GeotectonicsGeotectonicsГеотектоника0016-853X3034-4972The Russian Academy of Sciences66040110.31857/S0016853X24020053EAFJVUArticlesСтатьиResearch ArticleGeological characteristics оf subpermafrost gas hydrate reservoir оn the Taimyr shelf of the Kara Sea (Eastern Arctic, Russia)Геологическая характеристика подмерзлотного газогидратного резервуара на Притаймырском шельфе Карского моря (Восточная Арктика, Россия)MatveevaT. V.МатвееваТ. В.
Russian Federation
tv_matveeva@mail.ruChazovA. O.ЧазовА. О.
Russian Federation

Saint-Petersburg State University

Институт наук о Земле

tv_matveeva@mail.ruSmirnovYu. Yu.СмирновЮ. Ю.
Russian Federation
tv_matveeva@mail.ruGramberg All-Russia Research Institute of Geology and Mineral Resources of the World Ocean (VNIIOkeangeologia)Всероссийский научно-исследовательский институт геологии и минеральных ресурсов Мирового Океана им. акад. И.С. Грамберга (ВНИИОкеангеология)Saint-Petersburg State UniversityСанкт-Петербургский государственный университетRussian State Hydrometeorological UniversityРоссийский государственный гидрометеорологический университет1504202428410822022025Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0016-853X/article/view/660401

The conditions for the formation of gas hydrates associated to subsea permafrost in the Kara Sea are predicted based on numerical modeling. The forecast of the distribution of the relic submarine permafrost and related methane hydrate stability zone is given on the basis of solving the equation of thermal conductivity. According to modeling data, an extensive thermobaric relict submarine permafrost zone is predicted within the Kara Sea shelf. The greatest thickness (up to 600 m) of the permafrost is confined to the Taimyr shelf. Based on the results of the analysis of our model, drilling seismic data, the southwestern shelf of the Kara Sea is characterized by insular or sporadic permafrost. In the northeastern part, the nature of permafrost is also discontinuous, despite the greater thickness of the frozen strata. For the first time, accumulations of cryogenic gas hydrates on the Taimyr shelf have been characterized. The new drilling data obtained, seismic data reinterpretaion and numerical modeling have shown that the gas hydrate reservoir is confined to unconformably occurring Silurian‒Devonian and underlying Triassic-Jurassic strata. The thickness of the gas hydrate reservoir varies from 800 to 1100 m. Based on the interpretation of CDP data and their comparison with model calculations, frozen deposits and sub-permafrost traps of stratigraphic, anticline and anticline-stratigraphic types were identified for the first time. These pioneering studies allowed to characterize the thickness and morphology of the gas hydrate reservoir, giving a preliminary seismostratigraphic reference, and to identify the potentially gas-hydrate bearing structures. Due to favorable thermobaric and permafrost-geothermal conditions, most of the identified traps may turn out to be sub-permafrost accumulations of gas hydrates. In total, at least five potential accumulations of gas hydrates were discovered, confined to structural depressions ‒ Uedineniya Trough and its side included Egiazarov Step and North Mikhailovskaya Depression.

В статье рассмотрены условия образования газовых гидратов, связанных с реликтами мерзлых пород в Карском море. Прогноз распространения реликтовой мерзлоты и обусловленной ей зоны стабильности метановых гидратов выполнен на основе численного моделирования путем решения уравнения теплопроводности. По данным моделирования для шельфа Карского моря прогнозируется обширная термобарическая зона реликтовой подводной мерзлоты, наибольшие мощности которой (до 600 м) приурочены к Притаймырскому шельфу. По результатам анализа модельных, буровых и сейсморазведочных данных, юго-западный шельф Карского моря характеризуется островной мерзлотой. На северо-восточном шельфе характер мерзлоты также прерывистый, несмотря на большие мощности мерзлых толщ. Впервые охарактеризован криогенный газогидратный резервуар на Притаймырском шельфе. Данные сейсморазведки и численного моделирования показали приуроченность газогидратного резервуара к несогласно залегающим силурийско‒девонским и подстилающим их триасово‒юрским толщам. Однако по новейшим данным бурения возрастная привязка, по всей вероятности, может быть скорректирована как ордовикско‒девонская, триасово‒юрская. Толщина газогидратного резервуара варьирует от 800 до 1100 м. На основе интерпретации данных МОВ ОГТ, данных бурения и сопоставления их с модельными расчетами зоны стабильности метановых гидратов впервые охарактеризован резервуар криогенных газовых гидратов, а также определены его мощности, морфология, дана предварительная сейсмостратиграфическая привязка, выявлены мерзлые отложения и подмерзлотные ловушки стратиграфического, сводового и сводово-стратиграфического типов. Из-за благоприятных термобарических и мерзлотно-геотермических условий большинство выявленных ловушек могут оказаться подмерзлотными скоплениями гидратов. Всего обнаружено пять потенциальных скоплений гидратов, приуроченных к структурным депрессиям ‒ прогибу Уединения и его борту, состоящему из ступени Егиазарова и Северо-Михайловской депрессии.

