Engineering geology of the world ocean seabed (to the 50th anniversary of the laboratory of engineering geology of the world ocean seabed FSBI “VNIIOkeangeologiya”)

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Инженерно-геологические исследования на континентальном шельфе и глубоководных районах Мирового океана − перспективное направление развития инженерной геологии, востребованное наукой и практикой в современную эпоху. В нашей стране это направление инженерно-геологической деятельности неразрывно связано с лабораторией инженерной геологии дна Мирового океана ФГБУ “ВНИИОкеангеология”. В историческом разрезе процесс становления и развития инженерно-геологических исследований в институте прошел путь от объектов прибрежной и островной арктической суши к шельфам арктических морей и далее к глубоководным районам Мирового океана.

В 1960-е гг. в Советской Арктике проводились проектные и строительные работы для обеспечения противовоздушной обороны на северных рубежах СССР. В связи с этим возникла необходимость постановки инженерных изысканий на арктических островах и в прибрежной островной части шельфа. Для решения этой задачи в 1967 г. была создана высокоширотная комплексная проектно-изыскательская экспедиция под кодовым названием “Бурый уголь”, участие в которой, наряду с целым рядом производственных, проектных и научных организаций, принял и Научно-исследовательский институт геологии Арктики (НИИГА, создан в 1948 г.). В этой экспедиции сотрудники института обеспечивали выполнение инженерно-геологических исследований в основном геофизическими методами.

В 1969 г. в составе НИИГА было создано новое научное подразделение – лаборатория инженерной геологии и геофизики (заведующий Я.В. Неизвестнов), основное внимание которой было направлено на региональное инженерно-геологическое изучение арктической шельфовой зоны и разработку научно-методического обеспечения инженерно-геологических исследований на базе широкого применения геофизических методов.

В 1976 г. лаборатория инженерной геологии и геофизики была преобразована в лабораторию гидрогеологии и инженерной геологии при отделе геологии нефти и газа, после чего ее задачи пополнились региональными гидрогеологическими исследованиями субмаринных артезианских бассейнов Арктики с позиций оценки перспектив их нефтегазоносности.

В 1981 г. лаборатория гидрогеологии и инженерной геологии в связи с рядом административных преобразований (НИИГА был преобразован в ВНИИОкеангеология) и частичной переориентацией института на глубоководные объекты в Мировом океане была выделена в самостоятельное научное подразделение – лабораторию инженерной геологии дна Мирового океана. Этот переход был обусловлен началом широкомасштабного изучения твердых полезных ископаемых в глубоководных районах Мирового океана.

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ, ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ, МЕРЗЛОТНЫЕ И ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В АРКТИКЕ

В 1970-е и в начале 1980-х годов основные исследования лаборатории были посвящены изучению региональных инженерно-геологических условий Арктической шельфовой зоны, островов Северного Ледовитого океана и некоторых районов окружающей суши. Полевыми и морскими исследованиями сотрудников лаборатории были охвачены шельфы и континентальный склон окраинных арктических морей, включая островные архипелаги (Земля Франца-Иосифа, Новая Земля, Северная Земля и Новосибирские острова) и районы прилегающей суши (Кольско-Канинское побережье, Пай-Хой, Ямал, Предтаймырский прогиб).

В этот период сотрудниками лаборатории во главе с Я.В. Неизвестновым создаются обобщающие региональные очерки по инженерной геологии, гидрогеологии и геокриологии Арктического шельфа и крупных островов Северного Ледовитого океана, включенные в такие фундаментальные издания, как 8-томная монография “Инженерная геология СССР” [10], сводный том “Гидрогеология СССР” [8] и в более поздние издания “Геокриология СССР” [3-6], “Гидрогеология Европы” [7], “Engineering Geology of the Earth” [43], “Инженерная геология СССР” [11, 12], Геокриологическая карта СССР масштаба 1:2 500 000 [2].

Составление региональных инженерно-геологических, гидрогеологических и геокриологических описаний и карт Советской Арктики к данному моменту опиралось на труды по геологии Арктики, включающие ряд монографий и обзорных мелкомасштабных карт, выполненных учеными и геологами-полярниками НИИГА [39].

Закономерным итогом этого периода стало оформление нового направления региональной инженерной геологии континентов – инженерной геологии шельфа как субмаринной части континентов с установлением закономерностей формирования региональных инженерно-геологических условий строительства на арктических шельфах и разработкой методологических основ их прогнозной оценки [29]. Указанное направление научных исследований было закреплено в докторской диссертации Я.В. Неизвестнова “Инженерная геология зоны Арктических шельфов СССР” (1979 г.).

В этот период результаты исследований сотрудников лаборатории были отмечены специальной премией за изучение отрицательно-температурных подземных вод (криопэгов) Арктической суши и шельфа [36]. Премия Госстроя СССР в 1977 г. присуждена М.А. Холмянскому и Я.В. Неизвестнову за результаты картирования кровли поддонных многолетнемерзлых пород северных морей с помощью электроразведки, осуществленного при изысканиях по трассе газопровода [38].

