ГРЯЗЕВОЙ ВУЛКАН «НОВОСИБИРСК» И СВИДЕТЕЛЬСТВА ЕГО АКТИВИЗАЦИЙ (оз. БАЙКАЛ)

1. ВВЕДЕНИЕ

Грязевой вулканизм в морях и на суше связан с активизацией процессов сжатия на глубине (до нескольких километров), накоплением энергии (аномально высокого пластового давления (АВПД)) и ее высвобождением через извержение вдоль зон тектонических нарушений в активных окраинных областях, зонах сжатия аккреционных комплексов, надвиговых поясах, пассивных окраинах, глубоких осадочных бассейнах, связанных с границами активных плит, а также в дельтовых районах [Dimitrov, 2002; Aliyev, 2006; Mazzini, Etiope, 2017]. Изучение подводных грязевых вулканов имеет важное значение для оценки потенциальных геолого-экологических катастроф, связанных с быстрой разгрузкой большого объема парникового газа в водную толщу и атмосферу, усиливающих потепление климата, а также для оценки масштабов излияний грязевулканических масс (сопочная брекчия), изменяющих ландшафты дна и разрушающих подводные технические сооружения (морские платформы, нефте- и газопроводы, кабели связи) [Milkov et al., 2003]. Для Байкала – единственного в мире пресноводного озера, где были найдены газовые гидраты и открыт связанный с ними байкальский тип грязевого вулканизма, знания об активности грязевых вулканов в прошлом могут быть косвенным свидетельством активности тектонических нарушений и геотермального импульса. Байкальские грязевые вулканы, в отличие от «классических» морских, не связаны со сжатием и формируются вследствие аномально высокого порового давления (АВПоД), возникающего в ходе разложения скоплений газовых гидратов на нижней границе их стабильности (максимум 450 м ниже дна). Дестабилизация газовых гидратов происходит за счет дополнительного тепла, поступающего по трещиноватым зонам разлома совместно с растворами [Khlystov et al., 2019].

В настоящее время на дне озера открыто 29 гидратоносных грязевых вулканов, их основное количество обнаружено в Средней котловине [Khlystov et al., 2022]. Морфология и строение некоторых из них частично рассмотрены в литературе, но требуют дополнительного анализа и нового понимания их эволюции в связи с открытием байкальского типа механизма образования грязевых вулканов на оз. Байкал.

В статье приведен обновленный анализ комплекса геолого-геофизических данных грязевого вулкана «Новосибирск», уточнены его основные характеристики, дана оценка активности во времени, а также рассмотрены опорные элементы его строения, присущие для гидратоносного грязевого вулканизма оз. Байкал.

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Геофизическая съемка дна в районе грязевого вулкана «Новосибирск» проведена в 2002 г. глубоководным гидролокатором бокового обзора (ГБО) с частотой 30 кГц и акустическим профилографом с частотой 5 кГц в системе СОНИК-3, одноканальным непрерывным сейсмоакустическим профилированием (НСП) с источником звука «воздушная пушка «Ship 3л»». Работы выполнялись с борта научно-исследовательского судна (НИС) «Г.Ю. Верещагин» в ходе совместных бельгийско-российских экспедиций. ГБО двигался на глубине в 100–150 м над дном. За один проход судна ГБО давал информацию о поверхности дна в полутенях с горизонтальным разрешением 35 см полосой, ширина которой составляла до 1.5 км. Профилограф зондировал донные отложения под курсом судна на глубину до 100 м ниже дна в зависимости от типа осадка, с вертикальным разрешением до 10 см. Проникновение НСП составило >500 м в донные отложения ниже дна, при вертикальном разрешении 2–3 м.

Первые высокоразрешающие батиметрические данные этого района получены многолучевым эхолотом (МЛЭ) ELAC SeaBeam 1050 с частотой 50 кГц в 2009 г. с борта НИС «Титов». МЛЭ имел максимальный угол полосы 120°. Запись данных осуществлялась с помощью программы Hydrostar ONLINE, а первоначальная обработка данных производилась с помощью Hdpe и HDPE Post от компании «L3 Communications ELAC Nautik GmbH». Дальнейшая обработка данных и визуализация осуществлялись с помощью программного комплекса IVS 3D Fledermaus. Среднее разрешение в районе исследования по горизонтали не превышало 40 м, по вертикали – 30 см [Cuylaerts et al., 2012]. В 2019 г. была выполнена дополнительная съемка самого вулкана МЛЭ Konengsberg EM710S [Khabuev et al., 2020].

