Залежи полезных ископаемых, залегающих под поверхностными осадками континентального шельфа

Водная толща океана и современные осадки надежно защищают континентальные шельфы от эрозии. Однако если отвлечься от этих не очень значительных особенностей, то в целом можно считать, что континентальные шельфы мира имеют немало общих черт геологического строения и геоморфологии со смежными областями материков, частью которых они в действительности являются. В 1953 г. Международная комиссия по номенклатуре форм рельефа океанского дна определила континентальный шельф как "зону, простирающуюся вокруг континента от линии самой низкой воды до глубин, на которых крутизна подводного склона резко увеличивается". В целом данное определение является адекватным. Однако существуют такие участки, где наблюдается по крайней мере два перегиба склона, прежде чем произойдет резкое изменение крутизны перед областью больших глубин. Подобные нарушения в рельефе склона известны близ восточного побережья юга США. Таким образом, помимо отмеченного в приведенном выше определении континентального шельфа увеличения крутизны внешней части шельфа, обычно упоминают и о границах глубин, на которых произошел перегиб склона. На одной из конференций ЮНЕСКО после длительного обсуждения была принята максимальная глубина шельфа, равная 600 м, или 300 фатомов (Shepard, 1959).

Почти непрерывно происходит изменение соотношений высотных отметок уровня океана и континентов. По сравнению с современным уровнем в недавнем геологическом прошлом уровень океана то понижался, то повышался. Огромные количества воды были связаны в материковые ледники в эпоху оледенения. В результате уровень моря в общем понизился примерно на 150-500 футов (Shepard, 1963). В те периоды континентальные шельфы были в значительной мере обнажены для протекающих на материках процессов рудообразования. И так как породы, залегающие под поверхностными осадками континентальных шельфов, имеют немало общего с соответствующими образованиями смежных материков, то есть все основания считать, что в этих породах заключены те же полезные ископаемые, что и в примыкающих к ним материковых массах.

На континентах залежи руд различных металлов встречаются обычно близ контактов изверженных пород, в зонах трещиноватости и в пределах интрузий. Можно ожидать, что рудные месторождения будут найдены и в аналогичных по строению участках континентального шельфа. Но поскольку в последних развиты главным образом осадочные породы, то, по-видимому, количество рудных залежей среди них окажется значительно меньшим. Выявление рудных месторождений в зоне континентального шельфа связано с известными трудностями, если для этого применяются геофизические, геологические и геохимические методы, обычно используемые на суше. В морских условиях стоимость оценочно-поискового бурения в несколько раз превышает стоимость разведочных работ на континенте. Такое же положение и с затратами на горнорудные работы, если в условиях моря применяются традиционные методы добычи металлических полезных ископаемых.

Рис. 26. Схематический разрез соляного купола. Нефтяные ловушки образуются по периферии соляного штока вследствие взламывания и волочения вверх осадочных пород при движении соляной массы. К куполовидным поднятиям надсолевой толщи также часто бывают приурочены коллекторы нефти. В кейпроке одного из таких соляных куполов и располагается серная залежь Гранд-Айл.

Легко растворимые минералы, например сода, добываются на суше путем выщелачивания их из вмещающих пород. При использовании этого метода в прибрежно-морской обстановке стоимость добычи увеличивается примерно вдвое. Высокие затраты в начальный период разработки морского месторождения будут существовать до тех пор, пока не будет создана соответствующая технология эксплуатации. Подводные методы добычи испытываются, в частности, в процессе эксплуатации серной шахты Гранд-Айл в Мексиканском заливе. Это месторождение было обнаружено при поисках нефтеносных структур в кейпроке соляного купола.

Соляные купола представляют собой цилиндрические тела относительно небольшого сечения в поперечнике по сравнению с их вертикальными размерами. Они формируются в результате направленного вверх выдавливания глубоко погруженного пласта соли. Под действием значительных давлений вышележащих слоев соль подвергается пластическим деформациям и перемещается вверх по ослабленным зонам, в частности по разрывным нарушениям верхних пластов.

При подъеме соляной массив прорывает надсолевые слои, растягивая их по периферии купола; в результате образуются так называемые нефтяные ловушки. Кроме того, в процессе формирования соляного купола слои, располагающиеся над соляным штоком, приподнимаются и изгибаются, создавая на вершине соляного массива куполовидные структуры, в которых может также накапливаться нефть (рис. 26). Так как плотность соли значительно ниже плотности вмещающих пород, то выявление соляных куполов нередко осуществляется по материалам гравиметрической съемки. Весьма удовлетворительные результаты при поисках погребенных структур дает также применение сейсморазведки. На рис. 27 показаны места нахождения ряда куполов в области побережья Мексиканского залива. Один из таких куполов, обнаруженный "Хамбл ойл компани", залегает под толщей осадков Голф, мощностью 2000 футов, примерно в 7 милях мористее Гранд-Айла (Луизиана), причем глубина в этой части Мексиканского залива составляет около 15 футов. При бурении на нефть в известняках, покрывающих соляной купол, обнаружены значительные залежи серы. Мощность содержащих серу пород варьирует в пределах 220-425 футов, а площадь их развития достигает нескольких сотен акров. По запасам серы это месторождение является третьим в США.