Kara SeaTaimyr shelfrelict subsea permafrostcryogenic gas-hydratesgas hydrate accumulationsgas hydrate reservoirgas hydrate stability zonenumerical modelingseismic explorationseismic attributesВосточная АрктикаКарское мореПритаймырский шельфреликтовая подводная мерзлотакриогенные газовые гидратыскопления газовых гидратовгазогидратный резервуарзона стабильности газовых гидратовчисленное моделированиесейсморазведкасейсмические атрибутыПравительство Российской ФедерацииGovernment of the Russian FederationАлексеева А.К., Руденко М.Н., Зуйкова О.Н. и др. “Обеспечение геологоразведочных работ на углеводородное сырье на континентальном шельфе РФ, в Арктике и Мировом океане в 2019‒2021 гг.” ‒ Отчет о проведении тематических и опытно-методических работ, связанных с геологическим изучением недр. ‒ Государственное задание Федерального агентства по недропользованию № 049-00018-19-00. – Отв. исп. А. К. Алексеева – СПб: ВНИИОкеангеология, 2019. 227 с.Алексеева А.К., Руденко М.Н., Зуйкова О.Н. “Обеспечение геологоразведочных работ на углеводородное сырье на континентальном шельфе РФ, в Арктике и Мировом океане в 2019‒2021 гг.” ‒ Отчет о проведении тематических и опытно-методических работ, связанных с геологическим изучением недр. ‒ Государственное задание Федерального агентства по недропользованию № 049-00018-20-03. ‒ Отв. исп. А.К. Алексеева. ‒ СПб.: ВНИИОкеангеология, 2020. 183 с.Васильева Е.А., Понина В.А., Петрушина Е.П. “Региональное изучение геологического строения и оценка перспектив нефтегазоносности южной периклинали Северо-Карского бассейна.” ‒ Отчет по ГК № 01/04/331-13. Мурманск, 2009.Верба М.Л., Дараган-Сущова Л.А., Павленкин А.Д. Рифтогенные структуры Западно-Арктического шельфа по данным КМПВ // Советская геология. 1990. № 12. C. 36–47.Вержбицкий В.Е., Мурзин Р.Р., Васильев В.Е., Малышева С.В., Ананьев В.В., Комиссаров Д.К., Рослов Ю.В. Новый взгляд на сейсмостратиграфию и углеводородные системы палеозойских отложений Северо-Карского шельфа // Нефтяное хозяйство. 2011. № 12. C. 18–21.Гинсбург Г.Д., Соловьев В.А. Геологические модели газогидратообразования // Литология и полезные ископаемые. 1990. №2. С. 76‒87.Грамберг И.С., Косько М.К., Погребицкий Ю.Е. Тектоническая эволюция арктических шельфов Сибири в рифее-мезозое // Советская геология. 1986. № 8. C. 60‒72.Григорьев Н.Ф., Карпов Е.Г. К происхождению пластовой залежи подземного льда на р. Енисее у широты Полярного круга. ‒ В кн.: Пластовые льды криолитозоны. ‒ Якутск: ИМ СО АН СССР, 1982. С. 62‒71.Гриценко И.И., Костюхин А.И., Паялов В.А. и др. “Подводный переход через Байдарацкую губу в составе магистрального газопровода Ямал‒Торжок‒Ужгород.” ‒ Отчет за 1988‒1990 гг.– Отв. исп. И. И. Гриценко – Мурманск: АМИГЭ‒Союзморинжгеология, 1990. Кн. 1. 196 с.Дараган-Сущова Л.А., Петров О.В., Дараган-Сущов Ю.И., Васильев М.А. Особенности геологического строения Северо-Карского шельфа по сейсмическим данным // Региональная геология и металлогения. 2013. № 54. С. 5‒16.Конторович В.А., Лунев Б.В., Лабковский В.