Феноменологическая модель формирования воронок газового выброса на примере Ямальского кратера.

Работа выполнена: при финансовой поддержке РФФИ (грант 17-05-00294 ), в части структурных исследований и лабораторного моделирования; и в соответствии с государственным заданием рег. № АААА-А18-118022190065-1 от 21/02/2018 в части изучения природных условий и разработки сценариев.

Введение

Несмотря на то, что образованию воронок газового выброса посвящены десятки, а может быть и сотни публикаций, проблема их происхождения ещё далека от своего разрешения. Причиной этого является неполнота исходных материалов, кратковременность истории изучения (исследования начались с 2014 г), отсутствие разработанной теории (или теорий). Такое положение усугубляется ещё и тем обстоятельством, что часто исследователи не утруждают себя необходимостью обосновывать свои предположения комплексом фактических материалов, а останавливаются на декларации своей позиции. Наша подход заключается в том, что при решении вопроса о генезисе данных образований, в первую очередь следует рассматривать фактические данные о их морфологии, составе, структуре, выявлять, процессы которые могли их сформировать, условия при которых реализуются эти процессы и только потом предлагать гипотезы происхождения воронок газового выброса. В условиях ограниченного знания об объекте, наиболее продуктивным направлением в выявлении формирующих его процессов, является построение феноменологической модели. Этот класс моделей базируется на описании фиксируемых внешних явлений (феноменов), проявляющихся в морфологии, тестурно-структурных особенностях, вещественном вещественном составе и др. Модель, построенная на фиксации данных показателей, является качественной и не позволяет производить расчёты, строить прогнозы, но с её помощью удаётся получить общие представления о внутренних связях объекта и истории его развития. Феноменологическая модель является хорошей основой для разработки полноценной гипотезы. Данная статья посвящена построению феноменологической модели наиболее изученной воронки газового выброса – Ямальского кратера. Для этого будут рассмотрены материалы исследований различных авторов, вне зависимости от того, какой гипотезы происхождения данных объектов они придерживаются. Мы не будем приводить описания Ямальского кратера, поскольку это уже сделано в многочисленных ранее опубликованных работах ^{[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]}.

Строение Ямальского кратера

Наибольшей трудностью при изучении Ямальского кратера является практически полное отсутствие материала (за исключение небольших фрагментов), составляющего его центральную часть. В этих условиях, наиболее информативным является изучение строения его стенок. Установлено, что стенки слагают слоистые ледогрунтовые породы с субвертикальной ориентировкой слоистости (рис. 1) ^{[4, 6]}. Толщина слоистого ледогрунтового слоя, окаймляющего кратер около 2-3 м.

а

б

Рис. 1. Ямальский кратер, вид сверху. Штриховкой обозначено направление субвертикальных слоёв в зоне, прилегающей к стенкам кратера, сплошной линией нижняя граница деятельного слоя: а) Фото В. В. Оленченко, июль 2014 г.; б - июль 2015 (скриншот с видео) ^[10], 26 июля 2015.

На рис. 2 изображена слоистость льда в стенке кратера в месте перегиба от воронкообразной верхней части к вертикальной цилиндрической.

Рис. 2. Субвертикальная слоистость льда окаймляющего Ямальский кратер. Скриншот с видео. ^[11] июль 2014 г.

Образцы льда, отобранные в зоне слоистого льда и проанализированные Э.И. Галеевой с соавторами ^[12], показали, что слоистость обусловлена вязкопластическим течением льда. Деформации сдвига приводят к деформации льда пластовой залежи, формированию вертикального штока с многочисленными складками, вторичной слоистости (кливажа) ориентированной под углом до 60°к горизонтально залегающей первичной слоистости. Изучение структуры слоистого льда Ямальского кратера показала чёткое деление льда на слои толщиной около 1,5 см, Кристаллы в слоях удлинённые, ориентированы длинной стороной в направлении общей слоистости (рис. 3) ^[12].

Рис. 3. Структура зоны слоистого льда окаймляющего Ямальский кратер: слева - структура слоистости; справа - то же, в поляризованном свете ^[12]

Следует учесть, что на месте Ямальского кратера перед взрывом сформировался бугор пучения высотой около 7 м, возраст которого по дендрологическим данным составляет около 70 лет. Таким образом, можно определённо утверждать, что в субстрате, подстилающем бугор, возникали напряжения, приводящие к его перемещению по направлению к земной поверхности (рис. 13). Строение стенок кратера указывает на то, что материал перераспределялся преимущественно в результате пластических деформаций и течения льда и ледогрунта. На фоне общего движения вверх, на локальных участках, вследствие неравномерности нагрузок, происходило изменение давлений, скоростей перераспределения и направления движения материала и как следствие развитие пластических и разрывных деформаций (рис.4, 5, 6, 7, 13).

Рис. 4. Пластические деформация мерзлых пород в средней части зоны вертикально ориентированной слоистости. Ямальская воронка июль 2014. Фрагмент фотографии М. О. Лейбман ^[3]

Рис. 5. Пластические деформации льда в нижней части зоны с ветрикальной

слоистостью. Фото В.В. Оленченко июль 2014 г.