В результате исследований С.А. Козлова [13, 16], направленных на изучение инженерно-геологических условий арктического шельфа, была предложена модель формирования состава и свойств песчано-глинистых грунтов Западно-Арктического шельфа России; выявлены основные закономерности распространения и пространственной изменчивости инженерно-геологических свойств компонентов геологической среды в условиях полярного литогенеза; обоснованы практические рекомендации, вносящие большой вклад в решение важной народно-хозяйственной проблемы – планируемую в ближайшем будущем добычу углеводородов на шельфе. Им же была составлена инженерно-геологическая карта Западно-Арктического шельфа России, инженерно-экогеологическая схема Печорского моря, предложена система геоэкологической паспортизации морских нефтегазовых месторождений, подготовлена инженерно-геологическая карта Штокмановского газоконденсатного месторождения [15].

В 2009 г. было завершено обобщение материалов мерзлотных исследований Российской Арктики и Субарктики, начатых еще в 1970-е гг. Краткие результаты этого обобщения изложены в работе [35]. Наиболее интересный вывод по выполненному обобщению заключается в том, что практически повсеместно в пределах нефтегазоносных бассейнов шельфа и суши северной Евразии наблюдается развитие криолитозоны (палеокриолитозоны). На глубинах свыше 100-200 м распространены гидратоносные “квазимерзлые” породы с положительной температурой, мощностью до нескольких сотен метров, образующие “горячую мерзлоту” (по терминологии американских коллег), приуроченную к зоне стабильности газовых гидратов.

ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В СОСТАВЕ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ РАБОТ НА ТВЕРДЫЕ ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ МИРОВОГО ОКЕАНА

В 1982 г. Советский Союз совместно со 166 государствами подписал Конвенцию ООН по морскому праву, определяющую деятельность государств в границах Международного района морского дна за пределами действия национальной юрисдикции. Для правового регулирования деятельности государств в пределах Международного района морского дна в 1994 г. был создан Международный орган по морскому дну (МОМД, англ. International Seabed Authority – ISA). МОМД контролирует соблюдение предусмотренного в Конвенции режима для поощрения и регулирования разведки и разработки глубоководных полезных ископаемых государствами, юридическими лицами и другими субъектами. По этой системе любая подобная деятельность может осуществляться на законном основании только тогда, когда между заинтересованным субъектом и МОМД подписан соответствующий контракт. В соответствии с положениями Конвенции ООН юридические лица и поручившиеся за них государства, прошедшие по линии МОМД процедуру утверждения планов работ на разведку определенных видов минеральных ресурсов и заключившие с МОМД соответствующие контракты, сохраняют права на доступ к этим ресурсам только при безусловном выполнении контрактных обязательств.

Основные виды твердых полезных ископаемых на океаническом дне, представляющие коммерческий интерес, – железомарганцевые конкреции, глубоководные полиметаллические сульфиды и кобальтоносные железомарганцевые корки. По состоянию на 2019 г. МОМД подписаны типовые 15-летние контракты c 29 подрядчиками: 17 контрактов на разведку ЖМК, из них 16 в зоне Кларион-Клиппертон в Тихом океане и 1 в Индийском океане; 7 контрактов на разведку ГПС в Индийском океане и в Срединно-Атлантическом хребте; 5 контрактов на разведку КМК в западной части Тихого океана и южной части Атлантического океана. Согласно подписанным контрактам, каждый из контракторов имеет эксклюзивное право на разведку участка начальной площадью не более 75 000 км² по ЖМК, не более 100 000 км² по ГПС и не более 3000 км² по КМК. В соответствии с принятыми стандартными условиями каждый контрактор наряду с изучением полезных ископаемых на предоставленном участке обязан выполнять экологические исследования; заниматься созданием аппаратурно-технических средств для обеспечения разведочных работ; разрабатывать технологии и оборудования для подводной добычи; ежегодно предоставлять в МОМД отчеты о своей деятельности [28].

Изучение и освоение минеральных ресурсов Международного района морского дна – одно из приоритетных направлений национальной морской политики, предусмотренное Морской доктриной Российской Федерации. В настоящее время Федеральное агентство по недропользованию (“Роснедра”) финансирует геологоразведочные работы на твердые полезные ископаемые в Мировом океане по трем направлениям, названным выше – ЖМК, КМК и ГПС. Работы ведутся специализированными организациями “Полярная морская геологоразведочная экспедиция” (АО “ПМГРЭ”) и АО “Южморгеология”, подведомственными холдингу “Росгеология”. Научно-методическое и информационно-аналитическое сопровождение геологоразведочных работ осуществляет “ВНИИОкеангеология”.

Инженерно-геологические исследования, выполняемые в рамках контрактных обязательств перед МОМД, являются составной частью геологоразведочного процесса и направлены на комплексную оценку инженерно-геологических условий разведки рудных объектов и разработки потенциальных месторождений. Без инженерно-геологических исследований рудных залежей невозможны обоснование запасов по промышленным категориям, разработка, планирование натурных испытаний добычных систем и разработка проектов промышленной добычи. При этом инженерно-геологическая оценка включает в себя системное многоуровневое рассмотрение геологического строения, рельефа морского дна, физико-механических свойств полезных ископаемых, вмещающих горных пород и донных осадков, опасных геологических процессов.