Геологическое опробование проводилось с 2005 по 2019 г. гравитационными ударными трубками длиной до 5 м и весом до 800 кг. Диаметр керна составлял 98 мм. В работе использовано 30 кернов, полученных в рамках совместных российско-японских экспедиций «Multi-phase Gas Hydrate Project» и экспедиций ЛИН СО РАН при выполнении государственного задания.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Морфология дна. Грязевой вулкан «Новосибирск» находится в центральной части Средней котловины озера на краю поднятого блока разлома Гидратный [Khlystov, 2019; Solovyeva et al., 2020; Khabuev et al., 2020; Vidishcheva et al., 2021]. К данному разлому приурочены еще пять гидратоносных структур [Khlystov et al., 2022; Seminsky et al., 2022], включая грязевые вулканы «Ухан», «Санкт-Петербург-2» и «Санкт-Петербург-3», открытый в 2022 г. (рис. 1, а). Все они осложняют как рельеф дна на поднятом и опущенном блоках, так и эскарп самого разлома. В районе грязевого вулкана «Новосибирск» эскарп разлома Гидратный представляет собой уступ высотой 60 м с азимутом простирания СВ 60° и углом падения 19° на юго-западе и 15° на северо-востоке от грязевого вулкана.

По батиметрическим данным грязевой вулкан «Новосибирск» выражен в рельефе дна положительной возвышенностью овальной формы с максимальным диаметром 700 м. Вершина поднятия неровная, имеет углубление (кратер) диаметром 450 м, глубиной 15–20 м [Khabuev et al., 2020]. Максимальная высота вулкана над дном достигает 15 м, увеличивая высоту уступа разлома до 75 м. По гребню кратера имеются понижения в его восточной, юго-восточной и юго-западной части с максимальной глубиной до 5 м, шириной до 200 м. В районе юго-восточного понижения на эскарпе разлома расположен выступ, являющийся южной частью грязевого вулкана. Крутизна выступа круче уклона уступа разлома на 4–8° и доходит до 23°. На батиметрической схеме хорошо видны вышеописанные элементы рельефа (рис.1, б). Также на южном склоне вулкана и у подножья уступа разлома, напротив грязевого вулкана, благодаря изменению интенсивности сигнала обратного рассеивания (тени) на мозаике ГБО прослеживаются крутые стенки каньонов и оползневых тел (рис.1, в).

На профилограмме (линия профиля 2002-04) тело грязевого вулкана представлено акустически прозрачным (немым) типом сигнала. На контакте с грязевым вулканом нижние рефлекторы слоистого разреза изогнуты, верхние примыкают к телу вулкана практически без изгиба. На юго-запад от основного «прозрачного» тела грязевого вулкана прослеживаются два акустически прозрачных слабонаклоненных слоя на глубине 15 и 25 м ниже поверхности дна, мощностью 5 и 12 м соответственно. Оба слоя налегают на слоистую часть разреза (рис. 2).

Сейсмическое профилирование. На сейсмических временных разрезах НСП грязевой вулкан «Новосибирск» характеризуется поднятием в рельефе и низкочастотным отраженным от дна сигналом. Вниз по разрезу прослеживается вертикальный подводящий канал, для которого характерна низкоамплитудная хаотическая волновая картина. На севере, в поднятом блоке, он имеет резкий и прямолинейный контакт с горизонтально залегающими рефлекторами. Южная часть вулкана перекрывает осадочную толщу на опущенном блоке и осложняет склон уступа разлома Гидратный. В опущенном блоке и грязевом вулкане по изогнутости и искажению сигнала трассируются тектонические нарушения зоны данного разлома. Вдоль одного из них проходит южная граница подводящего канала в районе подножья уступа (рис. 3).