Свидетельством значительных нагрузок в породах, слагающих стенки кратера являются зоны хрупких разрушений с образованием оперяющих трещин по которым проникали газовые включения (рис. 6) обнаруженных А.И. Кизяковым при иссдедовании стенок кратера в ноябре 2014 г.

Рис. 6. Стенка кратера. Лед разбит трещинами с грунтовыми и газовыми включениями. От основной трещины (сплошная красная линия), расходится серия оперяющих трещин (штриховые красные линии) ^[13]. Фото. А. И. Кизякова

Иногда пластические и разрывные деформации встречаются вместе (рис. 7).

Рис. 7. Пластические и разрывные деформации в верхней части

Ямальского кратера. Фото А. В. Лупачёва

Значительные деформации льда были обнаружкны не только в стенках кратера , но и поблизости от него. В скважине расположенной в 5 м севернее стенки кратера (рис. 8, 9), с глубины 5.8 м и до 17м был вскрыт пластовый лед, имеющий слабо выраженную субвертикально ориентированную слоистость, образованную прослоями разных оттенков за счет гуминовых кислот, с множеством газовых включений (см. рис. 8, 9). Кристаллы льда деформированы, разбиты многочисленными трещинами. По отношению к оси керна угол наклона слоѐв составляет около 80о, и стабильно выдержан по глубине разреза. Кроме большого содержания газа, лед включает в себя ксенолиты дисперсных горных пород в виде небольших агрегатов и зѐрен. Криогенное строение в непосредственной близости от стенки Ямальского кратера свидетельствует о том, что здесь льдонасыщенная порода подвергалась значительным нагрузкам, а также внедрениям газа и минеральных частиц по трещинам ^[7].

Рис. 8. Пластовый лед вблизи стенки кратера на разрезе перпендикулярном оси керна. Повышенное содержание пузырьков газа и минеральных включений приурочено к трещинам. Фото В. З. Хилимонюк ^[7]

Рис. 9. Лёд сильно деформирован вертикально ориентированные трещины за счёт газовых и минеральных включений. Прослеживаются цепочки вытянутые в вертикальном направлении. Иллюстрация к докладу. Фото В. Хилимонюк ^[7]

Летом 2015 года окрестности Ямальского кратера были обследованы экспедицией МГУ, возглавляемой В.З. Хилимонюк. Вблизи кратера были пробурены 7 скважин глубиной от 10 до 17 м, находящихся на различном расстоянии от кратера. В скважинах, отстоящих на некотором расстоянии от кратера, криогенное строение значительно отличается. Для скважины расположенной в 30 м от кратера на хасырее характерна слоистая и линзовидно-слоистая криогенная текстура с прослоями ледогрунтов с атакситовой и брекчиевидной криогенной текстурами. Высокая льдистость практически не изменяется по разрезу скважины. Авторы делают вывод о сингенетическом типе формирования криогенных пород на хасырее . Для скважины пробуренной в 40 метрах от кратера на склоне криогенное строение типично для эпигенетически промерзающих суглинистых водонасыщенных пород и представляет из себя чередование сетчатых и слоистосетчатых криотекстур ^[7]. Материалы исследований В. Хилимонюк показывают, что криогенное строение мёрзлых пород вблизи кратера резко отличаются от строение сопредельных участков. Возникает вопрос, что же обусловило формирование на локальном участке газонасыщенного ледогрунтового тела с вертикальной слоистостью, и со следами многочисленных пластических и разрывных деформаций. Исходя из особенностей рассмотренного криогенного строения пород слагающих стенки кратера и близлежащих участков к источником силового воздействия может быть отнесён поступающий снизу газ, находящийся под значительным давлением. Вопросы связанные с выделением газа в многолетнемёрзлых породах будут рассмотрены ниже. Здесь же мы проанализируем материалы, указывающие на наличие газовых потоков (рис. 10). В нижней части кратера обнаружена серия гротов, в ледяных стенках которых наблюдается густая сеть изгибающихся, ветвящихся лент, соответствующих каналам газовых флюидов, направленных по углом 60-70º к центру кратера. Здесь же встречаются шарообразные образования с повышенным содержанием газовых включений. В большинстве случаев ленты обтекают шарообразные образования, образуя разнообразные складчатые формы (рис. 10 в). Газовые флюиды подходят к вертикальным стенкам, где соединяются с серией ячеек неравномерно распределёееых по всей поверхности кратера (рис. 10 б).

а

б

в

Рис. 10. Газовые флюиды в стенках грота в нижней части Ямальского кратера. а) общий вид кратера и грота; б) зона контакта газовых флюидов с ячеистой структурой на стенке кратера; особенности строения газовых флюидов (стенка грота). Фото В. Пушкарёва (ноябрь 2014 г).