Железомарганцевые конкреции

Железомарганцевые конкреции представляют собой комплексную руду, основные компоненты которой Ni, Cu, Co и Mn. Конкреции в виде своеобразных россыпей залегают на поверхности абиссальных котловин океанского дна, образуя гигантские по площади (сотни тысяч — первые миллионы квадратных километров) скопления (рудные поля ЖМК) (рис. 1).

 

Рис. 1. Железомарганцевые конкреции на дне океана. Глубоководная фотография (площадь дна 1.2-1.4 м2, груз-разведчик диаметром 100 мм, плотность залегания ЖМК – 18.6 кг/м2) [20].

 

Всего в Мировом океане насчитывается порядка 15 таких полей с общими ресурсами руды более 500 млрд т [28].

К планомерному изучению залежей ЖМК в Мировом океане научные и производственные организации Мингео СССР приступили в 1974 г., когда объединением “Севморгеология” была организована первая морская экспедиция. Большое значение для развития глубоководных инженерно-геологических работ имело указание Управления минеральных ресурсов Мирового океана Мингео СССР от 19.12.1980 г., в котором перед подведомственными организациями была поставлена задача в короткие сроки создать базу исходных данных по составу, структуре и физико-механическим свойствам донных океанских осадков, необходимых для разработки технологий глубоководной разведки и добычи железомарганцевых конкреций.

Первые инженерно-геологические материалы для этой базы на единой методической основе были получены во время морских попутных инженерно-геологических работ на гидрографических судах в Тихом океане (1982-1984 гг.).

Таким образом, деятельность лаборатории в содержательном и организационном отношениях с 1982 г. вышла на новый уровень, требующий максимальной концентрации сил и средств для достижения значимых научных и практических результатов в Мировом океане. В это время основные геологоразведочные и опытно-методические работы на ЖМК были связаны с рудной провинцией Кларион-Клиппертон (Северо-Восточная котловина Тихого океана), где в дальнейшем Советскому Союзу в лице объединения “Южморгеология” (1987 г.) и совместной организации “Интерокеанметалл»¹ (1992 г.) были выделены участки морского дна площадью по 75 000 км² для разведки и промышленной эксплуатации ЖМК.

В период 1983-1989 гг. в рудной провинции Кларион-Клиппертон объединением “Севморгеология” на г/с “Федор Матиссен” и НИС “Академик Александр Карпинский” под научно-методическим руководством и с участием сотрудников лаборатории (А.В. Кондратенко, Н.А. Куринный, С.А. Козлов, С.А. Жамойда, В.С. Гарсков) были выполнены специализированные инженерно-геологические работы.

Выход инженерно-геологических работ в глубоководные районы Мирового океана потребовал решения сложных научно-технических, технологических и методических задач. В этот период лаборатория стала инициатором и куратором разработки набортной инженерно-геологической аппаратуры, новых средств грунтового пробоотбора (коробчатый пробоотборник КП-1.5, дночерпатель ДГ-1.5), а также глубоководной исследовательской установки УГИ-М, позволяющей выполнять измерения показателей механических свойств донных грунтов в естественном залегании и моделировать работу различных устройств сбора ЖМК. Новые аппаратурно-технические разработки позволили отработать методику глубоководной инженерно-геологической съемки масштаба 1:200 000 и провести на должном уровне инженерно-геологические исследования восьми полигонов в заявочных районах СССР и СО “Интерокеанметалл”. В рамках решения этой проблемы в 1985 г. сотрудники лаборатории (С.А. Козлов, Н.А. Куринный) успешно выполнили поиск грунтов-имитаторов тихоокеанских илов в искусственных водоемах суши.

На основе накопленного опыта получил дальнейшее развитие пакет методических разработок, позволивших утвердить инженерно-геологические исследования как необходимую составляющую геологоразведочных работ на ЖМК в глубоководных районах Мирового океана [25, 26].

Следует отметить значительный вклад в создание аппаратурно-методической базы для инженерно-геологических работ в Мировом океане профессорско-преподавательского состава Ленинградского инженерно-строительного института (В.Н. Бронин, Х.З. Бакенов, А.А. Ананьев) и Ленинградского института инженеров железнодорожного транспорта (В.М. Бевзюк, В. А. Алпысова).

Несмотря на то, что в постсоветский период финансовые средства на НИОКР по разработке разведочной и добычной техники практически не выделялись, благодаря поддержке руководства “ВНИИОкеангеология”, сотрудникам лаборатории, и прежде всего ее руководителю Я.В. Неизвестнову удалось не только сохранить приборно-аппаратурную базу для дальнейших инженерно-геологических исследований, но в значительной степени расширить ее возможности за счет подключения к инженерно-геологической интерпретации материалов многолучевого эхолотирования, придонного геоакустического и телевизионного профилирования [31].

