"Ю.Б.Баду. Основные особенности строения, состояния и свойств кайнозойских отложений северной части Западно-Сибирской плиты (2000, html) " - читать интересную книгу автора

Arctic Vector of Russian Development

Journal of Geocryology, v.1, 2000

 

Ю.Б.Баду

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


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


Геологическое строение кайнозойских отложений


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

п-ова (150 м). Ямальский разрез вскрывает (снизу вверх) нерасчлененную толщу палеоцен-маастрихтского возраста, перекрытую мощным базальным горизонтом и 150-метровой толщей четвертичных отложений - полуйской и казымской (QI-II ), салехардской ( QII 2-4 ) и казанцевской свит ( QIII1 ) и каргинско-сартанского горизонта ( QIII3-4 ). В Ямбургском разрезе (Тазовский полуостров) толща палеогеновых отложений

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


Палеогеновые отложения

 

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

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

 

Четвертичные отложения

 

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

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

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

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

 

Гранулометрическнй состав кайнозойских отложений

 

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

 

Минеральный состав кайнозойских отложений

 

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

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

Таблица 1 Гранулометрический состав кайнозойских отложений

 

Гранулометрическая фракция

Содержание гранулометрических фракций (%)

 

Ямальский разрез

Ямбургский разрез

Палеогеновые отложения

суглинки средние и  тяжелые

глины

глинистая

13 - 55

20 - 68

пылеватая

26 - 58

30 - 60

песчаная

4 - 54

0,4 - 12

Четвертичные отложения

Казымская свита

глины, суглинки

суглинки

глинистая

32 - 45

30 - 45

пылеватая

25 - 35

50 - 70

песчаная

20 - 40

1 - 5

салехардская свита

глины тяжелые

суглинки

глинистая

61 - 85

40 - 50

пылеватая

12 - 38

52 - 66

песчаная

0,6 - 6

1 - 3

 

--

пески

глинистая

-

1 - 3

пылеватая

-

22 - 75

песчаная

-

21 - 93

казанцевская свита

суглинки

пески

глинистая

17 - 40

0,6- 20

пылеватая

38 - 60

8 - 60

песчаная

10 - 53

80 - 90

   

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

 

Отложения

 

Среднее содержание минералов глинистой фракции (%)

 

 

Ямальский разрез

Ямбургский разрез

 

монтмориллонит

гидро­слюда

каоли­нит

монтмориллонит

гидрослюда

каолинит

Палеогеновые

13-28

18

17-31

27

49-64

55

26-30

28

46-50

47

21-25

23

Четвертичные:

казымская свита

27-32

30

34-40

38

29-36

33

-

-

-

салехардская свита

21-32

28

34-47

42

32-36

33

30-32

30

42-48

45

22-27

25

казанцевская свита

38-42

39

31-34

32

26-31

29

-

-

-

 


Таблица 3

Содержание органики (%) в кайнозойских отложениях

Отложения

Ямальский разрез

Ямбургский разрез

Палеогеновые

1.7-2.9  (среднее 2.6)

3.6-5.7 (среднее 4.6)

Четвертичные:

казымская свита

0.6-0.9    (0.75)

0.4-3.9    (2.1)

салехардская свита

1.0-1.2     (1.1)

1.13-4.54    (2.54)

казанцевская свита

0.6-0.9    (0.85)

0.3-2.15    (0.9)

каргинско-сартанский горизонт

0.1-0.8    (0.4)

--

 

 

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

 

Химический состав воднорастворимых солей

 

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

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

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

Таблица 4

Содержание воднорастворимых солей в кайнозойских  отложениях (%)

Отложения

Ямальский разрез

Ямбургский разрез

Палеогеновые

0,6-0,85

0,4-1,29

Четвертичные:

казымская свита

0,38-0,54

0,3-0,8

 

салехардская свита

0,85-1,09

0,1-0,18

 

казанцевская свита

0,6-5-0,93

0,05-0,1

 

каргинско-сартанский горизонт

0,14-0,36

 

-

 

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

 

Состояние горных пород

 

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

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

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

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

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

Таблица 5 Состояние пород криогенной толщи

Состояние и состав

пород

Глубина залегания,   м

Конц.

поро-

вого

раствора

Кпр

Кажу-

щееся

сопротивление

rк , омм

Те   и  tз

Льдистость

ЛВ, %

 

 

 

 

 

 

 

по визуальному исследованию

по соотношению температур

по ка­рота­жу

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ямальский разрез

1. Твердомерзлые пески и все глинистые породы

Ледя­ные включения отмечаются до

глубины 165м

0-75

0-75

0,01-0,04

180-120

Те « tз

55-20

2. Твердомерзлые пески

и глинистые породы.