Геологическое опробование. Грязевой вулкан «Новосибирск» геологически изучался благодаря детальному опробованию с помощью гравитационных труб с 2005 по 2019 г. В работе использовано 30 основных кернов, характеризующих все типы осадконакопления района и грязевого вулкана. Керны отобраны вне склона конуса и на нем, гребне и внутри кратера грязевого вулкана. Десять из них (см. рис. 1) представляли собой типичный байкальский разрез поверхностного слоя донных отложений озера: сверху вниз вскрыт алевритово-пелитовый, диатомовый ил с окисленной (коричневой) верхней частью голоценового возраста, ниже – плейстоценовая серая алевритовая глина. Типичные осадки располагались по периферии кратера и на внешней стороне конуса грязевого вулкана, за исключением восточной стороны. Оставшиеся 20 кернов (белые точки) отобраны внутри кратера и имеют в своем разрезе интервалы с грязевулканической брекчией (см. рис. 1, б, в; рис. 4). Такой интервал представлял собой неслоистую, перемешанную текстуру осадка, где в однородной алевритисто-глинистой матрице серого цвета хаотично располагались угловатые или окатанные обломки плотной и сухой глины размером от первых миллиметров до пяти сантиметров. Кроме того, пять кернов содержали газовые гидраты в виде линз и прослоев. Скопления газовых гидратов перекрыты донными отложениями мощностью более 0.7 м без окисленной части. Ближе к центру и напротив понижения с востока и юго-востока грязевулканическая брекчия перекрыта слоем диатомового ила всего в несколько сантиметров (рис. 4).

4. ОБСУЖДЕНИЕ

Детальный анализ батиметрических и сейсмических данных в сочетании с мозаикой ГБО и профилограммой 2002 г. подтвердил и детализировал выявленные ранее элементы строения грязевого вулкана «Новосибирск» и окончательно показал, что он имеет классическую форму подводных морских грязевых вулканов. На поверхности дна он выражен крупным конусом с кратером наверху. Ниже дна, по данным НСП и профилографа, имеет подводящий канал, характеризующийся «немыми» (прозрачными, однородными) интервалами в сейсмической записи. Как и у морских грязевых вулканов, подобный сейсмический рисунок указывает на то, что канал грязевого вулкана «Новосибирск» сложен газонасыщенной грязевулканической брекчией [Cuylaerts et al., 2012; Khabuev et al., 2020]. Погребенные потоки-излияния у морских вулканов часто образуют на глубине ответвления от основного тела вулкана (структура «елка» (сhristmas tree)) [Dimitrov, 2002; Mazzini, Etiope, 2017]. Подобный тип сейсмоакустического сигнала и рисунок отмечены на записях профилографа через грязевой вулкан «Новосибирск» в виде слоев 1 и 2 на поддонной глубине 15 и 25 м (см. рис. 2). Наличие погребенных немых слоев, идущих от основного тела вулкана, является доказательством растекания потоков грязевулканического материала в прошлом. И это указывает на неоднократность его извержений, время которых можно оценить, исходя из средней скорости осадконакопления в этом районе. Мощность слоистого разреза выше слоев 1 и 2 составляет 15 и 25 м. Если принять среднюю скорость осадконакопления для Средней котловины 50 см за 1000 лет [Colman et al., 1996], то время излияний первого и второго потоков, т. е. время активизаций, можно оценить ориентировочно около 30 и 50 тыс. лет назад соответственно. Изгиб нижней части слоистого разреза рядом с телом грязевого вулкана свидетельствует о начальной стадии прорыва или новом мощном импульсе грязевулканического процесса – о выдавливании материала с глубины к поверхности дна. Отсутствие подобных изгибов в верхней части разреза не отрицает его активизаций в последующие времена, а говорит о мелкомасштабности, маломощности (короткий слой 2) поступления грязевулканического материала по уже существующим каналам внутри тела грязевого вулкана.