В период 1995-2001 гг. в лаборатории были выполнены научно-исследовательские работы по обобщению инженерно-геологических материалов, полученных в процессе геологоразведочных работ на ЖМК российскими экспедициями в рудной провинции Кларион-Клиппертон, включая разведочные районы Российской Федерации и СО “Интерокеанметалл” (отв. исполнитель А.В. Кондратенко, научный руководитель Я.В. Неизвестнов).

В результате этих исследований:

• разработаны теоретические, методологические и аппаратурно-методические основы инженерно-геологических исследований в глубоководных районах дна Мирового океана;
• дана характеристика основных компонентов инженерно-геологических условий региона и разведочных районов, включая их инженерно-геологическое районирование;
• выявлены особенности формирования и закономерности пространственной изменчивости физико-механических свойств донных отложений.

В этот же период Я.В. Неизвестновым, Е.В. Поляковым и О.В. Решетовой с использованием результатов структурных и седиментационных исследований С.А. Козлова была построена модель распространения загрязнений при разработке месторождения ЖМК в регионе Кларион-Клиппертон, создан компьютерный фильм, наглядно демонстрирующий экологические последствия подводной добычи ЖМК [34].

Крупнейшим достижением этого периода стал выход в свет монографии “Инженерная геология рудной провинции Кларион-Клиппертон в Тихом океане”, обобщившей результаты морских, лабораторных и экспериментальных работ, выполненных в период с 1976 по 2001 год [9]. Монография была написана большим коллективом авторов, но основными ее составителями выступили сотрудники “ВНИИОкеангеология” во главе с Я.В. Неизвестновым. В этой монографии впервые были сформулированы и обоснованы принципиально новые положения о составе, состоянии и свойствах донных осадков, сформировавшихся в условиях пелагического литогенеза, о закономерностях пространственной изменчивости их состава и свойств, о моделях механического поведения донных осадков, также были приведены обширные данные по физико-механическим свойствам ЖМК. В широком аспекте были рассмотрены закономерности формирования инженерно-геологических условий разработки залежей конкреций и сформулированы задачи дальнейших исследований:

• уточнение поведения донных грунтов под воздействием динамических и длительных статических нагрузок от подводных сооружений и движущихся механизмов;
• совершенствование моделирования геологических процессов, вызванных, в первую очередь, техногенными факторами при разработке и обогащении ЖМК;
• определение износостойкости материалов для подводных механизмов и сооружений в термодинамических условиях океанического дна.

В 2001 г. были подписаны 15-летние контракты на разведку ЖМК в зоне Кларион-Клиппертон между Российской Федерацией (в лице объединения “Южморгеология”), СО “Интерокеанметалл” и МОМД. В 2016 г., после истечения срока действия контрактов, они были пролонгированы МОМД на последующие 5 лет со сроком завершения работ в 2021 г. В настоящее время АО “Южморгеология” реализует последний этап разведочных работ с целью отбора эксплуатабельных участков (блоков) на оконтуренных ранее залежах конкреций для разработки проекта опытной добычи ЖМК. Детальность исследований должна быть достаточной для проектирования добычного комплекса, планирования и ведения добычных работ. Кроме того, разведочные работы должны позволить выработать рекомендации по выбору участка опытной добычи ЖМК.

В период с 2001 по 2014 г. лабораторией были организованы и проведены попутные инженерно-геологические исследования в разведочном районе СО “Интерокеанметалл” (рейсы НИС “Южморгеология”, 2001, 2004, 2009, 2014 гг.). В инженерно-геологических работах на НИС “Южморгеология” в разные годы принимали участие сотрудники лаборатории А.В. Кондратенко (руководитель работ), Т.Н. Францева, Д.Л. Келль, сотрудники АО “Южморгеология” В.В. Артеменко, И.В. Пономарев, А.Т. Ермакова и сотрудник СО “Интерокеанметалл” И. Дрейсейтл. Выполненные исследования позволили сформировать представительную информационную базу по физико-механическим свойствам донных осадков и ЖМК разведочного района СО “Интерокеанметалл”, необходимую для его комплексной инженерно-геологической характеристики и оценки. Долгосрочное научно-техническое сотрудничество СО “Интерокеанметалл” с “ВНИИОкеангеология” позволяет решать оперативные и среднесрочные инженерно-геологические задачи в разведочном районе организации, в полной мере используя компетенции сотрудников и аппаратурно-методические разработки лаборатории.

Для Российского разведочного района ЖМК по заказу АО “Южморгеология” в лаборатории были подготовлены методические рекомендации по инженерно-геологическим исследованиям месторождения ЖМК на разведочной стадии работ. Для выполнения этой задачи есть все необходимые предпосылки, включая нормативно-методическую базу, технические средства, накопленный опыт проведения инженерно-геологических и разведочных работ, включая отработанные технологии детальных исследований.

Основные научные результаты инженерно-геологических исследований сотрудников лаборатории по проблеме ЖМК отражены в различных публикациях, охватывающих такие актуальные направления исследований, как разработку теоретических основ инженерной геологии глубоководных областей океана, создание инженерно-геологической классификации донных грунтов океана, формирование инженерно-геологических условий глубоководных конкрециеносных площадей и формирование физико-механических свойств глубоководных донных отложений [9, 17, 20, 22, 23, 30, 32, 40].

Глубоководные полиметаллические сульфиды

Глубоководные полиметаллические сульфиды представляют собой Cu, Zn, Pb, Ag, Au руды массивного типа, слагающие холмообразные постройки высотой до первых десятков метров на участках гидротермальной деятельности в пределах рифтовых зон срединно-океанических хребтов и задуговых бассейнов на глубинах 1000-5000 м (рис. 2). Рудные тела мощностью до 100 м имеют грибовидную форму с подводящим штокверком. Предварительно оцененные ресурсы ГПС Мирового океана составляют сотни миллионов тонн рудной массы [28].

 

Рис. 2. Рудоносные столбы ГПС на океаническом дне (сайт Nautilus Minerals Inc. Instagram.com)

 

Российские исследования ГПС осевой зоны Срединно-Атлантического хребта (САХ) проводятся AO “ПМГРЭ” и “ВНИИОкеангеология” с 1986 г. В ходе этих работ в пределах САХ были открыты перспективные объекты ГПС, содержащие руды богатые медью, цинком, золотом, серебром и другими полезными элементами. В октябре 2012 г. был заключен контракт на разведку полиметаллических сульфидов между Минприроды России и МОМД. Российский разведочный район ГПС в осевой зоне САХ общей площадью 10 000 км² (100 блоков размером 10×10 км сгруппированы в 7 кластеров от «А» до «G») расположен в северной приэкваториальной части хребта в интервале от 12°48' до 20°54' с.ш.

Геологоразведочные работы первого 6-летнего этапа исследований (2012-2018 гг.) были ориентированы на выполнение задач, сформулированных в контракте: площадная батиметрическая съемка, профильная сонарная съемка в комбинации с измерением естественного электрического поля, телепрофилирование, гидрофизическое зондирование, донный пробоотбор, инженерно-геологические и экологические исследования. В результате работ первого этапа должны быть выявлены первоочередные перспективные районы для проведения более детальных разведочных работ, для чего требуется комплексное геолого-геофизическое, экологическое и инженерно-геологическое изучение всех блоков разведочного района с использованием указанных в контракте методов. По состоянию на 2019 г. поисковые работы завершены в 82 блоках.

Второй этап геологоразведочных работ, связанный с более детальными исследованиями, начинается с 2019 г. Не позднее середины 2020 г. предстоит подготовить обоснованный отказ от 50 (менее перспективных) блоков из 100, входящих в разведочный район. Не позднее середины 2022 г. предстоит отказ еще от 25 блоков из отобранных 50. Окончательное заключение о перспективности оставшихся 25 блоков следует подготовить не позднее середины 2027 г.

По состоянию на 2016 г. в пределах Российского разведочного района ГПС открыто 12 гидротермальных рудных объектов с прогнозными ресурсами рудной массы категорий Р₂ + Р₃ 101.7 млн т [18]. Более точный прогноз возможен на более поздних стадиях исследований при использовании инновационных геофизических методов и контрольного бурения перспективных рудных залежей на глубину 15-50 м от поверхности дна.

Для успешного осуществления второго и третьего этапов геологоразведочных работ на ГПС необходимы модернизация существующего технико-технологического обеспечения этих работ и расширение его состава за счет новых подводно-технических средств разведки, таких как многофункциональные роботизированные телеуправляемые подводные аппараты (ТПА) и погружные буровые установки. Определенный задел в области создания таких средств в нашей стране имеется. Речь идет, прежде всего, о ТПА РТ-6000, разработанном АО “Южморгеология”, и донной буровой установке ТК-15. Отдельно следует упомянуть подводный гидроакустический комплекс МАК-1М с электроразведочной косой для измерения потенциала естественного поля, позволяющий выявлять перспективные рудные зоны. Данный комплекс является инновационной российской разработкой (совместная разработка АО “Южморгеология” и АО “ПМГРЭ”). Указанные направления технического обеспечения разведочных работ, несомненно, открывают новые возможности для инженерно-геологических исследований с целью детализации строения рельефа дна и изучения свойств руд, вмещающих пород и донных осадков.

Инженерно-геологическое изучение ГПС в лаборатории началось в 1990-х годах по отдельным образцам, отобранным специалистами АО “ПМГРЭ” из рудопроявлений Срединно-Атлантического хребта и Восточно-Тихоокеанского поднятия. По результатам этих исследований Я.В. Неизвестновым и С.А. Козловым составлены “Методические рекомендации по определению физико-механических свойств глубоководных полиметаллических сульфидов (ГПС) Мирового океана” [27].

С 2005 г. в осевой зоне САX в составе поисковых геологоразведочных работ на ГПС ведутся попутные инженерно-геологические исследования. На борту НИС “Профессор Логачев” (2005, 2007 г.) А.В. Кондратенко в экспедиционных условиях и сотрудниками лаборатории в стационарных условиях выполнен большой комплекс исследований физико-механических свойств гидротермальных образований (сульфидные руды, корки), вмещающих магматических пород (перидотиты, габбро, базальты) и донных осадков.

