Некоторые вопросы о месте литодинамических процессов в общей классификации геологических опасностей и явлений

Опасные геологические процессы и явления (ОГПЯ) на шельфе в настоящее время привлекают все большее внимание как исследователей, так и практиков в связи с хозяйственным освоением морского дна [1–3]. Развитие нефтегазового комплекса на дне шельфовых морей поставило в повестку дня вопросы экологической безопасности как самих буровых, так и получающего все большее развитие трубопроводного транспорта. Обеспечение экологической безопасности подобных инженерных объектов является важнейшей проблемой при инженерном освоении дна шельфовых морей, особенно в условиях геополитической нестабильности, а также проявления таких видов ОГПЯ, которые до недавнего времени в пределах некоторых регионов даже не прогнозировались. Калининградское землетрясение в 2004 году является тому примером.

Целый ряд обычных природных процессов начинает в определенных условиях представлять опасность для подводных инженерных объектов, причем эта опасность осознавалось гораздо раньше, чем появилось само понятие «опасные геологические процессы». К таковым относятся литодинамические процессы, связанные с горизонтальным перемещением обломочного материала под влиянием волнений и течений. Наиболее активно они изучались и изучаются в береговой зоне, так как именно с ними связаны вопросы устойчивости берегов, в том числе — в зонах строительства портовых сооружений. В 80-х годах прошлого века на основе изучения литодинамики наносов в береговой зоне в Институте океанологии АН СССР проф. В.В. Лонгинов организовал новую научную школу [4]. Впоследствии это учение распространилось на весь шельф, континентальный склон и его подножие, что дало начало новой отрасли науки — литодинамика океана [5]. Изучение этих процессов нашло широкое распространение в практике морских инженерно-геологических изысканий. В своде правил СП 11-114-2004 «Инженерные изыскания на континентальном шельфе для строительства морских нефтегазопромысловых сооружений» (ст. 7) указано, что литодинамические исследования проводятся в комплексе с проведением инженерно-геодезических, инженерно-геологических и инженерно-гидрометеорологических работ и включают изучение литолого-геоморфологических условий, динамики наносов, динамики дна и берегов, воздействие на дно ледяных образований. Большое внимание изначально уделялось изучению литодинамических процессов в береговой зоне в США, где вопрос устойчивости берегов и заносимости морских каналов был жизненно важным для многих городов, располагающихся непосредственно на побережье [6].

В отечественной практике давно осознано важное значение литодинамических процессов для формирования донных осадков, а также неблагоприятного их воздействия на инженерные объекты в береговой зоне (заносимость фарватеров и судоходных каналов), на подводные трубопроводы и кабели (подмыв их основания или наоборот, погребение под слоем движущихся осадков). Однако не существует единого мнения о профессиональной принадлежности этого вида осадкообразования (собственно динамики осадков). В настоящее время в цикле инженерно-геологических работ этот тип седиментационных процессов рассматривается, как указано выше, в разряде инженерно-гидрометеорологических изысканий. В свою очередь, структуры агентства «Роснедра» (Минприроды РФ), отвечающие за геоэкологическую безопасность инженерных сооружений на шельфе, относят эти процессы, как и все литологические факторы, к сфере гидрометеорологии, аргументируя это тем, что все осадки формируются в водной или воздушной среде (что, в принципе, никем и не оспаривается). При этом не всегда данные процессы рассматривают как опасные, относя их к природным.

Однако литодинамические процессы в определенных условиях и при размещении инженерных объектов на морском дне могут представлять опасность для человека и создаваемой им на шельфе инфраструктуры.

Основным фактором литодинамики как природного процесса является транспортировка обломочного материала (в форме качения, сальтации или взвеси) под влиянием волнения и самых разнообразных течений. В этом смысле понятие литодинамики тесно связано с понятием морфодинамики (занимающейся в том числе вопросами образования аккумулятивных или денудационных форм рельефа), что дало в свое время Е.Н. Невесскому право объединить эти понятия в одно: литоморфодинамику [7].