В. Геолого-геофизическая характеристика Анабаро-Хатангской нефтегазоносной области; численное моделирование процессов формирования соляных куполов (Сибирский сектор Российской Арктики) // Геодинамика и тектонофизика. 2019. Т. 10. № 2. C. 459–470.Куликов С.Н., Скурихин В.А., Рудницкий О.А. и др. Донное опробование в составе инженерно-геологических изысканий на глубоководном участке по проекту “Система магистральных газопроводов Бованенково‒Ухта. ‒ Переход через Байдарацкую губу.” ‒ Технический отчет по объекту. – Мурманск: АМИГЭ, 2007. 64 с.Куликов С.Н., Рокос С.И. Выделение массивов многолетнемерзлых пород на временных сейсмоакустических разрезах мелководных районов Печорского и Карского морей // Геофизические изыскания. 2017. № 3. С. 34‒42.Малышев Н.А., Никишин В.А., Никишин А.М. и др. Новая модель формирования Северо-Карского осадочного бассейна // ДАН. 2012. Т. 445. № 1. С. 50‒54.Малышев Н.А., Вержбицкий В.Е., Скарятин М.В., Балагуров М. Д., Илюшин Д.В., Колюбакин А.А., Губарева О.А., Гатовский Ю.А., Лакеев В.Г., Лукашев Р.В., Ступакова А.В., Суслова А.А., Обметко В.В., Комиссаров Д.К. Стратиграфическое бурение на севере Карского моря: первый опыт реализации проекта и предварительные результаты // Геология и геофизика. 2023. Т. 4. № 3. С. 46‒65.Мельников В.П., Спесивцев В.И. Инженерно-геологические и геокриологические условия шельфа Баренцева и Карского морей. – Под ред. Н.М. Давиденко ‒ Новосибирск: Наука, 1995. 195 с.Неизвестнов Я.В. Мерзлотно-гидрогеологические условия зоны арктических шельфов СССР. ‒ В Сб.: Криолитозона Арктического шельфа. ‒ Под ред. В.И. Соломатина, Л.А. Жигарева ‒ Якутск: ИМЗ СО АН СССР, 1981. С. 18–28.Никишин В.А. Эвапоритовые отложения и соляные диапиры прогиба Урванцева на севере Карского моря // Вестн. МГУ. Сер. Геол. 2012. № 4. С. 54‒57.Никишин В.А. Внутриплитные и окраинноплитные деформации осадочных бассейнов Карского моря. ‒ Дис. … к. г.-м. н. М.: МГУ, 2013. 137 с.Потапкин Ю.В., Рокос С.И., Галка Ю.Г. и др. Отчет по объекту “Комплексные инженерно-геологические, инженерно-гидрометеорологические и инженерно-геодезические изыскания на морском продолжении площади Харасавэйской структуры для подготовки к поисково-разведочному бурению”. ‒ Отв. исп. Ю. В. Потапкин – Мурманск: АМИГЭ, 2002. 108 с.Рекант П.В., Васильев А.А. Распространение субаквальных многолетнемерзлых пород на шельфе Карского моря // Криосфера Земли. 2011. Т. 15. № 4. С. 69‒72.Рокос С.И., Тарасов Г.А. Газонасыщенные осадки губ и заливов южной части Карского моря // Бюлл. Комис. по изучению четвертичного периода. 2007. Вып. 67. С. 66‒75.Рокос С.И., Длугач А.Г., Локтев А.С., Костин Д.А., Куликов С.Н. Многолетнемерзлые породы шельфа Печорского и Карского морей: генезис, состав, условия распространения и залегания // Инженерные изыскания. 2009. № 10. C. 38–41.Рокос С.И., Куликов С.Н., Коротков С.В. “Инженерные изыскания (2 площадки) в пределах Крузенштернского участка.” ‒ Технический отчет по объекту. – Мурманск: АМИГЭ, 2011. 190 с.Рокос С.И., Куликов С.Н., Скурихин В.Н., Соколов В.