Газовые образования в мерзлых породах, слагающих стенки кратера, имеют разную морфологию в зависимости от местоположения. В нижней части кратера газовые они реализуются преимущественно в виде отдельных изгибающихся и ветвящихся струй. Выше они переходят в серии отдельных плоских газовых пузырей, залегающих согласно вертикальной слоистости. Следы газовых пузырей неравномерно распространены по всей поверхности стенок кратера (рис. 10 а). На протвоположной стенке наблюдается аналогичное распределение (рис. 11). Следы газовых пузырей образуют вертикально ориентированные цепочки или изометричные скопления. Оставшийся после взрыва, и поэтому доступный для изучения, слой газонасыщенного слоистого ледогрунта, имеет небольшую мощность (первые метры). Если в 2014 году он прослеживается практически на всей поверхность кратера (рис. 10а, 11), то к середине лета 2015 произошло его практически полное оттаивание (рис. 12). Лишь на одном участке сохранился фрагмент газонасыщенного деформированного льда соответствующего центральной части кратера (рис. 13). Это свидетельствует о том, что зона газонасыщенного ледогрунта лишь незначительно превышает границы кратера. Стенки кратера, являются периферией существовавшего до взрыва геологическое тело. Можно обоснованно предположить, что само тело, представляет из себя газонасыщенный, сильно дислоцированный ледогрунтовый шток диаметром около 15 метров и высотой около 50 м.

Рис. 11. Ячеистый лёд в стенке Ямальского кратера. Фотография сделана в июле 2014 г. Фото В. И. Богоявленского^[14]

Рис. 12. Тот же участок кратера, что и на рис. . Деформация первичных пород, вмещающих Ямальский кратер. Июль 2015 Скриншот с видео. ^[10] 26 июля 2015 г.

На рис. 13 показано строение мёрзлых пород на оставшемся после взрыва участке бугра пучения. В центральной части фотографии виден фрагмент газонасыщенного ледогрунтового штока, деформирующего первичную слоистость перекрывающих мёрзлых пород.

Рис. 13. Куполовидная деформация первичной слоистости над газонасыщенным ледогрунтовым штоком. Скриншот с видео «тайна Ямальского кратера» ^[10] 26 июля 2015 г.

Обзор работ по лабораторному моделированию процессов аналогичных процессам, протекающим при формировании Ямальского кратера. Моделирование вязкопластичного движения.

Для понимания процессов происходящих при формировании вертикальной слоистости вокруг стенок Ямальского кратера воспользуемся результатами исследования вулканических процессов. Часто вокруг подводящих каналов в кратере вулканов формируются зоны узких вертикальных слоёв - кольцевых даек (рис. 14). Кольцевые дайковые серии обусловлены вертикально направленным движением, соответственно вызванным понижением или повышением давления в вулканическом очаге ^[15].

Рис. 14. Блок-диаграмма конических залежей (/) и взаимоотношение напряжений с коническими залежами и кольцевыми дайками (по Е. Ш. Хиллсу)

Подобные напряжения должны возникать при давлении, указанной стрелкой. Тонкие сплошные (а) и пунктирные (b) линии представляют собой траектории главных напряжений; (с). Сколовые трещины типа d, имеющие небольшое или даже обратное (е) падение ^[15].

Для анализа напряжений возникающих при движении пластической массы воспользуемся моделью вязко-пластического движения материала продавливаемого вверх через канал круглого сечения ^[16]. На рис. 15, 16 показаны результаты лабораторного моделирования движения вулканической массы через цилиндрический канал. На рис. 15 показана картина деформации первоначальной квадратной сетки линий в осевом сечении экспериментальной модели; на рис. 16 – ориентация осей главных пластических деформаций. На рис. 17. пунктирные линии указывают направление главных необратимых деформаций на последней стадии течения вулканической массы, когда она охладилась ниже температуры плавления и стала высоковязким пластическим телом ^[16].

Рис. 15. Деформация прямоугольной сетки линий после проведния эксперимента по определению направлений главных деформаций в медленно движущейся пластчной массе, продавливаемой через узкое ответстие ^[16]

Рис. 16. Ориентация направлений главных деформаций

в пластической массе, продавливаемой через канал ^[16].

Рис. 17. Идеализированный разрез Драконовой горы на Рейне.

- - - - кривые, соединяющие наиболее предпочтительные направление

главных необратимых деформаций ^[16]

Хорошо видно, что в пластичной массе, продавливаемой через цилиндрический канал, развиваются деформации, и формируются текстуры, аналогичные образованиям, сформированным в стенках Ямальского кратера. Проведённые В.И. Соломатиным эксперименты, в которых на массив льда оказывалось локальное ориентированное давление, при возможности бокового расширения, по нормали к действующему усилию, показали развитие структур, аналогичных описанным выше. Возникающее течение выдавливания формирует структуры макрофлюидального полосчатого сложения со слоистым расположением минеральных и газовых включений ^[17].

Формирование кольцевой слоистой структуры вокруг кратера обусловлено продавливание ледогрунта через сформированный в массиве многолетнемёрзлых пород цилиндрический канал. Структурно-текстурные особенности строения стенок кратера указывают на то, что перед взрывом на месте Ямальского кратера располагался газонасыщенный ледогрунтовый массив в виде штока. Шток, двигающийся вверх, неравномерно деформировал первичную слоистость вмещающей сильнольдистой породы (рис. 12, 13).

Моделирование взрывного процесса

Формирование и выпучивание дислоцированного газонасыщенного ледогрунтового штока заканчивается взрывом ^[9]. Для лучшего понимания процессов, происходящих при взрывном образовании воронок газового выброса, воспользуемся предложенной М. А. Алидибировым (1998) моделью вулканического взрыва как двухстадийного процесса. На стадии подготовки, в жерле вулкана формируется пористое газонасыщенное магматическое тело. Резкая декомпрессия, вызывает фрагментация (дробление) ледогрунта, высвобождение потенциальной энергии сжатых газов и выброс продуктов дробления в атмосферу. Взрывная волна разгрузки, постепенно продвигаясь вглубь массива, слой за слоем разрушает пористый материал. Расширение газа в сторону области низкого давления приводит к выбросу продуктов дробления в атмосферу. Причём, чем ниже будет зона разрушения, тем энергичнее будет дробиться материал и дальше выбрасываться обломки. При быстром сбросе внешнего давления процесс газоотделения не играет существенной роли. Время релаксации напряжений оказываются значительно больше чем время разрушения. Процесс послойного разрушения происходи в течении нескольких секунд. При этом, само разрушение магмы носит хрупкий характер ^[18].

Предложенный М. А. Алибердовым механизм взрыва можно проиллюстрировать результатами лабораторных опытов: на лавах (рис. 18) и рыхлых материалах (рис. 19). После резкого снятия давления формируется последовательно увеличивающаяся сеть горизонтально орииентированных пор, микро и макро трещин, последовательно проникающих вгрубь материала.

Рис. 18. Система вытянутых пор, микро и макротрещин в гранитном расплаве, формирующихся при быстром сбросе давления, скорость сброса 2500 атм/сек. ^[19]

Рис. 19. Динамика слоя стеклянных шариков при быстром сбросе давления ^[20]

Процессы, наблюдаемые при формировании Ямальского кратера аналогичны, процессам при вулканических взрывах. При разрушении бугра пучения и декомпрессии в ледогрунтовом штоке насыщенным, находящимися под давлением, газовыми включениями начинается послойное разрушение и выброс материала. В результате в толще многолетнемёрзлых пород образуется цилиндрическая полость глубиной около 50 м. В нижней часть полости располагается зона каверн и гротов, соответствующая зоне диссоциации газогидратов. В верхней части Ямальского кратера формируется конусообразное расширение, соответствующее скалывающим напряжениям при первичном взрыве.

Природные условия, влияющие на формирование Ямальского кратера. Формирование растеплённых зон под поверхностными водоёмами.

Низкотемпературные многолетнемёрзлые породы в естественных условиях газонепроницаемы. Тем не менее, в результате внешних воздействий и при определенных условиях в них могут формироваться газопроницаемые зоны. Одним из главных условий для этого является повышение температуры до значений близких к фазовым переходам. В природе наиболее эффективным "нагревателем" являются поверхностные водоёмы. Они обеспечивают как быстрый прогрев многолетнемёрзлых пород при своём появлении, так и быстрое возвращение в первоначальное температурное состояние при осушении. В случае формирования несквозного талика под водоёмом формируется двучленное строение температурного поля. Непосредственно под водоёмом породы имеют положительные температуры (талик), ниже залегают растеплённые высокотемпературные мёрзлые породы.

Приведём данные американских исследователей по температурам пород под озером Иллисарвик, расположенного в дельте р. Маккензи. Размер озера 300 х 600 с максимальной глубиной 4,5 метра. Среднегодовая температура мёрзлых пород в районе озера находится в диапазоне -8 - -10 °С. Мощность мерзлоты – 400 – 600м. В глубоководной части озера граница талых пород залегает на глубине около 24 м, ниже залегают мёрзлые породы температура которых понижается и глубине около 90 м достигает -3 °С ^[21].

Морфология растеплённых зон

Геофизические исследования таликовых зон показали, что под озёрами формируются зоны пониженных скоростей в виде перевёрнутых конусов. Они прослеживаются в глубину на сотни метров, то есть глубоко проникают в толщу многолетнемёрзлых пород. Пониженные скорости связываются авторами с увеличением содержания незамёрзшей воды, возрастанием количества газовых пузырьков, а для засолённых грунтов появлением свободной минерализованной воды (криопэгов) ^[22]. Очевидно, что все эти изменения характерны для всех многолетнемёрзлых пород, залегающих под поверхностными водоёмами в криолитозоне. При локальном прогреве поверхностным водоёмом в многолетнемерзлых породах начинают происходить объемные тепловые деформации с появлением трещин, возникают дефектные зоны по границам кристаллов, увеличивается содержание незамёрзшей воды, газовые включения, расширяясь, образуют каналы между собой. Прочность мерзлых пород и льдов уменьшается, увеличивается пористость, формируется достаточно развитая система фильтрационных каналов, связывающих между собой поры. Всё это увеличивается газопроницаемость многолетнемёрзлых пород. Локальный нагрев как бы "рыхлит" ранее газонепроницаемую толщу.В зоне растепления формируется «единое фильтрационное пространство», в котором поры и каналы соединены между собой. Данное пространство вложено в массив низкотемпературных газонепроницаемых многолетнемёрзлых пород. Таким образом, ещё до появления источника газа, в толще многолетнемёрзлых пород формируются локальные условия для образования газонасыщенной зоны. Зоны нагрева под водоёмами не только подготавливают мерзлые породы к возможности проникновения в них флюидов, но и обуславливают форму того пространства где возможны эти процессы. То есть канал цилиндрической формы с повышенными температурами мёрзлых пород, так же формируется зоной прогрева ещё до поступления газа.

Формирование зон аномально высокого давления в многолетнемёрзлых породах

Для метана, при температурах в диапазоне 268,15 К (–5 °С) ÷ 273,15 К (0 °С) равновесное давление в системе газ — вода (лед) — гидрат находится в диапазоне 2,2 – 2,6 МПа (рис. 20) ^[23].

Рис. 20. Линии трехфазного равновесия «метан – вода – гидрат» и «метан – лед – гидрат». Пунктирная линия – метастабильное равновесие «метан – переохлажденная вода – гидрат» ^[23].

В естественных условиях газ, содержащийся в субаквальных осадках, состоит в основном из метана с примесью диоксида углерода. Поэтому реальное равновесные значения будут отличаться (рис. 21 ).

Рис. 21. Линии трехфазного равновесия «газ – вода (лед) – гидрат структуры I» для метана, диоксида углерода и их смесей. Состав газовой фазы: I – 100% CH₄, II – 75% CH4 + 25% CO₂, III – 50% CH₄ + 50% CO₂, IV – 25% CH₄ + 75% CO₂, V – 100% CO₂. Точки на линиях – четырехфазное равновесие «газ – вода – лед – гидрат» ^[23]

Из графика видно, что промерзание в замкнутых условиях максимально возможное давление составляет около 2,6 МПа, и оно ограничивается началом процесса гидратообразования ^[23]. Приведённые данные позволяют оценивать давления, возникающие при диссоциации газогидратов разного состава в случае нарушения равновесных условий.

В современных морях газоназонасыщенные осадки широко распространены. Свободный газ в отложениях верхней части разреза современных морских отложений имеет в основном биогенную природу. По составу это преимущественно (более 95%) метан с примесью СО2 и других газов. Иногда в морских осадках формируются мини-ловушки, которые представляют собой прослои песчаного состава, перекрытые сверху и снизу слабопроницаемыми глинисто-суглинистыми образованиями. В этих зонах скопления газа могут находиться под давлением в диапазоне 0,5-3,0 МПа. При снижении внешнего давления и/или повышении температуры газ, скопившийся в «мини-ловушках» или связанный в газогидратных залежах, расширяется. Это вызывает смятие и выжимание к поверхности вмещающих и вышележащих отложений. При бурении наблюдаются выбросы газо-водяной смеси, насыщенной взвешенными грунтовыми частицами. В большинстве случаев выбросы происходят в диапазоне глубин от 20 до 50 м ниже поверхности дна ^{[24, 25]}. При промерзании неконсолидированных засолённых газонасыщенных морских отложений создаются условия для формирования в них скоплений газогидратов. По оценкам Булдовича давление 1,5 МПа и температур ниже -1,4 ºС достаточно для образования стабильных углекислых газогидратов ^[26].

При промерзании морских отложений формируются незамёрзшие линзы минерализованных вод (криопэги) имеющие гидравлический напор (таблица)

Таблица 1. Обобщённые характеристики криопэгов в пределах Харасавэйского и Бованенковского ГКМ ^[27].

Криопэги преимущественно приурочены к песчаным горизонтам. Но песчаные слои в глинистой толще являются одновременно зоной накопления газов. Таким образом, на небольших глубинах (до 100 м) в промерзающих водонасыщенных осадках формируются зоны, где присутствуют газы (в основном метан и углекислый газ бактериального происхождения) вода и создаются достаточно высокие давления, обеспечивающие формирование газогидратов при эпигенетическом промерзании осадков или в криопэгах. Если учесть, что песчаные горизонты играют значительную роль в формировании внутригрунтовых пластовых залежей подземного льда, то становится понятной парагенетическая связь залежей газогидратов, пластовых льдов и криопэгов, отмечаемая для Ямальского кратера ^[6]. Приведённые материалы показывают, что обратный процесс – локальный прогрев многолетнемёрзлых пород, может приводить к диссоциации газогидратов и обеспечивает возможность формирования необходимых давлений для образования газовых флюидов, а также пластических деформаций и течения ледогрунтов.

Формирование единого фильтрационного пространства

Область, включающая в себя зону разогрева многолетнемёрзлых пород под поверхностным водоёмом, и зону диссоциации газогидратов формирует область «единого фильтрационного пространства», резко отличающуюся от окружающих низкотемпературныз многолетнемёрзлых пород. Газ появляется и заполняет «единое фильтрационное пространство» в том случае, когда в зоне теплового воздействия оказываются гидратосодержащие многолетнемёрзлые породы и нагрев достигает значений, выводящих их из устойчивого термодинамического состояния. В гидратосодержащих многолетнемёрзлых породах при диссоциации наблюдается увеличение порового пространства, в результате чего ранее практически непроницаемые породы могут становиться проницаемыми. В этом случае начинается диссоциация газогидратов с выделением большого объёма газа и запускаются рассмотренные выше процессы. После начала диссоциации газогидратов формируется непрерывный фильтрационный поток, в котором газовый флюид из области с большим давлением (зона диссоциации), по зоне нагрева фильтруется в область с меньшим давлением (как правило, по направлению к поверхности). Неустановившееся «единое фильтрационное пространство» неоднородно, в различных его частях возникают градиенты давления, обеспечивающие фильтрационный массоперенос в мёрзлой породе. Проникновение газа, находящегося под давлением, в зону высокотемпературных многолетнемёрзлых льдистых пород, вызовет их неравномерную деформацию и выдавливание вверх. Проникая в трещины газовый флюид оказывает силовое воздействие на стенки, что приводит к их расширению ^[28]. В лабораторных условиях в образцах с высокой гидрато- и льдонасыщенностью в результате диссоциации газопроницаемость возрастает на порядок ^[29]. Состав газов в Ямальском кратере.

