Инженерно-геологические условия формирования подводных оползней в отложениях шельфа Чёрного моря (между мысом мал. Утриш и бухтой Хоста)

При проектировании подводных трубопроводов и сооружений нефте- и газодобывающего комплекса необходимо подробно исследовать геологические и инженерно-геологические процессы [Трофимов, Аверкина, 2009]. Эти процессы могут представлять опасность для целостности подводных сооружений, и, в отличии от субаэральных условий, для подводных практически невозможно разработать мероприятия инженерной защиты от их воздействий. Для областей шельфов, континентальных склонов и их подножий наиболее характерными являются процессы, связанные с мобилизацией и транспортировкой осадочного вещества. Они относятся к экзогенным геологическим процессам, которые обусловлены действием силы тяжести, и формируют группу подводных гравитационных процессов. В настоящей работе под гравитационными понимаются склоновые процессы, связанные с действием гравитационной силы.
Актуальность работы. Интенсивное освоение шельфа Чёрного моря в связи со строительством подводных газопроводов, таких как: «Голубой поток», «Джубга-Лазаревское-Сочи» и «Южный Поток», обусловливает необходимость исследования подводных гравитационных процессов.
Гравитационные процессы на подводных склонах распространены так же широко, как и на склонах дневной поверхности [Hampton et.al., 1996]. Подводные склоны Чёрного моря не являются исключением - отложения гравитационных процессов были обнаружены здесь ещё в первой половине XX в. [Архангельский, 1930; Архангельский, Страхов, 1938]. Многочисленные геофизические и гидрографические исследования континентального склона Чёрного моря, примыкающего к Западному Кавказу, указывают на повсеместное развитие подводных оползней и потоков в массивах грунтов, слагающих его поверхность [Сафьянов и др., 2001; Сорокин, Лукша, 2002; Вержбицкий и др., 2005; Москаленко, Шимкус, 2005; Москаленко и др., 2006; Евсюков, 2009; Есина, Хворощ, 2009]. По данным эхолотных промеров более 50% поверхности континентального склона подвержено воздействию подводных потоков и оползней [Евсюков, 2009].
Подводные гравитационные процессы в Чёрном море исследовались преимущественно учёными литологами и седиментологами. Исследования учёных по этим научным направлениям заключаются в изучении донных отложений и условий их формирования. Интерес инженер-геологов к подводным гравитационным процессам в Чёрном море обусловлен необходимостью инженерной оценки условий строительства подводных газопроводов, кабелей связи, а также освоением нефтегазовых месторождений в последние десятилетия и заключается в изучении механизма, условий, факторов формирования этих процессов и составления прогноза их развития.
По мнению Н.А. Айбулатова [Айбулатов, 2002] и А.С. Фёдорова [Фёдоров и др., 2009] в отложениях, слагающих поверхность Черноморского шельфа, примыкающего к Западному Кавказу, оползневые процессы встречаются крайне ограничено и не представляют опасности для подводных инженерных сооружений. Результаты изысканий для обоснования строительства подводных
газопроводов, выполненных за последние 15 лет, позволили выявить широкое распространение оползневых процессов не только в отложениях, слагающих континентальный склон, но и в отложениях, слагающих шельф Чёрного моря, примыкающий к Западному Кавказу. Накопленный материал позволил сделать выводы о механизме и факторах формирования подводных оползней в рассматриваемом регионе и разработать расчётную схему оценки устойчивости подводных массивов для дальнейшего выполнения моделирования развития оползней на начальной стадии их формирования. Проявление подводных оползней на дне акваторий может приводить к деформациям оснований и разрушению сооружений нефте- и газодобывающего комплекса [Prior, Coleman, 1982], что может привести к негативным экологическим последствиям и экономическому ущербу. Поэтому результаты моделирования оползневого процесса представляют большой интерес для проектирования подводных инженерных сооружений на шельфе и континентальном склоне Чёрного моря, в чём и заключается актуальность настоящей диссертационной работы.