В рамках 15-летнего контракта Минприроды России с МОМД (2012-2027 гг.), “ВНИИОкеангеология” совместно с АО “ПМГРЭ” в 2012 г. приступили к выполнению систематических инженерно-геологических исследований на площади Российского разведочного района ГПС.

В соответствии с планом работ по разведке сульфидных руд на первом этапе разведочной деятельности инженерно-геологическая оценка выявленных рудопроявлений и рудных полей базировалась на комплексном подходе, который включает инженерно-геологическое районирование рудных объектов с прогнозом развития опасных геологических (гравитационных) процессов, оценку сейсмической (в пределах разведочного района) и микросейсмической (в пределах разведочных кластеров) активности, изучение физико-механических свойств сульфидных руд, вмещающих пород и донных осадков. К настоящему моменту эти работы позволили дать комплексную оценку инженерно-геологических условий разведки и разработки рудных объектов, выявленных в процессе геологоразведочных работ в северной части разведочного района (рудные поля “Пюи де Фолль”, “Зенит-Виктория”, “Юбилейное”, “Петербургское”, “Холмистое”, “Победа-1”, “Победа-2”, “Краснов” и рудопроявление “Сюрприз”).

Результаты изучения физико-механических свойств донных образований, оценки сейсмической и микросейсмической активности разведочного района, инженерно-геологического районирования рудных объектов свидетельствуют о высокой степени неоднородности инженерно-геологических условий как в пределах изученных рудных полей, так и относительно их друг друга [41, 42]. В северной части Российского разведочного района инженерно-геологические условия разведки (разработки) на 50% рудных объектов характеризуются как сложные (рудные поля “Победа-1”, “Победа-2”, “Зенит-Виктория” и “Петербургское”). В инженерно-геологических условиях средней сложности локализованы рудные поля “Юбилейное”, “Холмистое” и “Краснов”. В простых инженерно-геологических условиях залегает только рудное поле “Пюи де Фолль”.

На втором этапе разведочной деятельности характер инженерно-геологических исследований будет определяться планом дальнейших разведочных работ, связанных с разбраковкой разведочных блоков и выделением наиболее перспективных разведочных площадей, на которых будут выполняться детальные геологоразведочные и инженерно-геологические работы. Актуальность инженерно-геологических исследований на данном этапе определяется задачами создания добычной техники. Разработка ходовой части таких машин и разрушающего инструмента невозможна без оценки инженерно-геологических условий рудных объектов, включая такие моменты, как строение морского дна и физико-механические свойства руд, вмещающих пород и донных осадков (рис. 3).

 

Рис. 3. Основные машины добычного комплекса, судовое обеспечение и технологическая схема освоения подводного месторождения ГПС, разработанные для компании Nautilus Minerals (сайт Nautilus Minerals Inc. Instagram.com).

 

Кобальтоносные железомарганцевые корки

Еще одним объектом работ лаборатории являются кобальтоносные железомарганцевые корки, разведка которых в Мировом океане регулируется для российской стороны контрактом Минприроды России с МОМД от 10.03.2015 г.

Кобальтоносные железомарганцевые корки представляют собой комплексную руду, содержащую Co, Ni, Cu, Mn и редкоземельные элементы. Корки в виде сплошных покровов мощностью до 24 см покрывают склоны подводных гор и поднятий (рис. 4). Рудные поля КМК распространены во всех океанах, но наиболее значительные из них сосредоточены в западном секторе Тихого океана. Общие ресурсы КМК в Мировом океане составляют около 10 млрд т [28].

 

Рис. 4. Образец слоистой гидрогенной корки (гайот Бутакова, Тихий океан) [1].

 

Российский разведочный район КМК расположен в пределах Магеллановых гор (северо-западная часть Тихого океана) на четырех гайотах (Альба, Вулканолог, Говорова, Коцебу) и включает 150 блоков площадью 20 км² каждый. Прогнозные ресурсы КМК в разведочном районе составляют порядка 280 млн т. Ожидается, что к концу контрактного срока в контурах 50 блоков, которые составят разведочный район, будут разведаны запасы КМК категорий С1 и С2 общим объемом не менее 45 млн т [28].

Первые инженерно-геологические исследования КМК в лаборатории были выполнены в течение 1992-1994 гг. на гайотах Магеллановых гор Тихого океана. Изучались физико-механические свойства КМК и пород субстратов, отобранных в рейсах НИС “Геолог Петр Антропов” и НИС “Морской геолог” [19]. Была подготовлена горно-геологическая модель одной из рудных залежей КМК [14] и выпущены соответствующие методические рекомендации [24]. Был выявлен очень важный фактор, связанный с добычей КМК: оказалось, что второй (средний) слой КМК, как правило, имеет прочность в 2-7 раз меньшую относительно двух других. Это может спровоцировать отрыв корок во время добычи не по контакту с субстратом, а гораздо выше – на глубине 2-4 см, вызывая значительные (до 50%) потери полезного ископаемого [19].

Начиная с 2002 г. и по настоящее время, сотрудники лаборатории совместно с АО “Южморгеология” принимают активное участие в лабораторном изучении физико-механических свойств КМК и пород субстрата (А.В. Кондратенко – ответственный исполнитель, С.А. Козлов, О.В. Боровик, Т.Н. Францева, Д.Л. Келль, М.С. Степанова, Е.М. Кондратюк). За прошедшие годы исследовались образцы, отобранные на 18 гайотах в северо-западной части Тихого океана (рудный район Магеллановых гор). С 2015 г. геологоразведочные работы на КМК сосредоточены в пределах Российского разведочного района КМК.

В процессе лабораторных исследований выполняются стандартизированные определения основных показателей физико-механических свойств КМК и пород субстрата (влажность, плотность пород, плотность минеральной части КМК, предел прочности на одноосное сжатие, модули упругости и остаточной деформации), необходимые для инженерно-геологической характеристики изученных рудных залежей. В результате изучения физико-механических свойств выявлена высокая степень неоднородности разреза КМК и пород субстрата, что определяется слоистостью корок и многообразием пород субстрата. Кроме того, по отношению прочности пород субстрата к прочности различных слоев КМК выделено три основных типа контактов: I – КМК – базальт; II – КМК – (известняк, брекчия, туфобрекчия и конгломерат); III – КМК – (туф, туффит). Типизация контактов КМК и пород субстрата по их прочности – основа специального инженерно-геологического районирования залежей КМК по условиям их отработки.

В 2005-2009 гг. лаборатория совместно с Петербургским государственным университетом путей сообщений (В.А. Алпысова) провела экспериментальные комплексные лабораторные исследования по изучению КМК, пород субстрата и контактов между слоями (в том числе по отделению КМК от пород субстрата) методами ультразвукового просвечивания, магнитоакустическим, одноосного сжатия и скола ударной нагрузкой.

Расширение круга привлеченных методов исследований позволило оценить возможность использования косвенных методов определения прочностных показателей для корректировки методики прямых измерений, применительно к поставленной задаче – отделения КМК от субстрата. Представляется, что ультразвуковые испытания могут рассматриваться как составная часть комплекса исследовательских работ по данной проблеме. Анализ результатов испытания массива (КМК+субстрат) методом одноосного сжатия показал, что его прочность зависит от прочности отдельных слоев, развития в них трещиноватости и кавернозности, их взаиморасположения и ориентации относительно приложения нагрузки. Прочность пород субстрата определяется типом субстрата и степенью его трещиноватости.

Следует отметить, что дальнейшее развитие инженерно-геологических исследований в Мировом океане связано с вводом в эксплуатацию новых специализированных судов и разработкой современных технических средств. Сегодня океанский научно-исследовательский флот Минприроды России насчитывает 4 специализированных судна водоизмещением 5200 т каждое, спроектированных по техническим требованиям начала 1970-х годов.

Новые специализированные суда, проектируемые в ФГУП “Крыловский государственный научный центр” для геологоразведочных работ в Мировом океане, будут оборудованы современными лабораторными комплексами инженерно-геологического назначения. В рамках этого проекта рассматривается конструирование двух типов судов — разведочного и добычного. Одной из задач этого проекта было разработать универсальные суда, которые могли бы выполнять самые различные морские работы, в том числе инженерно-геологические. Предполагается, что такие суда смогут полностью обеспечить выполнение комплексных глубоководных исследований в рамках российских контрактов с МОМД. В их концепции учтены все современные требования безопасности, предъявляемые к работам, проводимым в открытом море. Они обладают системой динамического позиционирования, улучшенными показателями по экономичности, высокой автономностью, позволяющей достаточно долго работать на полигоне, предусмотрена возможность установки различного геологоразведочного и добычного оборудования.

Опыт разнообразных инженерно-геологических работ, накопленный в лаборатории за многие годы, позволяет постоянно привлекать ее сотрудников к различным научно-производственным проектам как на шельфе, так и в глубоководных районах Мирового океана. Отметим лишь некоторые из них. В 1991 г. А.В. Кондратенко и С.А. Козловым были проведены инженерно-геологические исследования в Норвежском море на борту НИС “Академик Мстислав Келдыш”. Изучались инженерно-геологические условия в районе затонувшей АПЛ “Комсомолец” с целью оценки возможности ее подъема [21].

В 1992-1994 г. г. по договору с институтом “Гипроспецгаз” проводились инженерно-геологические исследования под ТЭО обустройства Штокмановского газоконденсатного месторождения в Баренцевом море (варианты примыкания трассы газопровода к Кольско-Канинскому побережью). В 1998-1999 гг. сотрудники лаборатории Н.А. Куринный, С.А. Козлов и др. по заданию ДАОО “Гипроспецгаз” совместно с сотрудниками “ВСЕГЕИ” и ГОСНИНГИ (МО РФ) выполнили морские инженерно-геологические изыскания на стадии ТЭО по трассе Северо-Европейского газопровода (российская часть трассы по дну Балтийского моря). Эти работы стали основой для разработки проекта строительства подводной системы трубопроводов, соединяющих Россию и Европу.