П. Стратиграфия и литология верхней части разреза акватории Обской и Тазовской губ Карского моря // Рельеф и четвертичные образования Арктики, Субарктики и Северо-Запада России. 2020. № 7. С. 164‒167.Рокос С.И., Костин Д.А., Тулапин А.В., Куликов С.Н., Арушанян Л.А. Мерзлые и охлажденные грунты акватории Байдарацкой губы // Рельеф и четвертичные образования Арктики, Субарктики и Северо-Запада России. 2022. № 9. С. 222‒227.Романовский Н.Н., Гаврилов А.В., Тумской В.Е., Григорьев М.Н., Хуббертен Х.В., Зигерт К. Термокарст и его роль в формировании прибрежной зоны шельфа моря Лаптевых // Криосфера Земли. 1999. Т. 3. № 3. С. 79–91.Романовский Н.Н., Гаврилов А.В., Тумской В.Е., Холодов А.Л. Криолитозона Восточно-Сибирского Арктического шельфа // Вестн. МГУ. Сер. 4. Геология. 2003. №4. С. 51‒56.Романовский Н.Н., Хуббертен Х.В. Криолитозона и зона стабильности гидратов газов на шельфе моря Лаптевых (основные результаты десяти лет российско-германских исследований) // Криосфера Земли. 2006. Т. 10. № 3. С. 61‒68.Романовский Н.Н., Тумской В.Е. Ретроспективный подход к оценке современного распространения и строения шельфовой криолитозоны Восточной Арктики // Криосфера Земли. 2011. Т. 15. № 1. C. 3–14.Соловьев В.А., Гинсбург Г.Д., Телепнев Е.В., Михалюк Ю.Н. Криогеотермия и гидраты природного газа в недрах Северного Ледовитого океана – Л.: Севморгеология, 1987. 150 с.Супруненко О.И., Медведева Т.Ю., Каминский В.Д., Черных А.А., Суворова Е.Б. Карское море – перспективный полигон для изучения и освоения углеводородных ресурсов // Neftegaz.RU [Электронный ресурс]. URL: https://magazine.neftegaz.ru/articles/geologorazvedka/551685-karskoe-more-poligon-dlya-izucheniy-uv-resursov-shelfa/.Тектоническая карта Арктики. – Под ред. О.В. Петрова, М. Пубелье – СПб.: ВСЕГЕИ, 2019. 1 л.Хуторской М.Д., Ахмедзянов В.Р., Ермаков А.В., Леонов Ю.Г., Подгорных Л.В., Поляк Б.Г., Сухих Е.А., Цыбуля Л.А. Геотермия Арктических морей. ‒ Под ред. Ю.Г. Леонова ‒ М.: ГЕОС, 2013. 232 с. (Тр. ГИН РАН. Вып. 605).Шарабатян А.А. Экстремальные оценки в геотермии и геокриологии – М.: Наука, 1974. 124 с.Шипилов Э.В., Шкарубо С.И. Современные проблемы геологии и тектоники осадочных бассейнов Евразиатско-Арктической континентальной окраины. ‒ Т. 1. ‒ Литолого- и сейсмостратиграфические комплексы осадочных бассейнов Баренцево-Карского шельфа – Под ред. Г.Г. Матишова ‒ Апатиты: ММБИ КНЦ РАН, 2010. C. 266.Athy L.F. Density, porosity and compaction of sedimentary rocks // AAPG Bull. 1930. Vol. 14. P. 1–24.Brothers L., Hart P., Ruppel C. Minimum distribution of subsea ice-bearing permafrost on the U.S. Beaufort Sea continental shelf // Geophys. Res. Lett. 2012. Vol. 39. L15501. P. 1‒6.Bukhanov B., Chuvilin E., Zhmaev M., Shakhova N., Spivak E., Dudarev O., Osadchiev A., Spasennykh M., Semiletov I. In situ bottom sediment temperatures in the Siberian Arctic seas: Current state of subsea permafrost in the Kara sea vs Laptev and East Siberian seas // Marin. Petrol. Geol. 2023. Vol. 157. P. 1‒11. https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2023.106467Chuvilin E., Bukhanov B., Davletshina D., Grebenkin S., Istomin V. Dissociation and self-preservation of gas hydrates in permafrost // Geosciences. 