Это приводило к появлению в придонном слое воды анаэробных (бескислородных) условий и формированию на дне специфических черных сланцев с повышенным содержанием органического вещества, поскольку падающие сверху отмершие планктонные организмы и растительные остатки, приносимые реками с суши, при отсутствии кислорода захоронялись в осадках, не разлагаясь. Бурением было установлено, что особенно широко такие условия были развиты в Атлантическом океане в меловое время, то есть приблизительно 110 — 115 и 90 — 95 млн лет назад. Позднее следы этих событий, которые получили название «бескислородные события в океане» (Oceanic Anoxic Events или OAE-1 и OAE-2), были обнаружены также во многих разрезах морских отложений на континентах. В некоторых районах, как, например, на Фолклендском плато в Южной Атлантике, черносланцевые отложения, накапливавшиеся в течение гораздо более длительного времени и имеющие большую мощность, содержат жидкие и газообразные углеводороды, которые могут представлять промышленный интерес.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой