Воронки газового выброса. Что мы знаем о них?

В 2014 году на полуострове Ямал было обнаружено новое мерзлотно-геологическое образование, которое получило название воронка газового выброса (рис.1). Кратер сразу стал предметом пристального внимания со стороны ученых и широких слоев общества. Причиной этого стало его местоположение в районе с относительно развитой инфраструктурой вблизи Бованенковского месторождения (в 30 км к югу от Бованенковского НГКМ и менее чем в 5 км от газопровода Бованенково – Ухта). Несмотря на близкое расположение к магистральному газопроводу, взрыв был спровоцирован не антропогенным воздействием. Однако из-за близости к инфраструктуре формирование воронок относится к опасным геокриологическим процессам и требует изучения. Ямальская воронка была подробно описано в ряде публикаций сразу же после ее обнаружения [1, 2, 3].


Рис.1. Ямальский кратер (фото А. Луценко).

К нынешнему моменту учеными исследовано около 20 кратеров, которые расположены на полуостровах Ямал и Гыдан. Несмотря на большой интерес к воронкам газового выброса со стороны различных групп исследователей, проблема их происхождения однозначно ещё не решена. Причиной этого является недостаточное количество полевых данных, т.к. в целом воронки газового выброса это новое и «молодое» образование и изучается менее 10 лет, также период существования кратера короткий и редко превышает 2-3 года (воронка постепенно заполняется водой и превращается в озеро), ко всему этому воронки зачастую находятся в труднодоступных отдаленных местах [4].

Проанализировав материалы исследований воронок газового выброса, можно сделать следующие обобщения:

1. Все кратеры приурочены к так называемым «теплым» ландшафтам (стык хасырея - спущенной озерной котловины и нижней части склона, берег озера, пойма реки, долина ручья и др.)

2. Для всех кратеров характерная круглая форма. Размер поперечного сечения составляет 10-20 м, глубина – 20-70 м.

3. Все кратеры сформированы в высокольдистых породах или породах, включающих пластовые льды (вскрываются в стенках воронок или в выброшенном материале).

4. Вокруг всех кратеров обнаружен бруствер кольцевой форму (разброс грунта). Радиус бруствера может превышать 120 м, это говорит о высоком давлении при взрыве.

5. Практически на всех участках непосредственно перед взрывом было зафиксировано наличие бугров пучения высотой 3-7 м. Время существование бугров составляло от 2 до 70 лет.

6. Все анализы газа из кратеров показали наличие метана в составе.

7. Практически все кратеры заполнились водой и превратились в озера через два-три года после взрыва.

Ученые, объектом исследования которых являются воронки газового выброса, едины во мнении о том, что появление кратеров обусловлено выбросами подземного газа. Однако, не существует единой точки зрения на счет механизма формирования воронок, а также генезиса газа, спровоцировавшего взрыв. По генезису газ может быть катагенетическим (то есть глубинным), биохимическим или смешанным [5].

Воронки газового выброса формируются в мёрзлых породах газонасыщенных зон с повышенным давлением газа. Основные гипотезы формирования таких зон:

1. Всестороннее промерзания таликов (полностью зависящее от поверхностных условий) [6];

2. Поступление газа из нижележащих пород в поверхностные слои (зависящее от глубинных источников) [7];

3. Разложение газогидратов, содержащихся в толще мёрзлых пород (причины могут быть, как поверхностные, так и глубинные) [8];

4. Совместного взаимодействие промерзающего талика и связанного с ним канала поступления глубинного газа [9].

5. Однако проанализировав различные гипотезы формирования кратеров, можно выделить следующие общие для всех теорий положения:

6. Причиной взрывов является внутригрунтовый газ, находящийся под значительным давлением;

7. Все гипотезы базируются на представлении о стадийности процессов подготовки естественных взрывов (рис.2, рис.3);

Отмечается роль теплового фактора в создании условий для возникновения газонасыщенной зоны в мёрзлых породах. Происходит или охлаждение при промерзании таликов [6], или повышение температуры мёрзлых пород при разложении содержащихся в них газогидратов [8], или прогрев мёрзлых пород поступающими снизу теплыми глубинными газами [10].

Рис. 2. Промерзание подозерного талика и образование бугра пучения: (А) талик под озером; (B) боковое промерзание талика при обмелении озера; (С) формирование промерзающего замкнутого талика; (D) рост бугра пучения [6].

 

Рис.3. Комплексная схематическая модель формирования воронок газового выброса. Обозначения: 1 — лед, 2 — вода, 3 — талая порода в зоне разлома (талик), 4 — талая переотложенная порода, 5 —мерзлые породы (включая активный слой), 6 — газ, 7— восходящие и нисходящие потоки воды (а) и газа (и) по разлому, 8 — восходящие потоки газа в водной толще и атмосфере, 9 — разлом [7].

Таким образом, в настоящее время существует не менее четырех основных гипотез возникновения воронок. Однако, учитывая, что обнаруженные воронки газового выброса возникают в различных мерзлотно-геологических условиях и на разных элементах рельефа, вероятно, существует не один общий для всех кратеров принцип их формирования, а несколько. То есть механизмы подготовки взрывных процессов соответствуют разнообразию геологических, тектонических и ландшафтных условий. Поэтому исследования каждой новой воронки представляет большой интерес и ценность для понимания причин и механизмов образования кратеров.

Для того, чтобы избежать или частичность уменьшить риски, связанные со спонтанными газовыми взрывами, ученые разрабатывают методы прогнозирования образования кратеров. Одним из подходов к решению данной задачи является дешифрирование космоснимков для составления схем условного риска газовых выбросов и обнаружения уже возникших воронок и растущих бугров пучения, при этом не только на территории суши, но и на дне термокарстовых озер и морском шельфе. Составление такой базы данных занимается В.И. Богоявленский с коллегами [10] (рис.4). 

Рис.4. Схемы распространения кратеров выбросов газа на суше полуострова Ямал и зон дегазации из термокарстовых озер с кратерами на дне (1), плотности распространения зон дегазации из озер с кратерами на дне (2), условного риска мощных выбросов газа (3) и распределение концентрации метана по данным спектрометра ТКОРОМ1 спутника Sentinel-5Р (4). Обозначения: 1 — кратеры выбросов газа С1, С2, С9, С11 и С12; 2 — озера с кратерами на дне; 3 — озеро Открытие; 4 — населенные пункты; 5 — участки детальных исследований (В — Бованенковский, SТ — Южно-Тамбейский, NТ— Северо-Тамбейский, N — Нейтинский, S — Сеяхинский, NS — Северо-Сеяхинский, WS — Западно-Сеяхинский, YR — Еркутинский); 6 — месторождения углеводородов, 7 — нефтепровод; 8 — газопровод Бованенково-Ухта; 9 — железная дорога. Картографическая основа — ESRI [10].

Другой формой решения является составление схематических карт районирования криолитозоны по условиям существования газогидратных образований в толщах мерзлых пород, подобно той, что составлена Е.М. Чувилиным с соавторами [11] для севера Западной Сибири (рис.5).

Таким образом, воронки газового выброса являются одними из самых ярких явлений, связанных с газонасыщенными многолетнемерзлыми породами. В стабильных условиях мерзлые породы могут существовать длительное время. Но при нарушении равновесных условий (повышение температуры, сброс внешнего давления и др.) в мёрзлых породах формируются зоны высоконапорных, т. е. обладающих аномально высоким пластовым давлением, природных газов. При этом не имеет значения происхождение самого газа. Также могут различаться причины, обусловливающие развитие аномально высоких давлений газа: климатический разогрев многолетнемерзлых пород; промерзание замкнутых таликов; локальный прогрев под поверхностными водоемами; движение под напором глубинных газовых флюидов. Однако главным условием образования воронок газового выброса является нарушение равновесия между прочностью перекрывающих газонасыщенную зону мерзлых пород и давлением газа.

Автор: Волкова Н.В.

Список литературы

1. Богоявленский В.И., Мажаров А.В., Пушкарев В.А., Богоявленский И.В. Выбросы газа из криолитозоны полуострова Ямал. Предварительные результаты экспедиции 8 июля 2015 г // Бурение и нефть, 2015, № 7-8, с. 8-13.

2. Кизяков А.И., Сонюшкин А.В., Лейбман М.О., Зимин М.В., Хомутов А.В. Геоморфологические условия образования воронки газового выброса и динамика этой формы на Центральном Ямале // Криосфера Земли, 2015, т. 19, № 2, с. 15–25.

3. Оленченко В.В., Синицкий А.И., Антонов Е.Ю., Ельцов И.Н., Кушнаренко О.Н., Плотников А.Е., Потапов В.В., Эпов М.И. Результаты геофизических исследований территории геологического новообразования “Ямальский кратер” // Криосфера Земли, 2015, т. 19, № 4, с. 94–106.

4. Геосистемы газонасыщеннных многолетнемёрзлых пород: науч. кол. моногр. / Ответственный редактор д. г.-м. н. Зыков Ю.Д.. М.: Геоинфо, 2021, 288 с.

5. Хименков А.Н., Сергеев. Д.О., Власов А.Н., Волков-Богородский Д.Б. Взрывные процессы в области распространения многолетнемерзлых пород − новый вид геокриологической опасности // Геоэкология: инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2019, №6, с. 30-41.

6. Buldovich S.N., Khilimonyuk V.Z., Bychkov A.Y., Ospennikov E.N., VorobyevS.A., Gunar A.Y., Gorshkov E.I., Chuvilin E.M., Cherbunina M.Y., Kotov P.I., Lubnina N.V., Motenko R.G., Amanzhurov R.M. Cryovolcanism on the earth: Origin of a spectacular crater in the Yamal peninsula (Russia) // Scientific reports. 2018. Vol. 8.

7. Богоявленский В. И. Фундаментальные аспекты генезиса катастрофических выбросов газа и образования гигантских кратеров в Арктике // Арктика: экология и экономика, 2021, т. 11, № 1, с. 51—66.

8. Хименков А. Н., Сергеев Д. О., Станиловская Ю. В., Власов А. Н., Волков– Богородский Д. Б. Газовые выбросы в криолитозоне, как новый вид геокриологических опасностей // Геориск, 2017, № 3, с. 58-65.

9. Chuvilin E., Sokolova N., Davletshina D., Bukhanov B., Stanilovskaya Ju., Badetz C., Spasennykh M. Conceptual Models of Gas Accumulation in the Shallow Permafrost of NorthernW est Siberia and Conditions for Explosive Gas Emissions // Geosciences. 2020, 10, 195

10. Богоявленский В.И., Сизов О.С., Никонов Р.А., Богоявленский И.В., Каргина Т.Н. Дегазация Земли в Арктике: генезис природной и антропогенной эмиссии метана // Арктика: экология и экономика, 2020, №3, с. 39-56.

11. Чувилин Е.М., Давлетшина Д. А., Лупачик М.В. Гидратообразование в мерзлых и оттаивающих метанонасыщенных породах // Криосфера Земли, 2019, т. 23, № 2, с. 50–61