Редкие прослои пластично-мерзлых глин повышенной засоленности

 

75-110

75-165

0,03-0,04

60-20

 

Те <  tз

20-15

3. Твердомерзлые пески,

супеси, редко суглинки.

Пластичномерзлые глины и суглинки, реже супеси

 

110-165

 

0,0-0,04

80-10

Те < tз

15-10

4. Охлажденные пески и

все глинистые породы

 

165-260

 

0,02-

0,03

15-1

Те >  tз

-

5. Талые породы

 

Ниже 260

 

-

5-1

Те >>  tз

-

Ямбургский разрез

1. Твердомерзлые пески и все глинистые породы

Ледяные вклю-чения отмечены до гл.150м

0-93,5

0-93,5

0,001-

0,01

 

Те « tз

20-10

2. Пластичномерзлые глины и суглинки, реже

супеси. Твердомерзлые

пески

 

93.5-150

93.5-150

0,01-0,015

 

Te < t

8-3


 

Водно-физические свойства грунтов

 

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

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

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

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

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

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

Таблица 6 Основные показатели воднофизических  свойств кайнозойских отложений

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

 

Грануломет-

рический состав по­род

Возраст

пород

Плотность ,г/см3

Пористость

и

коэф.

пористости

 

Влажность, %

Пластичность, %

 

 

мерзлых пород

 

скелета мерзлых пород

 

удель­ная

 

 

суммарная

 (сух. на-

веска)

 

гигро­скопи­ческая

 

макси­мальная молеку-

лярная

 

верх­ний предел

 

нижний предел

число пластич­ности

 

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Пески

пылеватые

QIII3-4

1.75

-

1.30

-

2.64

-

40

-

28

-

-

-

-

-

-

 

QIII1

-

1.85

-

1.50

-

2.64

-

0.8

-

23

-

0.17

-

2.6

-

-

-

 

QII2-4

-

1.9

-

1.60

-

2.64

-

0.66

-

18

-

0.14

-

4

-

-

-

Супеси

QIII3-4

1.88

-

1.49

-

2.63

-

40

-

40

-

-

-

14.2

-

25.2

-

21.2

-

4.0

-

 

QIII1

-

1.86

-

1.49

-

2.65

-

0.8

-

25

-

1.05

-

11.8

-

20.7

-

15.7

-

5.0

 

QII2-4

-

1.83

-

1.44

-

2.65

-

0.84

-

26

-

0.8

-

14.7

-

25.7

-

21.0

-

4.7

 

QI-II

1.85

-

1.55

-

2.73

-

31

-

20

-

-

-

16.3

-

25.6

-

19.1

-

6.5

-

 

Суглинки средние

QIII3-4

1.86

-

1.38

-

2.66

-

48

-

29

-

-

-

15.3

-

25.8

-

20.4

-

5.4

-

 

QIII1

1.88

-

1.55

-

2.67

-

42

-

25

-

-

-

14.7

-

25.4

-

18.7

-

6.7

-

 

QII2-4

-

1.61

-

1.14

-

2.63

-

1.3

-

40

-

2.06

-

13.5

-

35.0

-

22.8

-

12.2

 

QI-II

-

1.77

-

1.32

-

2.65

-

1.0

-

36

-

1.2

-

-

-

32.0

-

23.0

-

9.0

 

Р1

2.05

1.90

1.95

1.47

2.66

2.66

39

0.81

21

29

-

1.2

16.2

12.4

29.9

27.0

22.3

15.0

7.6

12.0

Суглинки тяжелые

QIII3-4

1.88

-

1.54

-

2.67

-

48

-

37

-

-

-

16.3

-

26.4

-

21.4

-

5.0

-

 

QIII1

1.89

-

1.51

-

2.67

-

42

-

22

-

-

-

16.9

-

31.0

-

22.4

-

8.6

-

 

Р1

1.94

-

1.84

-

2.67

-

34

-

23

-

-

-

17.2

-

32.7

-

23.9

-

8.8

-

Глины

QIII1

1.76

-

1.51

-

2.67

-

42

-

21

-

-

-

18.0

-

34.5

-

24.2

-

10.3

-

 

QII2-4

1.80

1.74

1.49

1.24

2.70

2.66

52

1.13

27

40

-

1.4

24.2

17.0

50.9

40.0

31.8

22.0

19.1

18.0

 

QI-II

2.03

-

1.70

-

2.69

-

28

-

20

-

-

-

14.6

-

33.8

-

19.9

-

13.9

-

 

Р1

2.00

1.69

1.67

1.15

2.66

2.62

33

1.29

23

47

-

1.9

19.3

18.9

39.8

42.0

26.8

23.0

13.0

19.0

 

 


 

| Home | News | Projects | Articles | Photo Gallery | Maps | Discussions | Membership | Info | Contact us |

© Copyright Permafrost International Inc. All rights reserved.


