Глубинные и поверхностные факторы формирования локальных газонасыщенных зон с аномально высоким давлением газа и воронок газового выброса в мёрзлых породах

Хименков Александр Николаевич кандидат геолого-минералогических наук ведущий научный сотрудник, Институт геоэкологии РАН 101000, Россия, г. Москва, Уланский ппроезд, 13, стр. 2 Khimenkov Aleksandr Nikolaevich PhD in Geology and Mineralogy Leading Scientific Associate, the Institute of Geoecology of the Russian Academy of Sciences 101000, Russia, Moskva oblast', g. Moscow, ul. Ulanskii Proezd, 13, stroenie 2 a_khimenkov@mail.ru Другие публикации этого автора

Станиловская Юлия Викторовна Специалист по взаимодействию интфраструктуры и мёрзлых пород, Тоталь 101000, Россия, г. Москва, ул. Лесная, 7 Stanilovskaya Julia Viktorovna Permafrost Infrastructure Interaction Specialist, Total 101000, Russia, Moscow, Ulanskii Pereulok Street 13 e-mailyulia.stanilovskaya@total.com Другие публикации этого автора

Работа выполнена в рамках государственного задания: № 122022400105-9 по теме «Прогноз, моделирование и мониторинг эндогенных и экзогенных геологических процессов для снижения уровня их негативных последствий».

Введение

Зоны аномально высокого давления в мёрзлых породах, в последние годы, привлекают повышенное внимание исследователей. Это связано с многочисленными выбросами газа и авариями при бурении мёрзлых пород, а также с обнаруженными на севере Западной Сибири воронками газового выброса. В настоящее время накопился значительный объём данных о проявлении естественных взрывных процессов в многолетнемёрзлых породах, приводящих к формированию воронок газового выброса. Число обследованных воронок к настоящему времени приближается к 20. Если проанализировать предложенные гипотезы их генезиса, то можно заметить несколько общих положений. Во-первых, все они исходят из того, что причиной естественных взрывов является внутригрунтовый газ, находящийся под значительным давлением ^{[1, 2, 3, 4, 5]}. Во-вторых, все гипотезы базируются на представлении о стадийности процессов подготовки естественных взрывов, ^{[4, 5, 6, 7]}. В-третьих, везде отмечается роль теплового фактора в создании условий для возникновения газонасыщенной зоны в мёрзлых породах. Происходит или охлаждение, при промерзании таликов ^[5], или повышение температуры мёрзлых пород при разложении содержащихся в них газогидратов ^[4], или прогрев мёрзлых пород поступающими снизу теплыми глубинными газами ^{[6, 7]}. В случае повышения температуры мёрзлых пород, в них активизируется комплекс внутренних процессов: увеличивается количество незамёрзшей воды, уменьшается механическая прочность, начинается объёмное тепловое расширение газовой составляющей, возрастает фильтрационная способность, начинают разлагаться газогидраты, в засолённых грунтах увеличивается количество криопэгов и др. При понижении температуры и направленном промерзании талых пород возникает комплекс криогенных процессов: криогенная концентрация и локализация грунтовых вод, внутригрунтовых газов, солей. В промёрзших породах происходит уменьшение фильтрации при возрастании прочностных и деформационных свойств. Создаются условия для формирования газогидратов. Все это приводит к возникновению локальных зон концентрации свободного газа с высоким давлением или гидратосодержащих мёрзлых пород. Было высказано положение ^[4], согласно которому, в данных зонах при нагревании начинают формироваться локальные газодинамические системы, стадийное саморазвитие которых может привести в конечном итоге к взрыву и образованию воронки газового выброса. Разнородность поверхностных, геологических и тектонических условий определяют различные сценарии подготовки взрывов ^[8].

Гипотезы формирования газонасыщенных зон с повышенным давлением и связанных с ними воронок газового выброса

Изучение воронок газового выброса и связанных с ними газонасыщенных зон с аномально высоким давлением, началось совсем недавно, всего с 2014 года. Кратко рассмотрим основные гипотезы их формирования, сформулированные к настоящему времени. В статье будут использованы названия воронок газового выброса, уже утвердившиеся в научной литературе посвящённой данной теме.