Потоки наносов, формирующиеся под воздействием гидродинамических факторов, зависят от различных метеорологических, гидродинамических и геоморфологических условий. Основными из них являются величина придонной скорости и крупность обломочных частиц перемещаемых потоков [3]. С точки зрения фиксации ОГПЯ важны именно морфодинамические характеристики или образование новых форм рельефа: аккумулятивных и денудационных. Они фиксируют конечный результат таких ведущих факторов седиментогенеза, как аккумуляция (намыв) и размыв. Действие этих факторов приводит к заносимости морских каналов, размывам под нитками проложенных на морском дне газопроводов и к другим неприятным процессам, приводящим к нарушению экологической безопасности антропогенной инфраструктуры. Именно эти факторы учитывались уже много веков при строительстве портов и гаваней. В результате литодинамических процессов часто формируются формы донного рельефа (рытвины, различные валы песчаного и илистого состава, которые сами по себе представляют уже опасные геологические явления. Наконец, сам покров современных морских осадков, представленный илами и песками различного состава, полностью относится к категории неустойчивых грунтов и может послужить причиной проявления ОГПЯ.

Именно эти обстоятельства послужили основанием для включения изучения литодинамических процессов в комплекс инженерно-геологических исследований, а также в состав Государственного мониторинга геологической среды шельфа, преобразованного в настоящее время в Государственный мониторинг опасных геологических процессов. В рамках этих работ в последние годы были достигнуты большие успехи в организации сети постоянных наблюдений в береговой зоне Финского залива, а также на Калининградском шельфе, где береговые процессы всегда были в центре внимания природоохранных организаций.

В настоящее время все организации, выполняющие задание по Государственному мониторингу шельфа в пределах РФ, в той или иной мере занимаются вопросами литодинамики как береговой части, так и открытых участков шельфа. Так, в течение многих лет ВСЕГЕИ ведет наблюдения за устойчивостью берегов восточной части Финского залива. Была установлена высокая активность литодинамических процессов в южной береговой зоне залива в районе поселков Лебяжье и Большая Ижора. Здесь на субширотном участке берег активно размывается с формированием в толще голоценовых морских песков абразионного уступа высотой от 1 до 3–5 м. Следует отметить, что во многом за счет размываемых берегов в районе пос. Бол. Ижора на протяжении позднего голоцена происходило образование сложных песчаных кос, напоминающих по строению косы так называемого азовского типа. Между косами расположены постепенно отчленяемые от акватории и зарастающие лагуны. Здесь наблюдается чередование зон активного размыва, транзита и аккумуляции наносов (рис. 1), амплитуда изменений береговой линии достигает 5–7 м как в зонах абразии, так и на аккумулятивных участках [8].

То, что литодинамические процессы представляют конкретную опасность для инженерных объектов на дне шельфовых морей, продемонстрировано также специалистами Института им. Карпинского (ВСЕГЕИ) на примере Калининградского шельфа в районе месторождения «Кравцовское» (Д6). Здесь силами этой организации совместно с Калининградским филиалом ИОРАН проводится с 2003 года комплексный экологический мониторинг района нефтяного месторождения, совмещенный с одним из районов Государственного мониторинга состояния недр прибрежно-шельфовой зоны Балтийского, Белого и Баренцева морей (Роснедра). Использование данных гидролокации бокового обзора и многолучевого эхолотирования позволило оконтурить обстановки, маркируемые выходами коренных пород и полями грубообломочных отложений. Они наиболее широко развиты в мелководных зонах, примыкающих к Самбийскому полуострову, в основании Куршской косы и к северу от нее. Здесь на глубинах до 15–25 м зафиксированы выходы на поверхность дна коренного субстрата, обширные зоны «динамичных песков» со знаками ряби, скопления валунно-галечного материала. В ряде случаев наблюдалась как заносимость трубопроводов, так и вымывание осадочного материала из подводных коммуникаций [2][9] (рис. 2).

В 2014 г. были проведены специальные литодинамические исследования, включающие площадное обследование рельефа дна с помощью многолучевых эхолотов (МЛЭ) SeaBat 8111 (производства компании RESON), EM 2040 Compact (KongsbergMaritime) и SeaBatT20-P (TeledyneRESON). Эти работы выполнялись ООО «Севзапгидропроект» (2011 г.), ФГУП «ВНИИОкеангеология им. И.С. Грамберга» (2012 г.) и НПП «Ленарк» (2013 г.). Они выполнялись в связи с дноуглубительными работами по строительству основных гидротехнических объектов порта Сабетта — подходного и морского судоходных каналов, а также акватории порта [1].