Arctic Vector of Russian Development

Journal of Geocryology, v.1, 2000

 

Ю.Б.Баду

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


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


Геологическое строение кайнозойских отложений


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

п-ова (150 м). Ямальский разрез вскрывает (снизу вверх) нерасчлененную толщу палеоцен-маастрихтского возраста, перекрытую мощным базальным горизонтом и 150-метровой толщей четвертичных отложений - полуйской и казымской (QI-II ), салехардской ( QII 2-4 ) и казанцевской свит ( QIII1 ) и каргинско-сартанского горизонта ( QIII3-4 ). В Ямбургском разрезе (Тазовский полуостров) толща палеогеновых отложений

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


Палеогеновые отложения

 

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

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

 

Четвертичные отложения

 

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

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

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

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

 

Гранулометрическнй состав кайнозойских отложений

 

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

 

Минеральный состав кайнозойских отложений

 

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

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

Таблица 1 Гранулометрический состав кайнозойских отложений

 

Гранулометрическая фракция

Содержание гранулометрических фракций (%)

 

Ямальский разрез

Ямбургский разрез

Палеогеновые отложения

суглинки средние и  тяжелые

глины

глинистая

13 - 55

20 - 68

пылеватая

26 - 58

30 - 60

песчаная

4 - 54

0,4 - 12

Четвертичные отложения

Казымская свита

глины, суглинки

суглинки

глинистая

32 - 45

30 - 45

пылеватая

25 - 35

50 - 70

песчаная

20 - 40

1 - 5

салехардская свита

глины тяжелые

суглинки

глинистая

61 - 85

40 - 50

пылеватая

12 - 38

52 - 66

песчаная

0,6 - 6

1 - 3

 

--

пески

глинистая

-

1 - 3

пылеватая

-

22 - 75

песчаная

-

21 - 93

казанцевская свита

суглинки

пески

глинистая

17 - 40

0,6- 20

пылеватая

38 - 60

8 - 60

песчаная

10 - 53

80 - 90

   

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

 

Отложения

 

Среднее содержание минералов глинистой фракции (%)

 

 

Ямальский разрез

Ямбургский разрез

 

монтмориллонит

гидро­слюда

каоли­нит

монтмориллонит

гидрослюда

каолинит

Палеогеновые

13-28

18

17-31

27

49-64

55

26-30

28

46-50

47

21-25

23

Четвертичные:

казымская свита

27-32

30

34-40

38

29-36

33

-

-

-

салехардская свита

21-32

28

34-47

42

32-36

33

30-32

30

42-48

45

22-27

25

казанцевская свита

38-42

39

31-34

32

26-31

29

-

-

-

 


Таблица 3

Содержание органики (%) в кайнозойских отложениях

Отложения

Ямальский разрез

Ямбургский разрез

Палеогеновые

1.7-2.9  (среднее 2.6)

3.6-5.7 (среднее 4.6)

Четвертичные:

казымская свита

0.6-0.9    (0.75)

0.4-3.9    (2.1)

салехардская свита

1.0-1.2     (1.1)

1.13-4.54    (2.54)

казанцевская свита

0.6-0.9    (0.85)

0.3-2.15    (0.9)

каргинско-сартанский горизонт

0.1-0.8    (0.4)

--

 

 

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

 

Химический состав воднорастворимых солей

 

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

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

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

Таблица 4

Содержание воднорастворимых солей в кайнозойских  отложениях (%)

Отложения

Ямальский разрез

Ямбургский разрез

Палеогеновые

0,6-0,85

0,4-1,29

Четвертичные:

казымская свита

0,38-0,54

0,3-0,8

 

салехардская свита

0,85-1,09

0,1-0,18

 

казанцевская свита

0,6-5-0,93

0,05-0,1

 

каргинско-сартанский горизонт

0,14-0,36

 

-

 

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

 

Состояние горных пород

 

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

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

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

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

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

Таблица 5 Состояние пород криогенной толщи

Состояние и состав

пород

Глубина залегания,   м

Конц.

поро-

вого

раствора

Кпр

Кажу-

щееся

сопротивление

rк , омм

Те   и  tз

Льдистость

ЛВ, %

 

 

 

 

 

 

 

по визуальному исследованию

по соотношению температур

по ка­рота­жу

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ямальский разрез

1. Твердомерзлые пески и все глинистые породы

Ледя­ные включения отмечаются до

глубины 165м

0-75

0-75

0,01-0,04

180-120

Те « tз

55-20

2. Твердомерзлые пески

и глинистые породы.

Редкие прослои пластично-мерзлых глин повышенной засоленности

 

75-110

75-165

0,03-0,04

60-20

 

Те <  tз

20-15

3. Твердомерзлые пески,

супеси, редко суглинки.