С самого начала исследований, было установлено повышенное содержание метана в озере, образовавшемся в кратере ^[3]. Изотопный состав метана в воде озера приуроченного к кратеру свидетельствует о его бактериальном происхождении ^[30]. По данным М.О. Лейбман, И.Д.Стрелецкой и др., ^{[30, 6]} в отложениях слагающих его стенки также отмечается высокое содержание метана. В последующие 3 года наблюдений содержание метана в воде остается высоким, намного превышающим показатели окружающих озёр ^[30]. Изучение содержания метана в различных геолого-генетических типах мерзлых четвертичных отложений Западного Ямала (где располагается Ямальский кратер) показало, что наибольшее содержание метана характерно для глинистых глубоководных поздненеплейстоценовых отложений морского генезиса (до 6,7 мл/кг) и в пластовых льдах (до 10, 2 мл/кг) ^[31]. В верхнем 6 – 8 метровом слое пород Ямальского кратера наблюдается повышенное содержание углекислого газа ^{[25, 32]}. Можно предположить, что наличие этого горизонта связано с формированием подозёрного талика, впоследствии промёрзшего.

Феноменологическая модель формирования Ямальского кратера

Рассмотренные выше материалы позволили авторам сформулировать общее представление об истории развития Ямальского кратера. Данное образование является конечным этапом саморазвития флюидодинамической геосистемы, сформировавшейся при совместном действии процессов напорной фильтрации газа и пластического течении ледогрунта ^{[8, 9, 33]}. Приведём основные положения предлагаемой концепции.

1. Исходной точкой, вызвавшей все последующие события, является локальный прогрев толщи многолетнемёрзлых пород. Под поверхностным водоёмом формируется талик и зона растепления мёрзлых пород с более высокими отрицательными температурами, чем в окружающих многолетнемёрзлых породах. Под действие локального нагрева под поверхностным водоёмом в мерзлых породах, происходит повышение температуры в пределах отрицательных значений. В области локального прогрева ММП под озёрами температуры многолетнемёрзлых пород находятся в диапазоне -1 - -3 °С.

2. После того, как температуры в слое газогидратов залегающих на глубине 60-80 м ^[5], превысят значения, обеспечивающие их устойчивое состояние, начинается процесс диссоциации с выделением метана. с начальным давлением 2,2 – 2,6 МПа ^[23]. Изучение в лабораторных условиях разложения газогидрата при повышении температуры показало что в мерзлых засоленных глинистых грунтах массовое разложение метастабильных гидратов может происходить даже при незначительных повышениях температуры (-6,75 до – -6,57 ^оС т.е. всего на 0,04 ^оС) ^[34].

3. Газ, находящийся под давлением, начинает фильтроваться в наименее прочные мёрзлые породы высокотемпературной зоны, одновременно деформируя. Между фильтрацией газов и пластическими деформациями устанавливается парагенетическая связь, обуславливающая саморазвитие геосистемы. Газ под давлением проникает в мёрзлую породу, что значительно ослабляет её прочность и вызывает пластическим деформациям льда. Появившиеся трещины и дислокации ускоряют фильтрацию газа. Отвод газа (за счет фильтрации) стимулирует процесс диссоциации газогидратов и выравнивает давления газа до прежнего уровня. Данный процесс поддерживает высокое давление в фильтрующихся газовых пузырьках. Постепенно, в области единого фильтрационного пространства формируется ледогрунтовый газонасыщенный шток пронизывающий массив многолетнемёрзлых пород. По всей высоте штока давление в пузырьках газа будет соответствовать значения, наблюдающимся в зоне диссоциации. Высокое давление в массиве многолетнемёрзлых пород с одновременным давлением снизу приведёт к движению ледогрунтового штока. При этом, как в штоке, так и в контактирующих слоях вмещающих пород формируются зона кольцевых трещин, ориентированных параллельно потоку. Данная зона является дополнительным каналом поступления газа в верхние горизонты.

4. При общей вертикально ориентированной слоистости в строении стенок кратера наблюдается повсеместное присутствие различного рода деформаций, свидетельствующих о неоднородных и разнонаправленных локальных процессах, формирующих структуры выдавливания, течения, внедрения и др. (рис. 4, 5, 7, 10, 11). П.А. Шумский такое строение связывает с «течением выдавливания во льду», возникающим под влиянием ориентированного давления с возможностью бокового расширения. «… оно сопровождается интенсивным складкообразованием с возникновением макрофлюидального полосатого сложения, заметного обычно только по расположению прослоек минеральных включений или воздушных пузырьков» ^{[35, с. 367]} Данная особенность строения стенок кратера связана с общей спецификой вязкопластического течения льда, при котором периодически накапливаются напряжения, превышающие его упругость, в результате возникают локальные срывы, вдоль которых отдельные слойки льда проскальзывают по соседним. Такие послойно-дифференцированные пластические течения местами сопровождаются скачкообразным изменением скорости движения. ^[36]