Промерзание таликов

Некоторые элементы строения воронок газового выброса позволяют рассматривать их генезис с позиций, сформулированных в самом начале возникновения геокриологии, как научного направления. Это, прежде всего, касается формирования многолетних бугров пучения, предшествующих выбросам газа. Очевидно, что традиционные представления о формировании бугров за счёт всестороннего промерзания талика, формирования газонасыщенных зон и последующих пневматических взрывов, должны были реализоваться в соответствующей гипотезе. Наиболее убедительно данная гипотеза была представлена Ю. Б. Баду и К. А. Никитиным ^[9]. Ими был предложен механизм формирования газонасыщенных зон и развития взрывов газа, формирующих воронки, как конечный итог промерзания талика и образования бугра пучения по классической схеме в открытой или закрытой системе. Типичный разрез бугра пучения имеет следующее типичное строение: в верхней части залегает мёрзлый торфяной слой мощностью до 1 м, под ним залегает минеральный грунт, как правило, состоящий из слоистых озерных отложений. Мощность этого пласта сильно колеблется в пределах от одного до нескольких метров. Ниже расположен горизонт таберальных отложений (оттаявших, а затем снова промерзших). Подстилается минеральный грунт льдом, образующим своей поверхностью куполовидный свод, Мощность льда может достигать десятков метров. Скорость роста изменяется от нескольких миллиметров в год, до 0,5 м и более в год. Апикальные части льдов бывают обогащены крупными воздушными включениями, за счёт выделения воздуха при льдообразовании, в результате чего здесь образуются обширные воздушные полости ^[10]. Размеры ледяных тел изменяются в больших пределах: диаметр основания от 20 до 250 м, а высота — от 2 до 70 м. Растущие бугры часто подстилаются водяными линзами мощностью до 2 м (рис. 1) и обладающими гидравлическим напором ^[11].

Рис. 1 Схема строения растущего пинго на Севере Аляски ^[11].

Под растущим бугром пучения формируется своеобразная газовая ловушка, в которой газ насыщает водяную линзу, а после её промерзания включается в ледяное ядро. Газ в осадочных породах накапливался ещё в период их первичного формирования, и сохранялся при образовании талика. Когда слой мёрзлого грунта, формирующего верхнюю часть бугра пучения, будет разрушен силами пучения, лёд ядра обнажится и из него начинает интенсивно испаряться газ (метан). При концентрации метана в воздухе 9 –16 % бугор взрывается. При этом газ выбрасывается и воспламеняется мгновенно и из ледяного ядра, и из водоносного пласта. Авторы считают, что потенциально взрывоопасные бугры пучения формируются в конкретной геокриологической обстановке – при промерзании таликов в газонасыщенных породах только в пределах площади газоносных систем, в антиклинальных ловушках из литологической пары слоев глина –песок.

С. Н. Булдовичем с соавторами ^[5] для конкретных условий формирования Ямальского кратера предложена похожая схема, также базирующаяся на традиционных представлениях о развитии многолетних бугров пучения (рис. 2). По их мнению, бугор пучения на месте Ямальского кратера разрушился под криогенным гидростатическим давлением, накопленным в закрытой системе замерзающего талика. Это проиcходит до завершения промерзания, когда ядро не промёрзшего влажного грунта включало в себя большое количество углекислого газа, достигшего максимально возможного газонасыщения, при этом избыточное давление превысило прочность перекрывающей мёрзлой толщи. Когда многолетний бугор пучения взрывается, то формируется кратер цилиндрической формы, соответствующий оставшемуся ядру талика.

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 ^[5].

Поступление глубинного теплого газа

В. И. Богоявленским предложена модель формирования воронок газового выброса за счёт поступления по разломам в поверхностные слои мёрзлых пород глубинного теплого газа ^[6]. Согласно данной модели (рис. 3), формирование газонасыщенных полостей с высоким давлением в толщах льдистых мёрзлых пород, происходит под действием эндогенных процессов (аномальные тепловые потоки, повышенное давление, физико-химические реакции, газогидродинамические процессы) приуроченных к разломам. На начальном этапе, под действием аномального теплового потока и подачи теплого газа в зоне разлома формируется канал талой породы, подходящий снизу к льдонасыщенному верхнему горизонту мёрзлых пород. На первых трех этапах происходит интенсивное вытаивание подземных льдов снизу и расширение талого подводящего канала, по которому газ, находящийся под давлением, закачивается в образовавшуюся полость. В последующем мёрзлая кровля не выдерживает подающегося снизу давления и происходит пневматический взрыв, формирующий кратер. Утверждается, что наличие талых каналов подтока газа в полость является обязательным условием его накопления и последующего выброса (взрыва) ^[6].

Рис. 3 Комплексная схематическая модель формирования полостей в массивах подземного льда, бугров пучения и выбросов газа с образованием гигантских кратеров в криосфере Земли. Обозначения: 1 — лед, 2 — вода, 3 — талая порода в зоне разлома (талик), 4 — талая переотложенная порода, 5 — мерзлые породы (включая активный/сезонноталый слой), 6 — газ, 7 — восходящие и нисходящие потоки воды (а) и газа (b) по разлому, 8 — восходящие потоки газа в водной толще и атмосфере, 9 — разлом (субвертикальные трещины) ^[6].

Разложение газогидратов за счёт поверхностных источников тепла

А. Н. Хименковым с соавторами предложен механизм формирования газонасыщенных зон с последующим выбросом газа и образованием воронки, за счёт разложения газогидратов, при растеплении мёрзлых пород под поверхностными водоёмами (рис. 4) ^[4]. Воронки газового выброса, являются результатом саморазвития локальных газодинамических геосистем, формирующихся в толще многолетнемёрзлых пород. Подготовка взрыва происходит в несколько этапов ^[8].

1. Исходной точкой, вызвавшей все последующие события, является локальный прогрев толщи многолетнемёрзлых пород (ММП). Под поверхностным водоёмом формируется талик и зона растепления мёрзлых пород с более высокими отрицательными температурами, чем в окружающих многолетнемёрзлых породах ^[12]. 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 превысят значения, обеспечивающие их устойчивое состояние, начинается процесс диссоциации с выделением метана, с начальным давлением 2,2 - 2,6 МПа ^[13].

3. Газ, находящийся под давлением, начинает фильтроваться в наименее прочные мёрзлые породы высокотемпературной зоны, одновременно деформируя их. 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 пластические деформации 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. Движение газонасыщенной ледогрунтовой массы вверх приводит к пластическим деформациям верхнего слоя талых пород (талика), его выпучиванию и промерзанию. В результате формируется низкотемпературный газонепроницаемый прочный 6 – 8 -метровый слой многолетнемёрзлой породы, являющийся экраном для движущегося снизу газового потока. При его деформации экранирующего горизонта, под воздействием давления снизу, развивается бугор пучения.

5. После того, как пластические деформации мерзлой кровли достигнут предельных значений, происходит её разрыв и выброс ледогрунтового материала, насыщенного газом, находящимся под повышенным давлением ^{[4, 8]}.

Различные начальные условия, а также разнообразие и интенсивность протекающих в период подготовки взрыва процессов обуславливают различные сценарии развития воронок газового выброса: от выхода газа в талик (в случае глубокого существующего длительное время водоёма) до взрыва без образования бугра (в случае залегания газогидратов на небольшой глубине, и их быстрого разложения).

Рис. 4 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 ^[8].