В 2000 г. А.В. Кондратенко на борту ГС “Гидролог” в составе экспедиции ГНПП “Севморгео” участвовал в инженерно-геологических исследованиях на месте гибели АПЛ “Курск” (Баренцево море). В 2000-2001 гг. НИС “Профессор Штокман” совместно с ОАО “Ленморниипроект” и ФГБУ “ВСЕГЕИ”, сотрудниками лаборатории Н.А. Куринным, С.А. Козловым и др. по заданию ОАО “Гипросвязь” были выполнены инженерно-геологические изыскания по проектируемой трассе волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) Санкт-Петербург-Калининград в Балтийском море.

В заключение следует отметить, что деятельность лаборатории инженерной геологии дна Мирового океана неразрывно связана с именем доктора геолого-минералогических наук Ярослава Владимировича Неизвестнова, основателя и долгие годы руководителя лаборатории (рис. 5).

 

Рис. 5. Я.В. Неизвестнов (1930-2014 гг.)

 

Я.В. Неизвестнов внес определяющий вклад в развитие инженерно-геологических, гидрогеологических и геокриологических исследований на шельфах, островах и прилегающей суше арктических морей России и дна глубоководных районов Мирового океана, перспективных на твердые полезные ископаемые. Его научные работы (более 200 публикаций) базируются на обширных фактических данных, полученных в течение продолжительной научной и производственной деятельности (с 1953 г.), отличаются глубокой проработкой фактического материала, являются фундаментальным вкладом в развитие инженерной геологии морского дна, морского грунтоведения, гидрогеологии, геокриологии, геоэкологии.

В последние годы своей жизни Я.В. Неизвестнов уделял большое внимание системным исследованиям, направленным на изучение закономерностей энерго-массопереноса в геосферах Земли с целью совершенствования прогноза развития опасных эндогенных геологических процессов на дне океана с использованием методов сравнительной планетологии [33, 37].

В 2014 г. Я.В. Неизвестнов ушел из жизни, передав в 2013 г. руководство лабораторией своему ученику и последователю А.В. Кондратенко. В лаборатории удачно сочетается опыт старшего поколения с инициативой молодых специалистов, в работе постоянно участвуют студенты старших курсов Санкт-Петербургских вузов (рис. 6).

 

Рис. 6. Сотрудники лаборатории инженерной геологии дна Мирового океана (2008 г.):

Нижний ряд слева направо: Кошелева В.А., Неизвестнов Я.В., Кондратенко А.В.

Верхний ряд слева направо: Куринный Н. А., Колчина Н. Л., Боровик О.В., Францева Т.Н., Булдаков С.В.

 

В настоящее время лаборатория инженерной геологии дна Мирового океана ФГБУ “ВНИИОкеангеология”, используя накопленный опыт, отечественные и зарубежные научные достижения, богатую фактографическую базу, продолжает развивать основные свои традиционные направления:

• научно-методическое обеспечение инженерно-геологических исследований на объектах твердых полезных ископаемых в Мировом океане;
• разработка рекомендаций по аппаратурно-техническому обеспечению при изучении инженерно-геологических условий разведки и добычи ЖМК, КМК и ГПС;
• опытно-методические исследования физико-механических свойств донных образований Мирового океана in situ и в судовых лабораториях;
• комплексное изучение инженерно-геологических условий разведки и разработки глубоководных месторождений твердых полезных ископаемых, включая железомарганцевые конкреции, кобальтоносные корки и глубоководные полиметаллические сульфиды в пределах Российских разведочных районов в Тихом и Атлантическом океанах;
• инженерно-геологические исследования в рамках государственного мониторинга состояния недр прибрежно-шельфовых зон Российской Федерации;
• оказание экспертных, консультационных и информационных услуг по основным направлениям деятельности лаборатории.

Примечание:

¹ Совместная организация “Интерокеанметалл” в составе Болгарии, Кубы, Польши, России, Чехии и Словакии.

About the authors

A. V. Kondratenko

Gramberg All-Russian Research Institute of Geology and Mineral Resources of the World Ocean (FSBI “VNIIOkeangeologiya”)

Author for correspondence.
Email: kondr@vniio.nw.ru
Russian Federation, Angliyskii pr., 1, St. Petersburg, 190121

S. A. Kozlov

Polar Marine Exploration Expedition Joint-Stock Co.

Email: zhmike@mail.ru
Russian Federation, ul. Pobedy, 24, Lomonosov, St. Petersburg, 198412

M. S. Zakharov

Gramberg All-Russian Research Institute of Geology and Mineral Resources of the World Ocean (FSBI “VNIIOkeangeologiya”)

Email: kozlovSA@rusgeology.ru
Russian Federation, Angliyskii pr., 1, St. Petersburg, 190121

References

Supplementary files