5. Широкое распространение вогнутых округлых углублений, формирующих вертикально ориентированные цепочки (рис.11) или большие изометричные скопления (ячеистий лёд) (рис. 10 а, 11), связаны со спецификой деформации газовых включений в мерзлых грунтах при ориентированном давлении. В этом случае наблюдается сплющивание воздушных пузырьков, которые приобретают форму дисков, ориентированных перпендикулярно направлению давления ^[35]. В движущемся льде происходит миграция и слияние отдельных газовых пузырьков. ^[17]. Зона повышенного давления, формирующаяся в движущемся ледогрунтовом газонасыщенном штоке, формирует слоистую кольцевую структуру, являющуюся каналом проникновения газа. Сплющенные пузырьки газа мигрируют по слоям вверх, объединяются и в итоге формируют наблюдаемое в стенках кратера распределение форм следов газовых ячеек.

6. Движение газонасыщенной ледогрунтовой массы вверх приводит к пластическим деформациям верхнего слоя талых пород, его выпучиванию и промерзанию. В результате формируется низкотемпературный газонепроницаемый, прочный 6-8 метровый слой перекрывающий растущий бугор пучения.

7. После того, как пластические деформации мерзлой кровли достигнут определённого предела, происходит её разрыв и снятие давления (декомпрессия) в верхней части штока. Давление в газовых включениях насыщающих ледогрунт значительно превосходит атмосферное, но недостаточно, для того чтобы выбросить ледогрунтовый материал за пределы кратера с глубины 60 м ^[9]. Поэтому взрывной процесс начинается с верхней части штока, и последовательно, но быстро, слой за слоем проникает вниз. Окружающие многолетнемёрзлые низкотемпературные породы, не подвергшиеся растеплению, и обладающие большей прочностью, в данный процесс, включены не будут.

9. В ходе формирование Ямальского кратера наблюдается серия сменяющих друг друга стадий (рис. 22), каждая из которых отличается индивидуальным набором парагенетических процессов и присущих им образований. Особенности развития геосистемы на каждой из стадий, подготавливает и во многом определяет её эволюционирование на следующей.

I стадия Появление озера над многолетнее мёрзлыми породами, содержащими пластовую залежь подземного льда. Под озером формируется талик мощностью около 6-8 м ^[7]. Ниже располагаются льдистые породы и пластовая залежь подземного льда. Температура многолетнемёрзлых пород, залегающих под поверхностным водоёмом и таликом находится в диапазоне -1 - -3 ºС, что выше, чем в окружающих толщах, В растеплённой зоне увеличивается газопроницаемость, уменьшаются прочностные характеристики, увеличивается пористость, появляются многочисленные дефекты сплошности. Поровое давление здесь соответствует гидростатическому .

II стадия Зона растепления в многолетнемёрзлых породах достигает слоя газогидратов, залегающий на глубине свыше 60 м (поровое давление около 0,7 МПа). При нагревании газогидратов начинает развиваться процесс их диссоциации сопровождающегося выделением газа (метана), находящегося под давлением около 2 – 3 МПа. В этих условиях выделившийся газ, находящийся под таким давлением, не может выбросить перекрывающую толщу мёрзлых пород, но может фильтроваться сквозь неё.

Газовые флюиды в виде отдельных струй газа начинают проникать в наименее прочную область, каковой является зона высокотемпературных многолетнемёрзлых пород (пластовых льдов). Отжатие газа из зоны диссоциации приводит к понижению давление в ней с последующим восстановлением за счёт продолжающегося разложения газогидатов.

III стадия В результате воздействия газа, находящегося под давлением в зоне высокотемпературных многолетнемёрзлых пород (пластового льда) реализуется два парагенетически связанных процесса: фильтрация газа, и вязкопластическое течение льда и ледогрунта. Общее направление движение газа и льда ориентировано вверх. Неравномерные напряжения вызывают локальные изменения направлений фильтрации газа, а также пластических и разрывных деформаций во льду. Это определяет наличие преобладающей вертикальной слоистости и локальных разнонаправленных дислокаций. В результате фильтрации газа и течения льда в мёрзлой породе, формируется шток, состоящий из слоистого сильно деформированного газонасыщенного льда. Давление в газовых включениях пронизывающих шток соответствует давлению, развиваемому в зоне диссоциации газогидратов. Высота образовавшегося штока около 50 м, диаметр около 15 м. Формирующийся ледовогазовый шток выпучивает вышележащий талый слой грунта, который по мере обмеления водоема промерзает и формирует слой низкотемпературной газонепроницаемой кровли. В дальнейшем, над газонасыщенным ледяным штоком образуется бугор пучения.

IV стадия После того, как предел прочности мёрзлой кровли будет преодолён, происходит её разрыв и резкий сброс давления. Расширение газа в газонасыщенном дислоцированном штоке, приводит к послойному выбросу ледогрунтового материала (механизм описан выше).

Последовательность смены стадий развития Ямальского кратера приведена на рис 22.