Отмеченные на склоне вулкана каньоны (мозаика ГБО, см. рис. 1, в) могут быть каналами растекания грязевулканических потоков в прошлом или начавшейся эрозии этих потоков в настоящем. Каньон и оползни в подножье уступа связаны с тектонической активностью разлома. Четкие границы говорят о молодости их образования и указывают на нестабильную обстановку осадконакопления вблизи грязевого вулкана. Все это может служить косвенным доказательством связи тектонической активности разлома и вулкана. Явным свидетельством недавней (голоцен – современное время) активизации грязевого вулкана «Новосибирск» является: 1) характер распределения грязевулканической брекчии на бровке и внутри кратера грязевого вулкана; 2) перекрытие брекчии современным диатомовым илом слоем в несколько сантиметров; 3) наличие скоплений газовых гидратов (см. рис. 1, б, в; рис. 4). Если бы активизация происходила в доголоценовый период, то газовые гидраты растворились бы без подпитки газом, восходящим с глубины. Также грязевулканическая брекчия была бы погребена под слоем как голоценового диатомового ила, так и плейстоценовой алевритистой глины, накопившихся в пелагической части озера, как это произошло на гребне кратера и внешнем склоне конуса грязевого вулкана. Кроме того, по данным гидрологов ЛИН СО РАН, в 2019 г. над вулканом «Новосибирск» наблюдалась разгрузка газа в виде факела на эхограмме (устное сообщение Макарова М.М.), а в районе вулкана отмечалась повышенная концентрация метана и его гомологов [Vidishcheva et al., 2021]. Таким образом, все это свидетельствует о выдавливании грязевулканической массы в центральной части жерла вулкана не позднее голоцена и продолжающихся сопутствующих процессах грязевого вулканизма (дегазация грязевулканического потока) в настоящее время.

Как было сказано ранее, на Байкале реализуется особый, байкальский тип грязевого вулканизма, который связан с разложением скоплений газовых гидратов на нижней границе их стабильности из-за подвода тепла по разломам, т.е. обусловленный тектонической и геотермической активностью района [Khlystov et al., 2019], поэтому вполне закономерно можно утверждать, что любая активизация грязевого вулканизма на Байкале является свидетельством активности зон тектонических нарушений Байкальской впадины на том или ином его участке. Оценочное время извержений грязевого вулкана «Новосибирск», наличие свежих каньонов и оползней около грязевого вулкана позволяют говорить о возможной активизации тектонических процессов и подъеме теплого флюида с глубинной части осадочного разреза к поверхности дна озера на одном из сегментов разлома Гидратный несколько десятков тысяч лет назад и в голоцене.

Подводящий канал и ответвления, немые записи в сейсмическом сигнале, конус и кратер в батиметрии дна, грязевулканическая брекчия, газонасыщенность и газовые гидраты в геологическом разрезе являются отдельными или групповыми элементами гидратоносных грязевых вулканов не только вдоль разлома Гидратный, но и вдоль остальных грязевулканических структур на дне Байкала [De Batist et al., 2002; Khlystov, 2006; Cuylaerts et al., 2012; Khlystov et al., 2019; Khabuev et al., 2020]. Таким образом, грязевой вулкан «Новосибирск», являясь по форме и строению аналогом морских грязевых вулканов и совмещая в себе все элементы грязевых вулканов озера, может быть опорной одиночной гидратоносной структурой грязевулканического типа для оз. Байкал.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Комплексные исследования грязевого вулкана «Новосибирск» подтвердили наличие в его строении большинства элементов, присущих морским грязевым вулканам. Он также обладает всеми элементами других байкальских грязевых вулканов, что позволяет считать его опорным гидратоносным грязевым вулканом оз. Байкал.

Совокупность геологических и дистанционных методов исследования грязевого вулкана «Новосибирск» позволила оценить время его извержений в позднем плейстоцене (около 30 и 50 тыс. лет назад), а также в голоцене. Находки грязевулканической брекчии практически на поверхности дна внутри кратера свидетельствуют о недавнем излиянии (активизации) в ходе поступления теплого флюида с глубин к корням вулкана по трещинам в зоне разлома Гидратный, согласно модели байкальского типа грязевого вулканизма.

Дальнейшее исследование и мониторинг морфологии и геологии всех гидратоносных грязевых вулканов Байкала являются важной задачей для возможной оценки тектонической и геотермической активности Байкальской впадины в прошлом и настоящем.

6. ЗАЯВЛЕННЫЙ ВКЛАД АВТОРОВ / CONTRIBUTION OF THE AUTHORS

Авторы внесли эквивалентный вклад в подготовку рукописи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.

Both authors made an equivalent contribution to this article, read and approved the final manuscript.

7. РАСКРЫТИЕ ИНФОРМАЦИИ / DISCLOSURE

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, связанного с этой рукописью.

Both authors declare that they have no conflicts of interest relevant to this manuscript.