газо-гидротермальные явления вулканотектонических структур

ГАЗО-ГИДРОТЕРМАЛЬНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ВУЛКАНОТЕКТОНИЧЕСКИХ СТРУКТУР ВОСТОЧНО-АЗИАТСКИХ МОРЕЙ
А. И. Обжиров, Р. Г. Кулинич, Е. А. Бессонова, Ю. И. Мельниченко
Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН, Владивосток,
obzhirov@poi.dvo.ru
За последние два десятилетия в результате экспедиционных исследований отечественными и зарубежными учеными в морях восточной окраины Азии на шельфе, континентальных склонах, возвышенностях и в глубоководных впадинах выделены грязевые вулканы и разного рода гидротермальные
конструкции. Постройки грязевых вулканов выявлены на шельфе Японского, Восточно- и ЮжноКитайского морей, получены свидетельства существования грязевых вулканов на подводном склоне
Восточной Камчатки [Обжиров, 1993; Мельниченко и др., 1990]. В Охотском море они выделены на
шельфе и подводных склонах о-вов Сахалина и Парамушир, в Голыгинском рифте и в других местах.
Образования грязевых вулканов тесно связаны с залежами нефти, газа и газогидратов [Соловьев и др.,
1994]. Поля газогидратов установлены в областях развития осадков мощностью от 3 до 5-8 км. При
этом глубина залежей газогидратов от поверхности дна не превышает 300-400 м, в основном колеблется в пределах 70-150 м, хотя иногда почти выходят на поверхность. Грязевулканические конструкции проявляются в форме ям, воронок, провалов, прогибов, расщелин и других мелких неровностей
морского дна. Преимущественно отрицательные формы этих образований обусловлены сильными (до
5-6 узлов) подводными течениями, размывающими относительно рыхлые конусы грязевых вулканов.
Гидротермальные образования в виде холмов, активных и неактивных конусообразных трубкурильщиков выявлены на подводных склонах Курильской и Алеутской островных дуг, в Марианском
желобе. Они формируются в областях разгрузки современных потоков минерал содержащих флюидов
и часто образуют поля со сложным рельефом поверхности дна. Местами (трог Окинава) флюиды с
температурой около 220°С изливаются на поверхность дна через трещины и разломы земной коры.
Подобные холмы выявлены в пределах вулканотектонической структуры в районе впадины Дерюгина
(Охотское море) [Астахова и др., 1987; Кулинич, Обжиров, 2003].
Выдающуюся роль в локализации и формировании подобных газо-гидротермальных морфоструктурных образований играют зоны сквозных трансструктурных линеаментов, составляющих
важный элемент регматической сети Земли [Кулинич, 1988]. Они составляют жесткий каркас и определяют структурную раму и рисунок морских впадин. В них осуществляется интенсивная переработка
(реструктуризация) земной коры, происходит миграция и локализация флюидно-магматических расплавов, в том числе, c формированием широко развитых во впадинах окраинных морей вулканотектонических структур. Развитие гидрохимических и газогеохимических аномалий в придонном слое и в
донных осадках морей и в пределах газо-гидротермальных морфоструктур указывает на их современную эндогенную активность.
Изучение газогеохимических полей окраинных морей Восточной Азии осуществлялось нами с
1980 года [Обжиров и др., 1989; Обжиров, 1993]. Методический комплекс составили гидроакустические исследования, газогидрохимическое опробование придонного слоя воды батометрами, изучение
газовой составляющей (N, O, CO2 , H, He, CH4) на борту судна хроматографами. Отбор проб воды
осуществлялся на расстоянии 1 м от поверхности дна непосредственно в зоне проявления аномалий и
за их пределами. На выделенных участках проводились гидрологические, геофизические и геологические работы. В ряде случаев они включали магнитометрию, термометрию, сейсмопрофилирование,
отбор геологических проб трубками и драгами. Для анализа глубинной структуры площади газогидрохимических аномалий были использованы данные морской гравиметрии и спутниковой альтиметрии.
Наиболее детальные работы проведены в акватории Охотского моря в 1995-2005 гг. по российскогерманским программам ГЕОМАР и КОМЕКС [Мониторинг метана …, 2002; Fifth KOMEX Workshop
…, 2004]. Основными объектами были восточные районы Северосахалинского шельфа, морфотектоническая система впадины Дерюгина и структура Голыгинского рифта, включающая источник газофлюидного потока на склоне о-ва Парамушир.