2018. Vol. 8 (431). P. 1‒12. https://doi.org/10.3390/geosciences8120431Collett T. S., Lee M.W., Dallimore S.R., Agena W.F. Seismic- and well-log-accumulations on Richards Island. ‒ In: Scientific Results from JAPEX/JNOC/GSC Mallik 2L-38 Gas Hydrate Research Well, Mackenzie Delta, Northwest Territories, Canada. ‒ Ed. by S.R. Dallimore, T. Uchida, T.S. Collett ‒ Bull. Geol. Surv. Can. 1999. Vol. 544. 403 pp.Collett T.S., Lee M.W., Agena W.F., Miller J.J., Lewis K.A., Zyrianova M.V., Boswell R., Inks T.L. Permafrost-associated natural gas hydrate occurrences on the Alaska North Slope // Marin. Petrol. Geol. 2011. Vol. 28. P. 279–294.Crutchley G.J., Pecher I.A., Gorman A.R., Stuart A.H., Greinert J. Seismic imaging of gas conduits beneath seafloor seeps in a shallow marine gas hydrate province, Hikurangi Margin, New Zealand // Marin. Geol. 2010. Vol. 272. P. 114‒126.Dallimore S.R., Collett T.S. Scientific Results from the Mallik. ‒ In: Scientific Results from the Mallik 2002 Gas Hydrate Production Research Well Program, Mackenzie Delta, Northwest Territories, Canada. ‒ (Bull. Geol. Surv. Can. 2005. Vol. 585 (CDROM). No. 957), 140 pp.De Boer B., Lourens L., van de Wal R.S.W. Persistent 400,000-year variability of Antarctic ice volume and the carbon cycle is revealed throughout the Plio‒Pleistocene // Nature Communications. 2014. Vol. 5. No. 2999. P. 1‒8.Fuchs. S., Norden B. The Global heat flow database: Release 2021. ‒ GFZ Data Services, Int. Heat Flow Commis. 2021. https://doi.org/10.5880/fidgeo.2021.014Gavrilov A., Pavlov V., Fridenberg A., Boldyrev M., Khilimonyuk V., Pizhankova E., Buldovich S., Kosevich N., Alyautdinov A., Ogienko M., Roslyakov A., Cherbunina M., Ospennikov E. The current state and 125 kyr history of permafrost in the Kara Sea shelf: modeling constraints // Cryosphere. 2020. Vol. 14. No. 6. P. 1857‒1873.Grob H., Riedel M., Duchesne M.J., Krastel S., Bustamante J., Fabien-Ouellet G. et al. Revealing the extent of submarine permafrost and gas hydrates in the Canadian Arctic Beaufort Sea using seismic reflection indicators // Geochem. Geophys. Geosyst. 2023. Vol. 24. P. 1‒22.Hersbach H., Bell B., Berrisford P. et al. The ERA-5 global reanalysis // Quarterly J. Royal Meteorolog. Soc. 2020. Vol. 146. P. 1999–2049. https://doi.org/10.1002/qj.3803Hinz K., Delisle G., Block M. Seismic evidence for the depth extent of permafrost in shelf sediments of the Laptev Sea, Russian Arctic. ‒ In: Proc. 7th Int. conf. on permafrost. ‒ Ed. by A. G. Lewcowicz, M. Allard (Yellowknife, Canada, 1998). P. 453‒458.Hunt J.M. Petroleum geochemisty and geology. ‒ Ed. by J.H. Staples (Woods Hole Oceanograph. Inst., W.H. Freeman & Co, San Francisco, USA. 1979), 617 pp.Kholodov A., Romanovskii N., Gavrilov A. et al. Modeling of the Offshore Permafrost Thickness on the Laptev Sea Shelf // Polarforschung. 