Цель работы. Выявление закономерностей формирования подводных оползней в отложениях шельфа Чёрного моря, примыкающего к Западному Кавказу, на участке между мысом Мал. Утриш и бухтой Хоста и моделирование этих процессов. Для достижения поставленной цели в настоящей работе решались следующие основные задачи:
1. сбор и обработка литературных и фондовых данных о подводных гравитационных процессах в Мировом океане и Чёрном море с целью обобщения и критического анализа современных представлений об их типах, факторах формирования, механизмах, а также методах составления прогноза их развития;
2. характеристика инженерно-геологических условий рассматриваемого участка шельфа Чёрного моря;
3. выявление основных типов подводных оползней, развитых в отложениях шельфа Чёрного моря, а также факторов и условий их формирования;
4. составление и обоснование расчётной схемы оценки устойчивости массивов, слагающих подводные склоны рассматриваемого участка шельфа, в соответствии с особенностями инженерно-геологических условий, с целью моделирования развития подводных оползней на начальной стадии их формирования;
5. оценка устойчивости шельфа Чёрного моря и количественная оценка ведущих факторов формирования подводных оползней в массивах рассматриваемого региона;
6. разработка рекомендаций по методике исследования подводных гравитационных процессов для обоснования строительства нефтегазовых сооружений на континентальных окраинах морей и океанов.
Объект исследования. Различные подводные гравитационные процессы, широко развитые на дне Мирового океана и Чёрного моря в частности. Предметом исследования являются преимущественно подводные оползни, распространённые в массивах дисперсных грунтов, слагающих шельф Чёрного моря, примыкающий к Западному Кавказу, на участке между мысом Мал. Утриш и бухтой Хоста. Также в работе рассматриваются различные типы подводных гравитационных потоков, отложения которых широко распространены в области Черноморского континентального склона в пределах рассматриваемого региона.
Фактический материал. При подготовке настоящей работы были использованы новые данные опробования донных грунтов в Чёрном море, полученные при участии автора настоящей работы в ходе рейсов на НИС «Профессор Штокман» и НИС «Академик Голицын» в 2011 г. Также в работе были использованы данные бурения и опробования, полученные в ходе рейсов на НИС «Диорит», данные геофизических, гидрографических и геотехнических работ, полученные на НИС «Акванавт» в 2008 г., НИС «Профессор Штокман», НИС «Академик Голицын», НИС «Хезер Си» и НИС «Борей» в период с 2009 по 2011 гг. В работе были задействованы архивные данные ООО «Питер Газ», которые были критически рассмотрены и глубоко проанализированы автором. Также были использованы материалы, собранные автором в ФГУНПП «Росгеолфонд», которые представляют собой результаты площадных исследований, выполненных для составления государственных геологических карт масштабов 1:50 000 (листы L-37-XXVI-III-А, Б, В, Г; 112 - В, Г; 123 – Б, Г; 124 – А, Б, Г; 125 – А, В), 1:200 000 (листы K-37-III, L-37-XXXIII, L-37-XXXIV), 1:1 000 000 (листы L-37, K-37) в период с 1983 по 2008 гг. Все материалы, представленные в настоящей работе, были подготовлены автором, либо при непосредственном участии автора.
Методика работы. Для выявления и картирования отложений подводных гравитационных процессов на дне Чёрного моря были использованы результаты геофизических исследований, которые анализировались с помощью современных программных пакетов Global Mapper, Kingdom и ArcGis. Методы разведочных работ были использованы для изучения геологического разреза и отбора проб донных грунтов, которые затем подвергались испытаниям в судовых и стационарных лабораториях для определения их физических и физико-механических характеристик. Физические и физико-механические свойства донных грунтов затем использовались в расчётно-теоретических исследованиях, которые заключались в моделировании развития подводных гравитационных процессов на начальной стадии их формирования. Математическое моделирование проводилось посредством расчётов устойчивости подводных склонов в одномерной постановке по оригинальной методике, предложенной автором, с использованием разработок представленных в следующих работах [Калинин, 2006; Lee, Edwards, 1986; Hampton et.al., 1996; Seed, Rahman, 1978; Hance, 2003; Stability modeling with SLOPE/W 2007…, 2008]. Также расчёты устойчивости выполнялись на двухмерных моделях с использованием методов предельного равновесия на программных комплексах GeoStudio 2007 (GEO-SLOPE International, Ltd.) и Slide 5.0 (Rockscience inc.).