В изученном районе шельфа площадь наиболее активной газовой эманации располагается в границах локального гравитационного максимума [Kulinich, Bessonova, Obzhirov, 2004 ]. Он соответствует поднятию фундамента, ориентированному в северо-восточном направлении. Эта горстообразная
структура, возможно, является апофизом антиклинория Шмидта, обнажающегося на севере Сахалина.
Линейные градиенты силы тяжести, ограничивающие эту структуру, отражают существование разломных зон, ориентированных в северо-восточном направлении. Они играют наиболее важную роль
тектонических проводящих путей для метановых эманаций. Им подчинены аномально высокие эманации метана, источником которых могут быть залежи нефти, газов и газогидратов. Некоторые тектонические движения в фундаменте повлияли на структуру осадков, мощность которых составляет тысячи
метров, и отразились в микрорельефе морского дна, что является признаком недавних тектонических
событий.
Детальные работы во впадине Дерюгина проводились в пределах восточной части, где ранее
были обнаружены минеральные проявления барит-карбонатной ассоциации. Тогда же на основании
анализа данных альтиметрии было сделано предположении о существовании в этом районе вулканотектонической депрессии, которая характеризовалась ступенчато-блоковым строением [Астахова,
Липкина, Мельниченко, 1987]. К ней приурочены высокие (до 200 мВт/м2) значения теплового потока.
Проведенные на НИС “Академик Лаврентьев” (28 и 29 рейсы, соответственно в 1998 и 2002 гг.) и ГС
“Маршал Геловани”(1999 г.) совместные российско-германские экспедиции, выявили в этом районе
скопления барит-карбонатных построек. Высотой 5-10 м они широко распространены в пределах поля,
названного «Баритовыми холмами». Здесь же выявлены и аномально высокие концентрации метана в
придонной воде. Сделан вывод о том, что активную роль в формировании минерализации и аномалий
метана играли глубинные флюидные потоки, признаки которых проявляются и в настоящем [Biebow,
N., Hutten,E., 1999; Biebow, N., Kulinich, R., Baranov,B., 2002]. По совокупности полученных геологических данных [Каталог станций …, 1982] и на основании результатов интерпретации гравитационного и магнитного полей сделан вывод, что минеральные скопления и эманации метана сосредоточены в
пределах или на периферии вулканогенно-осадочной депрессии [Кулинич, Обжиров, 2003]. Наблюдаемые в настоящее время признаки флюидной деятельности, активная эмиссия метана и высокий тепловой поток вблизи рассматриваемой площади могут быть проявлением остаточных постмагматических процессов.
Парамуширский источник метановых эманаций локализуется в центральной части Голыгинского рифта. Он представляет моноклинальный рифто-грабен, который вероятно является продолжением
Срединно-Камчатского рифта. Фундамент депрессии сложен предположительно андезито-базальтами,
которые, возможно, представляют реликты олигоцен-миоценовых вулканических построек. Поперечными горстами, приуроченных к разломам, фундамент разделен на отдельные грабены, компенсированные вулканогенно-осадочными отложениями мощностью 5 и более километров. На выступах фундамента в зонах поперечных разломов располагаются подводные вулканы и одиночные вулканические
постройки-острова плиоцен-четвертичного возраста. Они сложены андезито-базальтами и андезитами
субщелочной серии [Пискунов, 1987]. Небольшие вулканические конусы и экструзивные купола выделяются также под осадками. Термическое поле рифто-грабена отличается высокими (более 200
мВт/м2) значениями теплового потока. В эту вулканотектоническую структуру вписывается поле газовых эманаций. Оно протягивается до п-ова Камчатка [Обжиров, 1993]. Поле приурочено к разлому
северо-восточного простирания, который проявляется в линейной системе частично захороненных
осадками вулканических конусов. В него входит Парамуширский источник, который по данным
наблюдений с подводного аппарата представлен совокупностью мелких ям, трещин и расселин морского дна [Зоненшайн и др., 1987]. В этом районе обнаружены газовые источники, которые локализуются на подводном основании вулкана Алаид [Мельниченко, Казанский, Обжиров, 1990].
Результаты многолетних исследований показывают усиление активности метановых эманаций с
90-х гг. прошлого века [Obzhirov, A., Salyuk, A., Salomatin, A., Suess, E., Kazansky, B., Melnichenko, Yu.
et al. 2004]. Первым признаком является увеличение содержание метана в придонном слое воды. В
период 1984-1988 гг. в районах сахалинского шельфа и акватории Охотского моря фоновые концентрации метана в воде составляли 20-30 nl/l, а аномальные (обычно ассоциирующие с нефтяными и газовыми месторождениями) около 300-400 nl/l. Они увеличились к 1990 году, соответственно, до 70-80
nl/l, а аномальные до 10000 nl/l. Концентрации метана скачкообразно возросли в периоды Нефтегорского (май 1995 г.) и Углегорского (август 2000 г.) землетрясений (рис.). На сахалинском шельфе на
ранее выявленных участках аномальные концентрации метана увеличились в 10-1000 раз (500-15000
nl/l). В пределах участка разгрузки концентрации метана превышали 20000 nl/l, а вблизи них – 10003000 nl/l. Содержание метана в донных осадках составило 5-10 nl/l. Это означает, что метан в толщу
воды проникает через осадок из зоны разлома. Непосредственно в районе Баритовых холмов содержание метана в воде колебалось в пределах 2000-5000 nl/l. Вне поля холмов установлены лишь фоновые
содержания (50 nl/l). Подобное увеличение концентраций метана наблюдалось нами в районе Парамуширского источника в рейсе НИС «Профессор Богоров» (2003 г.) непосредственно после землетрясения в районе о-ва Кунашир [Cruise report, 1995]. Содержание метана в источниках после землетрясения увеличилось в десятки раз.
Усиление активности метановых эманаций на морском дне проявляется также в увеличении
числа их источников. К 2004 г. их было выявлено уже более сотни. Множество новых гидроакустических аномалий на шельфе и в котловине Дерюгина выявлено в 29 рейсе НИС «Академик М. Лаврентьев» в 2002 г. Необходимо отметить, что рейс (июнь 2002 г.) сопровождался сейсмической активностью
региона. Она стала вероятной причиной роста количества выходов метана и одновременного увеличения его концентраций в воде. При сейсмотектонической активизации разломные зоны раскрываются и
становятся путями миграции газа, источником которого, например, могут быть разрушающиеся
нефтегазовые и газогидратные залежи. В результате происходят морфоструктурные изменения поверхности дна с образованием ямок и бугров диаметром и высотой (глубиной) 10-20 м, нарушением
поверхности размером 500-1000 м в диаметре и толщи газогидратов.
В пределах изучаемого Сахалинского региона в наблюдаемый период произошло радикальное
изменение пространственного распределения землетрясений. Эпицентры землетрясений с 1978 г. до
1991 г. были равномерно рассредоточены как внутри острова, так и под окружающей его акваторией.
Существенное увеличение количества землетрясений и выделяемой сейсмической энергии происходило в регионе с 1993 года. С 1991 года коровые землетрясения сконцентрировались на северо-востоке и
в юго-западной частях Сахалина. За их пределами количество землетрясений сократилось. Со стороны
Охотского моря зарегистрированы лишь 20 землетрясений, эпицентры которых практически вплотную
прилегают к побережью острова.
Для выяснения особенностей динамики сейсмоактивности земной коры о. Сахалин и прилегающей акватории в период 1985-2002 г.г. была использована выборка сильных землетрясений с магнитудами больше 3, в которую вошли 183 сейсмических события. В качестве показателя динамики региональной сейсмоактивности было выбрано изменение количества землетрясений и выделяемой сейсмической энергии (рис.). Максимальное количество землетрясений произошло в 1995 и 2000 годах. Пики
сейсмической активности связаны с Нефтегорским землетрясением (май 1995 г.) с М=7.7 и с Углегорским землетрясением (август 2000 г.). Механизм очага Углегорского землетрясения определен как
движение под действием близ горизонтальных сжимающих напряжений, ориентированных субширотно. В очаге Нефтегорского землетрясения также преобладали близ горизонтальные напряжения сжатия, хотя гипоцентр землетрясения расположен в другой сейсмогенной зоне. Такие ориентации
напряжений определены для очагов землетрясений с глубинами 5-33 км. На охотоморском побережье
о-ва Сахалин, в Сахалинском заливе и Татарском проливе преобладают механизмы очагов землетрясений с близ горизонтальными напряжениями растяжения, в то время как в осевой части острова преобладают напряжения сжатия. Оси главных действующих близ горизонтальных напряжений ориентированы субширотно или диагонально простиранию островных структур, а магнитуды землетрясений с
механизмами сжатия в очагах на 1-1.5 выше, чем для землетрясений с механизмами растяжения
[Мельников и др., 2001].