Было установлено, что характер литодинамических процессов, обуславливающих заносимость морского канала, определяется тремя основными факторами — фоновым заилением за счет осаждения взвеси, перемещениями влекомых наносов за счет ветрового волнения и под влиянием течений, а также перемещением/переносом донного материала вследствие ледовой экзарации [1].

Используя данные интерпретации геофизических методов (многолучевого эхолотирования, гидролокации бокового обзора и акустического профилирования), материалы осаждения взвеси, полученные с помощью седиментационных ловушек, и расчетные материалы, авторы смогли оценить количественно величину годового слоя наносов, формирующегося в канале, и выделить зоны очень высокой и средней заносимости [1]. Проведенные работы отчетливо показывают, что литодинамические процессы приводят к опасным последствиям для инженерной инфраструктуры на шельфе, и для их изучения необходимо использовать комплексные геолого-геофизические методы.

Важное место в ряду изучения литодинамических процессов с точки зрения квалификации их как ОГПЯ являются работы ФГБУ «ВНИИОкеангеология», проведенные в период 2020–2022 гг. по заданию агентства «Роснедра» в прибрежной зоне Южного Сахалина. Они выполнялись на 10 ключевых участках (3 участка на Япономорском побережье, 6 участков на открытом Охотоморском побережье и 4 — в заливе Анива). Выбор участков определялся как различием характера литодинамических процессов в береговой зоне, так и практическими проблемами сохранения устойчивости берегов в зоне размещения береговой инфраструктуры (рис. 3). За достаточно короткий (3 года) период наблюдений было установлено, что в результате литодинамических процессов под воздействием волнения (до глубин 10–15 м) и течений было зафиксировано интенсивное перемещение обломочного материала, что приводило как к локальному размыву морского дна, так и накоплению обломочного материала [9].

В результате были зафиксированы существенные преобразования фациальных условий седиментогенеза (изменения гранулометрического состава и соотношения на плоском дне участков с аккумулятивными/денудационными процессами). При этом изменения высот донного рельефа может достигать более полуметра. В данном случае речь идет о ровном дне, так как в прибрежной (волновой) зоне могут формироваться валы с относительным превышением более 1 м. Объем перемытого материала в таких участках колеблется от 4000 до 300000 м³. Это очень значительные объемы, которые, несомненно, должны учитываться при строительстве инфраструктуры на морском дне.

В качестве примера можно привести результаты мониторинга на участке вблизи пос. Макаров, находящемся на восточном побережье о-ва Сахалин, у внешней границы залива Терпения (рис. 3). На рис. 4 и 5 приведены литологические карты, построенные по данным гранулометрических анализов и площадной съемки с помощью локатора бокового обзора [9].

В 2021 году (рис. 4) выделяются несколько абразионных участков, в том числе и в южной (относительно глубоководной) части участка, которые выделяются по локальным пятнам грубообломочного материала. При этом большая часть морского дна сложена однородными мелкозернистыми песками.

В 2022 году (рис. 5) произошла существенная смена распределения донных осадков. Большая часть абразионных зон оказалась перекрыта песками, а в распределении самих песков проявилась вертикальная зональность — то есть по мере увеличения глубин происходит замещение более крупнозернистых разностей тонкозернистыми. При этом с увеличением глубин в песках возрастает примесь тонких частиц, осадки постепенно переходят в разряд песчанистых миктитов (песков алевро-пелитовых).

Эти выводы подтверждаются и картой изменения рельефа дна в пределах ключевого участка (рис. 6). Если за период с 2020 по 2021 год изменения рельефа были незначительны, то в период с 2021 по 2022 год произошло существенное увеличение мощности слоя донных грунтов, достигавшее в юго-западной части планшета за год 0,8–1,0 м. При этом продолжился рост подводной косы в северо-западной части, уже в зоне волновых отложений. Таким образом, на ключевом участке «Макаров» в 2022 году отчетливо проявилась тенденция к усилению роли аккумулятивных процессов, которые выражаются как в локальных изменениях донного рельефа, так и в заметном изменении фациальных условий седиментации, на глубинах более 7 м [9].