Пластичномерзлые глины и суглинки, реже супеси

 

110-165

 

0,0-0,04

80-10

Те < tз

15-10

4. Охлажденные пески и

все глинистые породы

 

165-260

 

0,02-

0,03

15-1

Те >  tз

-

5. Талые породы

 

Ниже 260

 

-

5-1

Те >>  tз

-

Ямбургский разрез

1. Твердомерзлые пески и все глинистые породы

Ледяные вклю-чения отмечены до гл.150м

0-93,5

0-93,5

0,001-

0,01

 

Те « tз

20-10

2. Пластичномерзлые глины и суглинки, реже

супеси. Твердомерзлые

пески

 

93.5-150

93.5-150

0,01-0,015

 

Te < t

8-3


 

Водно-физические свойства грунтов

 

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

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

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

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

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

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

Таблица 6 Основные показатели воднофизических  свойств кайнозойских отложений

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

 

Грануломет-

рический состав по­род

Возраст

пород

Плотность ,г/см3

Пористость

и

коэф.

пористости

 

Влажность, %

Пластичность, %

 

 

мерзлых пород

 

скелета мерзлых пород

 

удель­ная

 

 

суммарная

 (сух. на-

веска)

 

гигро­скопи­ческая

 

макси­мальная молеку-

лярная

 

верх­ний предел

 

нижний предел

число пластич­ности

 

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Пески

пылеватые

QIII3-4

1.75

-

1.30

-

2.64

-

40

-

28

-

-

-

-

-

-

 

QIII1

-

1.85

-

1.50

-

2.64

-

0.8

-

23

-

0.17

-

2.6

-

-

-

 

QII2-4

-

1.9

-

1.60

-

2.64

-

0.66

-

18

-

0.14

-

4

-

-

-

Супеси

QIII3-4

1.88

-

1.49

-

2.63

-

40

-

40

-

-

-

14.2

-

25.2

-

21.2

-

4.0

-

 

QIII1

-

1.86

-

1.49

-

2.65

-

0.8

-

25

-

1.05

-

11.8

-

20.7

-

15.7

-

5.0

 

QII2-4

-

1.83

-

1.44

-

2.65

-

0.84

-

26

-

0.8

-

14.7

-

25.7

-

21.0

-

4.7

 

QI-II

1.85

-

1.55

-

2.73

-

31

-

20

-

-

-

16.3

-

25.6

-

19.1

-

6.5

-

 

Суглинки средние

QIII3-4

1.86

-

1.38

-

2.66

-

48

-

29

-

-

-

15.3

-

25.8

-

20.4

-

5.4

-

 

QIII1

1.88

-

1.55

-

2.67

-

42

-

25

-

-

-

14.7

-

25.4

-

18.7

-

6.7

-

 

QII2-4

-

1.61

-

1.14

-

2.63

-

1.3

-

40

-

2.06

-

13.5

-

35.0

-

22.8

-

12.2

 

QI-II

-

1.77

-

1.32

-

2.65

-

1.0

-

36

-

1.2

-

-

-

32.0

-

23.0

-

9.0

 

Р1

2.05

1.90

1.95

1.47

2.66

2.66

39

0.81

21

29

-

1.2

16.2

12.4

29.9

27.0

22.3

15.0

7.6

12.0

Суглинки тяжелые

QIII3-4

1.88

-

1.54

-

2.67

-

48

-

37

-

-

-

16.3

-

26.4

-

21.4

-

5.0

-

 

QIII1

1.89

-

1.51

-

2.67

-

42

-

22

-

-

-

16.9

-

31.0

-

22.4

-

8.6

-

 

Р1

1.94

-

1.84

-

2.67

-

34

-

23

-

-

-

17.2

-

32.7

-

23.9

-

8.8

-

Глины

QIII1

1.76

-

1.51

-

2.67

-

42

-

21

-

-

-

18.0

-

34.5

-

24.2

-

10.3

-

 

QII2-4

1.80

1.74

1.49

1.24

2.70

2.66

52

1.13

27

40

-

1.4

24.2

17.0

50.9

40.0

31.8

22.0

19.1

18.0

 

QI-II

2.03

-

1.70

-

2.69

-

28

-

20

-

-

-

14.6

-

33.8

-

19.9

-

13.9

-

 

Р1

2.00

1.69

1.67

1.15

2.66

2.62

33

1.29

23

47

-

1.9

19.3

18.9

39.8

42.0

26.8

23.0

13.0

19.0

 

 


 

| Home | News | Projects | Articles | Photo Gallery | Maps | Discussions | Membership | Info | Contact us |

© Copyright Permafrost International Inc. All rights reserved.