Приведенные и опубликованные данные показывают, что система геодинамических напряжений
в коре Сахалина и его окружения представлена субмеридиональным чередованием зон сжатия и растяжения. Известно, что в зонах сжатия выделяется 90% сейсмической энергии, в то время как в зонах
растяжения 5-6%, поскольку горные породы имеют слабую относительную прочность и поэтому
накопление больших напряжений невозможно [Шерман и др., 1992]. Разумно предположить, что на
современном этапе развития земная кора о-ва Сахалин испытывает субширотные напряжения сжатия.
В то же время шельфовая зона, где мощность осадка достигает 10 км, характеризуется растяжением
земной коры, что проявляется и в рельефе поверхности дна.
Надо полагать, что в аналогичных геодинамических условиях располагается и поле активной
метановой эманации. Сопоставление сейсмической динамики с изменениями активности метановых
эманаций показывает существование их взаимосвязи. Коэффициент корреляции указанных событий
составляет 0,65. Почти одновременно с повышением сейсмической активности увеличивалось в целом
количество метановых источников, также повышалась средняя концентрация этого газа в воде. Указанные изменения в эманации метана наблюдались после отмеченных выше пиков сейсмической активности, т.е. после динамической «встряски» тектонической системы и раскрытия некоторых разломов.
Проведенные исследования показывают, что выявленное в результате многолетнего мониторинга Охотоморского региона усиление газо-гидротермальной активности вулканотектонических структур связана с общим тектоническим оживлением земной коры в переходной зоне Азия – Тихий океан.
Об этом свидетельствуют не только приведенные данные, но и сейсмотектонические события, имевшие место в этом периоде в Охотоморском регионе: Курильское (октябрь 1993 г или 1994) и Хоккайдское (сентябрь, 2003 или 2004) землетрясения магнитудой 6 баллов. К ним следует добавить Пенжинское землетрясение на Камчатке (апрель-май 2006 г.). Повышение активности наблюдается в областях растяжения земной коры, где создаются условия для раскрытия трещин, разрушения нефтегазовых залежей и газогидратов, а также обеспечивается облегченный доступ тепла к верхним горизонтам коры. Следствие этих процессов является переработка структуры и вещества рыхлой осадочной
толщи и появление специфических флюидогенных морфоструктур морского дна. Результаты работы
показывают, что газогеохимические поля и функционирующие газо-гидротермальные источники, в
том числе, грязевые вулканы можно использовать для картирования зон разломов, поиска залежей
нефти, газа и газогидратов, оценки и прогноза сейсмотектонической активности региона.
Список литературы
Авдейко Г. И., Гавриленко Г. М., Черткова Л. В. и др. Подводная гидротермальная активность на северо-западном склоне о. Парамушир (Курильские острова) // Вулканология и сейсмология, 1984, № 6. С. 66-81.
Астахова Н. В., Липкина М. И., Мельниченко Ю. И. Гидротермальная баритовая минерализация во
впадине Дерюгина Охотского моря // Докл. АН СССР, 1987, Т. 295, № 1. С. 212-215.
Зоненшайн Л. П., Мурдмаа И. О., Баранов Б. В. и др. Подводный газовый источник в Охотском море к
западу от острова Парамушир // Океанология, 1987, Вып. 5. С. 795-800.
Каталог станций драгирования в Охотском море. Южно-Сахалинск: ДВНЦ АН СССР, 1982, 101 с.
Кулинич Р. Г. Роль сквозных тектонических линеаментов в строении и эволюции Филиппинской плиты //
Геодинам. иссл. № 11. Тектоника восточно-азиатских окраинных морей. М.: 1988. С. 95-101.
Кулинич Р. Г., Обжиров А. И. Барит-карбонатная минерализация, аномалии метана и геофизические поля во впадине Дерюгина (Охотское море) // Тихоокеанская геология, 2003, №4. С. 35-40.