2001. Vol. 69. No. 6. P. 221‒227.Kvenvolden K.A. Methane hydrate in the global organic carbon cycle // Terra Nova. 2002. Vol. 14. P. 302‒306. https://doi.org/10.1046/j.1365-3121.2002.00414Lellouche J.M., Bourdalle-Badie R., Greiner E., Garric G., Melet A., Bricaud C. et al. The Copernicus global 1/12 degrees oceanic and sea ice GLORYS12 reanalysis // Frontier. Earth Sci. 2021. Vol. 9. P. 1‒27.Li J., Ye J., Qin X., Qiu H., Wu N., Lu Hai-Long, Xie W., Lu J., Peng F., Xu Z., Lu C., Kuang Z., Wei J., Liang Q., Lu Hong-Feng, Kou B. The first offshore natural gas hydrate production test in South China Sea // China Geol. 2018. Vol. 1. P. 5‒16.Liu X., Flemings P.B. Passing gas through the hydrate stability zone at southern Hydrate Ridge, offshore Oregon // Earth Planet. Sci. Lett. 2006. Vol. 24. P. 211‒226.Malakhova V.V. The response of the Arctic Ocean gas hydrate associated with subsea permafrost to natural and anthropogenic climate changes // IOP Conf. Ser.: Earth and Environ. Sci. 2020. Vol. 606. P. 1‒8.Malakhova V.V., Eliseev A.V. Uncertainty in temperature and sea level datasets for the Pleistocene glacial cycles: Implications for thermal state of the subsea sediments // Global and Planetary Change. 2020. Vol. 192. P. 1‒13. https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2020.103249Matveeva T.V., Kaminsky V.D., Semenova A.A., Shchur N.A. Factors Affecting the Formation and Evolution of Permafrost and Stability Zone of Gas Hydrates: Case Study of the Laptev Sea // Geosciences. 2020. Vol. 10. Is.12. P 1‒21.Overduin P. P., Schneider von Deimling T., Miesner F., Grigoriev M., Ruppel C., Vasiliev A., Lantuit H., Juhls B., Westermann S. Submarine permafrost map in the Arctic modeled using 1-D еransient heat flux (SuPerMAP) // J. Geophys. Res.: Oceans. 2019. Vol. 124. No. 6. P. 3490–3507. http://dx.doi.org/10.1029/2018JC014675Portnov A., Smith A.J., Mienert J., Cherkashov G., Rekant P., Semenov P., Serov P., Vanshtein B. Offshore permafrost decay and massive seabed methane escape in water depths >20 m at the South Kara Sea shelf // Geophys. Res. Lett. 2013. Vol. 40. P. 1–6.Portnov A., Mienert J., Serov P. Modeling the evolution of climate sensitive Arctic subsea permafrost in regions of extensive gas expulsion at the West Yamal shelf // Biogeosciences. 2014. Vol. 119. P. 2082–2094.Ruppel C. Methane Hydrates and Contemporary Climate Change // Nature Education Knowledge. 2011. Vol. 2. No. 12. P. 1‒10.Ruppel C. Permafrost-associated gas hydrate: Is it really approximately 1% of the global system? // J. Chem. Engineer. Data. 2015. Vol. 60. No. 2. P. 429–436.Tinivella U., Giustiniani M., Marín-Moren H. A Quick-Look Method for Initial Evaluation of Gas Hydrate Stability below Subaqueous Permafrost // Geosciences. 2019. Vol. 9. No. 329. P. 1‒13.Kingdom Software, https://www.spglobal.com/commodityinsights/en/ci/products/kingdom-seismic-geological-interpretation, (Accessed July, 2023).ArcGIS, https://www.esri.com/en-us/home (Accessed May, 2023).Julia Programming Language (v.1.6.17), https://julialang.org/, (Accessed July 19, 2022).