Рис. 27. Карта Мексиканского залива с соляными куполами (показаны жирными точками) и участками нефтепроявлений на дне залива. Полагают, что под дном Мексиканского залива залегает продуцирующий соляные купола пласт соли огромной протяженности от прибрежных районов Техаса и Луизианы до перешейка Теуантепек. Таким образом, вся эта территория является перспективной для поисков нефти (Pepper, 1958).

При эксплуатации месторождения Гранд-Айл компания "Фрипорт салфер" применяет несколько модифицированный метод Фраша. В предложенном компанией варианте пресная вода заменена нагретой до 350° F морской водой, которую под давлением закачивают по внешней трубе в серную залежь, где она вызывает плавление серы. Расплавленная сера выдавливается на поверхность по трубе, вставленной в первую. Таким образом, движение серы к устью скважины частично происходит под действием давления воды, нагнетаемой в залежь. Вместо того чтобы производить перекачивание серы, на всем пути ее подъема по центральной трубе к подошве сероносного пласта подается сжатый воздух. В результате происходит уменьшение плотности столба серы, что и позволяет сере преодолевать оставшийся отрезок пути до поверхности. Рис. 28 иллюстрирует процесс Фраша. На поверхности серу отделяют от воздуха и в расплавленном состоянии перекачивают на берег по обогреваемому подводному трубопроводу.

Рис. 28. Схематический разрез серной скважины, эксплуатируемой методом Фраша. В скважину опущено три концентрические трубы, вставленные одна в другую. По наружной трубе в серную залежь закачивается перегретая вода, которая вызывает плавление серы. По центральной трубе к подошве сероносного пласта подается сжатый воздух. Давлением последнего расплавленная сера по внутренней трубе выдавливается на поверхность.

Для разработки серного месторождения Гранд-Айл было спроектировано и построено крупнейшее из когда-либо воздвигаемых в океане стальное сооружение стоимостью около 30 млн. долл., имеющее общую протяженность примерно 0,5 мили и высоту над водами Мексиканского залива более 60 футов. Конструкция эстакады предусматривает ее устойчивость к ураганам, которые периодически разражаются в этом районе. На эстакаде монтируется все необходимое оборудование. На базовой площадке размещаются помещения для обслуживающего персонала и площадка для посадки вертолетов, перевозящих людей и необходимые для работы грузы. Ежедневно нагревательная система и турбогенераторы промысла расходуют более 13 млн. куб. футов газа. Подробное описание горнорудных особенностей эксплуатации месторождения Гранд-Айл можно найти в работах Баума (Baum, 1960), Хэнсона (Hanson, 1958), Ли (Lee, 1960) и Палмера (Palmer, 1960).

Многие из рассматривавшихся выше типов соляных куполов были открыты в районе побережья Мексиканского залива. Однако лишь 10% из 250 разбуренных куполов заключали залежи серы. В эксплуатацию же было передано около 12 куполов. Имеются все основания полагать, что и в морских условиях, пригодных для промышленной разработки, окажется примерно тот же процент соляных куполов. Однако пройдет еще некоторое время, прежде чем выяснится вопрос о рентабельности эксплуатации шахты на Гранд-Айл; кроме того, крайне трудно оценить разрушающее воздействие ураганов на воздвигнутые в море сооружения.

Рис. 29. Эксплуатационная установка Гранд-Айл ('Фрипорт салфер компани'), смонтированная в море на стальном острове.

Промысел находится в открытом море, в 7 милях от Гранд-Айл (Луизиана). Стоимость эстакады составляет 30 млн. долл., не считая стоимости производственных помещений водонагревательной установки, компрессоров, различного горнодобывающего оборудования и квартир для 120 человек обслуживающего персонала. В верхней части V-образной конструкции размещены буровые установки и эксплуатационные платформы. По мере отработки одних участков залежи ведется непрерывное направленное бурение в новые участки. Показанная в левой части снимка платформа используется для бурения скважин, цель которых разгрузить залежь от избытка воды. Добытая сера перекачивается на берег по затопленному обогреваемому трубопроводу.

Помимо серы, из соляных куполов добывают также соль. Однако как источник соли такие купола не представляют серьезной ценности, поскольку этот минеральный продукт можно получить и из осадочных месторождений, и путем выпаривания самой морской воды. Крайне сомнительно, чтобы когда-либо возникла необходимость добывать соль из соляных куполов открытого моря.