Мельников О. А., Поплавская Л. Н., Нагорных Т. В. Система напряжений в очагах сахалинских землетрясений и её связь с тектоникой острова // Тихоокеанская геология, 2001, №3. С. 3-7.
Мельниченко Ю. И., Казанский Б. А., Обжиров А. И. Гидроакустические эффекты при эхолотировании
дна морских бассейнов // Новые данные по геоморфологии и геологии западной части Тихого океана. Владивосток: ДВО АН СССР, 1990. С. 75-89.
Мониторинг метана в Охотском море. Владивосток: Дальнаука, 2002, 250 с.
Обжиров А. И. Газогеохимические поля придонного слоя морей и океанов. М.: Наука, 1993. 139 с.
Обжиров А. И., Астахова Н. В., Липкина М. И. и др. Газогеохимическое районирование и минеральные
ассоциации дна Охотского моря. Владивосток: Дальнаука, 1999, 184 с.
Обжиров, А. И., Казанский Б. А., Мельниченко Ю. И. Эффект звукорассеивания придонной воды в
краевых частях Охотского моря // Тихоокеанская геология, 1989, № 2. С. 119-121.
Пискунов Б. И. Геолого-петрологическая специфика вулканизма островных дуг. М. Наука. 1987.
Соловьев В. А., Гинзбург Г. Д., Обжиров А. И., Дуглас В. К. Газовые гидраты Охотского моря // Отечественная геология, 1994, № 2. С. 190-17.
Шерман С. И., Семинский Ж. К., Борняков С. А. и др. Разломообразование в литосфере. Зоны растяжения. Новосибирск: Наука. 1992, 205 с.
Biebow, N., Hutten, E. Cruise reports: R/V “Professor Gagarinsky,” cruise 22 and R/V “Akademik M. A.
Lavrentyev,” cruise 28. GEOMAR. Kiel, 1999, 377 p.
Biebow, N., Kulinich, R., Baranov, B. Cruise report: R/V “Akademik M. A. Lavrentyev,” cruise 29. GEOMAR.
Kiel, 2002.
Cruise report: POSETIV // R/V “Professor Bogorov”, сruise 37. GEOMAR. Kiel, 1995, 81 p.
Fifth KOMEX Workshop on Russian – German Cooperation in the Sea of Okhotsk. Program & Abstracts.
Vladivostok, 2004, 64 p.
Kulinich R., Bessonova E., Obzhirov A. Deep Structure, Seismicity and Methane Emanation on the
Northeastern Shelf and Slope of Sakhalin / Fifth KOMEX. Vladivostok, 2004. P. 27.
Obzhirov, A., Salyuk, A., Salomatin, A., Suess, E., Kazansky, B., Melnichenko, Yu. et al. Methane Increase in
the Okhotsk Sea as a Result of Seismic Activity ? // Fifth KOMEX. Vladivostok, 2004. P. 39-40.
Astakhova N. V., Melnichenko Yu I., S’edin V. T. Fluid Sphere and Metallogeny of East Asian submarine
margin // Metallogeny of the Pacific Northwest: Tectonics, Magmatism and Metallogeny of active continental margins. –
Vladivostok: Dalnauka, 2004. P. 620-622.
Дерюгинский газогидротермальный узел локализуется на пересечении Япономорского линеамента и Кашеваровского рифта. В Охотском море линеамент представлен Восточно-Сахалинским глубинным разломом и
уступами островного склона. Неотектоническая структура Кашеваровского рифта представляет фрагмент сквозного линеамента северо-западного простирания, который протягивается от Тихого океана и продолжается на
континентальное Приохотье.
Среди них выделяются рифтовые и простые грабены, депрессии, очаговые кальдеры и кальдеры проседания, вулкано-купольные поднятия, вулканические хребты и остаточные погруженные островодужные вулканические системы.
Рис.
а – динамика количества источников эманаций (1) и концентраций метана в воде (2) на шельфе и склоне
северо-восточного Сахалина; б – динамика количества землетрясений и суммарной выделенной энергии: процентное распределение землетрясений (247 сейсмических событий – 100%) с магнитудой m >3 (1) и энергия землетрясений (457 событий) с магнитудами 2.1< m <6.71 (2).