Сводные результаты соотношения намыв/размыв по каждому из участков в период с 2021 по 2022 г. приведены в табл. 1. Анализ данных этой таблицы показывает, что объем намытых осадков в течение года может достигать 370 000 м³, а размытых и вынесенных за пределы этого контура — 429 000 м³. Подобные объемы перемещаемых наносов свидетельствуют о важности этого процесса в общем балансе наносов в прибрежной зоне в условиях развития интенсивных придонных течений.

При этом видно, что этот процесс имеет локальные особенности. На ровных аккумулятивных прибрежных равнинах он происходит на больших площадях, хотя и достаточно мозаично, как это показано на рис. 5. На абразионных побережьях, где в прибрежной зоне на поверхность дна выходят скальные породы, они формируют неменяющийся каркас, контролирующий характер литодинамических процессов.

Прекрасным примером такого расположения является участок «Пригородное», расположенный в вершине залива Анива к востоку от порта Корсаков. Берег здесь типично абразионный — горные отроги подходят непосредственно к береговой линии. Пляжи практически отсутствуют. Вдоль берега тянется абразионная платформа (уступ), подножие которой фиксируется на глубинах 5–6 м. Далее наблюдаются 3–4 гряды, вытянутые вдоль берега и представленные, вероятно, скальными породами. Характерно, что эти гряды секут изобаты донного рельефа. На глубинах 12–15 м дно становится ровным и слабо наклоненным в сторону от берега (рис. 7).

Гряды скальных пород, образовавшиеся под воздействием интенсивных течений, определяют распределение донных осадков. В межгрядовых понижениях формируются залежи песков, а подножие этих гряд перекрыто маломощным чехлом существенно гравийно-галечных осадков. В результате формируются две полосы песчаных отложений, положение которых сохраняется в течение обоих годов наблюдений. Они протягиваются вдоль денудационного склона на глубинах 8–10 м. Вторая полоса располагается на глубинах 15–17 м, занимая северо-восточный угол слабонаклоненной аккумулятивно-денудационной равнины и располагаясь мористее полосы вдольбереговых гряд.

На протяжении всего цикла наблюдений, начиная с 2020 года, структура распределения донных осадков сохранялась, хотя гранулометрический состав песков мог меняться в зависимости от условий конкретно существующего гидродинамического режима [9].

Комплексные исследования с использованием гидролокационного профилирования (ГЛБО), эхолотирования, интерпретационного пробоотбора, а также подводной видео- и фотосъемки на северном побережье Финского залива, в зоне активной застройки берега, позволили выделить особенности лито- и морфодинамики прибрежной зоны — эрозионные ложбины стока на глубинах от 8 до 12 м, по которым происходит вынос обломочного материала, образующегося при размыве берега. Рельеф дна их осложнен подводными песчаными волнами, указывающими на активные литодинамические процессы. Сравнение материалов за период с 2006 по 2019 г. показало, что распределение мезоформ донного рельефа (эрозионные ложбины стока, песчаные волны, зоны динамичных песков) на протяжении времени наблюдения (6 лет) осталось стационарным (рис. 8), а скорости течений в этих ложбинах по морфометрическим показателям песчаных рифелей могут достигать 70–150 см/с.

Приведенные примеры наглядно показывают, что литодинамические процессы могут непосредственно сказываться на экологической безопасности существующих или проектируемых объектов подводной инфраструктуры, а также на устойчивости берегов. Опасность проявляется в нескольких опциях: заносимость объекта, размыв дна или подмыв фундамента сооружения, разрушение объекта в результате коррозии при движении наносов. Изучение таких процессов должно обязательно входить в список задач Государственного мониторинга опасных экзогенных геологических процессов на шельфе, как включены они сейчас в свод Правил проведения инженерно-геологических изысканий [10].

Литодинамические процессы являются одной из важнейших составных частей геологической науки — седиментологии, которая, в свою очередь, входит в состав литологии — науки о формировании осадочных пород. Поэтому весь комплекс методов литологических исследований может быть использован при оценке литодинамических потоков. Перспективы развития методов изучения и контроля литодинамических процессов связаны с использованием подводных станций — счетчиков интенсивности переноса обломочного материала, работающих в непрерывном режиме измерений.