Рис. 22. Стадии развития Ямальского кратера (I, II, III, IV)

Обозначения: 1 — покровный горизонт; 2 — слой льда между талыми и мёрзлыми породами; 3 — мерзлый газонасыщенный ледогрунт со следами пластических деформаций ; 4 —инфильтрационно-сегрегационный лёд; 5 — газонепроницаемая кровля ММП; 6 — зона повышения температуры в ММП под озером; 7 — ММП вне отепляющего воздействия озера; 8 — слой гидратосодержащих ММП; 9 — зона разуплотнения в слое гидратосодержащих ММП, примыкающая к кратеру; 10 — направление движения флюидов; 11 — газовые флюиды; 12 — гроты и каверны в нижней части кратера; 13 — озеро; 14 — кратер, сформировавшийся после выброса газонасыщенного ледогрунта; 15 — талик; 16 – субвертикальная слоистость в мёрзлой породе и льде. (оформление Д. Волкова)

Заключение

Ямальский кратер, является примером полного законченного жизненного цикла саморазвития геосистемы, представляющей из себя локальную, газонасыщенную зону многолетнемёрзлых пород. Прослежены все стадии её развития, от подготовки условий, выражающихся в повышении температуры многолетнемёрзлых пород под поверхностным водоёмом и нарушения термодинамического равновесия в зоне залегания газогдратов, до конечного разрушения и выброса пород при взрыве. Выделены границы геосистемы, рассмотрены её морфология, строение, процессы, обуславливающие её развитие.

Рассмотренная феноменологическая модель формирования Ямальского кратера является лишь частным случаем, отражающим конкретные условия развития воронок газового выброса. Газ, содержащийся в многолетнемёрзлых породах может отличаться по генезису: подмерзлотные глубинные катагенетические газы, биохимические газы, образующиеся в результате жизнедеятельности в талых и мёрзлых породах, газы образующие при диссоциации газогидратов и др.). Различаются причины, обуславливающие развитие аномально высоких давлений газа, такие как: климатический разогрев многолетнемёрзлых пород; промерзание замкнутых таликов, локальный прогрев многолетнемёрзлых пород под поверхностными водоёмами; движение под напором глубинных газовых флюидов и др. Разнообразные геологические условия (состав, строение, условия и глубина залегания и др.) обусловливают строение формирующихся геосистем, динамику, стадии и жизненный цикл их развития.

В каждом отдельном случае следует рассматривать отдельный сценарий развития геосистемы приводящей к формированию (или не приводящей) воронки газового выброса. Для примера рассмотрим несколько сценариев, связанных с разложением газовых гидратов. Один и тот же процесс в различных природных условиях приведёт к различным результатам.

При незначительном и кратковременном повышении температуры, диссоциация газогидратов может быстро закончиться в результате самоконсервации. В результате в ММП может сформироваться зона повышенной пористости за счёт небольших газовых полостей.

При достаточной глубине и ширине озера газ выделившийся при диссоциации может не накапливаться в ММП а выделяться из подозёрного талика. Это наблюдается на многих озёрах Ямала ^[37]. Выделение газа наблюдается от нескольких месяцев до нескольких лет, но без взрыва, поскольку есть возможность свободного выхода газа.

Если скорость нарастания давления небольшая и кровля успевает деформироваться, то формируются бугры пучения, выраженные в рельефе. При быстром возрастании давления область пластических деформаций может быть слабо выраженной;

Рост давления при диссоциации газовых гидратов может возрастать быстро. После того как давление в полости превысит прочность кровли происходит выброс, особенно если газогидратный слой залегает на небольшой глубине (20-30 м). При этом возможны различные варианты: от небольшого взрыва без образования бугра пучения до образования большого многолетнего бугра, предшествующего пневматическому выбросу мерзлой кровли. Наличие бугров пучения определяется скоростью происходящих внутригрунтовых процессов. Если давление будет возрастать достаточно быстро, то бугра может и не быть. В конечной фазе миграции сквозь многолетнемёрзлые породы газ или высачивается в атмосферу, преимущественно через таликовые зоны и поверхностные водоёмы или накапливается под приповерхностными низкотемпературными газонепроницаемыми мёрзлыми породами. Во втором случае повышение давление выше предела прочности пород вызывает взрыв сжатого газа. Разброс обломков породы достигает десятки, а иногда и сотни метров. Если взрыв сжатого газа сопровождается его возгоранием (а такие случаи отмечены), то сила взрыва многократно усиливается.

В случаях, когда в промерзающих таликах содержится достаточно большое количества газа, то воронки газового выброса могут образоваться по типу формирования гидролакколитов. При боковом промерзании происходит криогенная сепарация и концентрация газа в линзе воды подстилающей многолетний бугор пучения. В ядре всестороннего промерзания могут формироваться газогидраты. Большое содержание газа приводит при взрыве выбросу многолетнемёрзлых пород кровли и подстилающей её воды ^{[25, 32]}.

В настоящее время ещё недостаточно знаний для построения единой теории образования такого сложного и многообразного класса явлений, какими являются воронки газового выброса. Несомненно, что потребуются нетривиальные и инновационные подходы, не укладывающиеся в русло традиционных представлений существующих в геокриологии. В частности решение может быть найдено в рамках концепции флюидодинамических геосистем в криолитозоне ^{[33, 38]}.