На Севере Западной Сибири наиболее низкими температурами (-6 ÷ -8°С) отличаются мерзлые породы на возвышенных и лишенных растительности водораздельных участках морских равнин. Выше (от -2,5 до -4,5 °С) - температура на более дренированных пойменных участках, часто занятых ивняками. В нижних частях пологих подветренных склонов, а также в днищах логов, ложбин стока, оврагов, поросших густым ивняком, температура пород повышается до 0 - -4 °С. Наиболее типичные мощности сезонноталого слоя - от 0,3 - 0,8 м на торфяниках и слабодренированных оторфованных поверхностях водоразделов и пойм с осоково-моховой растительностью до 0,8 - 1,5 на дренированных участках водоразделов и пологих склонах террас с кустарничково-мохово- лишайниковой растительностью. Формирование водоёмов оказывает отепляющее влияние на многолетнемёрзлые породы. Результаты прогнозных теплотехнических расчётов показывают, что в основании водоёма с глубиной 0,5 м среднегодовые температуры многолетнемёрзлых пород в течении десятилетнего периода повышаются на 2,0 - 4,0 °С. При глубине водоёма 1,5 - 1,8 м донные грунты не промерзают в зимний период и начинается формирование талика ^[12]. Анализ материалов исследования воронок газового выброса, обнаруженных на севере Западной Сибири, показывает, что поверхностные условия могут оказывать значительное влияние на формирование воронок газового выброса. Все обнаруженные воронки приурочены к так называемым "тёплым" мерзлотным ландшафтам: вблизи водоёма (Дерябинская воронка), в хасырее (Ямальский кратер), на берегу водотока, поросшего кустарником (Еркутинская воронка), песчаных раздувах (Антипаютинская воронка), в увлажнённой ложбине (воронка обнаруженная в 2020г), под поверхностным водоёмом (Сеяхинская воронка). Сплошность ММП с поверхности нарушается нес­квозными подрусловыми и подозерными таликами. Наибольшее распространение имеют водно-тепловые талики, значительно реже радиационно-тепловые. Первые формируются и существуют под руслами рек с постоянным и сезонным стоком и под озерами, вторые приурочены к локаль­ным участкам речных пойм, днищам логов и ложбин стока.

Синтетическая гипотеза, включающая взаимодействие промерзания талика и поступление газа из нижележащих горизонтов.

Рассмотренные выше гипотезы связаны с определёнными факторами, влияющими на развитие естественных взрывных процессов в мёрзлых породах. Это: 1)теплообменные процессы в верхних горизонтах мёрзлых пород (промерзание/оттаивание), приводящие к криогенной концентрации подземных газов; 2) поступление глубинного нагретого газа в поверхностные горизонты льдонасыщенных пород; 3) разложение газогидратов, содержащихся в мёрзлых породах под воздействием поверхностных условий, прежде всего поверхностных водоёмов. Существует ряд синтетических гипотез, объединяющих поверхностные и глубинные факторы. Для объяснения развития газодинамической геосистемы от начала локализации газовой фазы, до пневматического взрыва, формирующего воронку газового выброса, подбираются отдельные механизмы. Поскольку подбор осуществляется на основе гипотетических построений, отражающих лишь предпочтение автора, их сочетание может быть самым разным. В качестве примера приведём гипотезу, предложенную Е. М. Чувилиным с соавторами (рис. 5). Она включает поверхностные факторы (формирование и промерзание подозёрного талика) и поступление глубинного газа ^[14]. Подготовка взрыва проходит через определённые стадии.

Стадия I: миграция глубокого газа через мёрзлую породу и подозёрный с последующим выбросом в атмосферу.

Стадия II: насыщение зоны всестороннего промерзания талика глубинным газом.

Стадия III: деформация перекрывающего мёрзлого слоя пород за счёт давления газа, формирование бугра пучения ^[14].

Рис. 5 Накопление газа и повышение его давления в промерзающем талике, насыщенном мигрирующим глубинным газом: (I) талик под поверхностным водоёмом перед промерзанием; (II) насыщение промерзающего талика глубинным газом; (III) деформация кровли мёрзлой породы под воздействием давления газа и начало роста бугра ^[14].

Обсуждение

Рассмотренные выше гипотезы отражают представления их авторов на процессы формирования газонасыщенных локальных зон и воронок газового выброса в многолетнемёрзлых породах. Следует рассмотреть, соответствуют ли эти представления имеющимся данным по природным условиям, геологическому и криогенному строению, а также характеристикам среды, в которой реализовывались процессы (температуры,давления) формирующие данные образования.

Позиция сторонников развития взрывных процессов, формирующих воронки газового выброса, за счёт промерзания таликов вполне понятна. Она заключается в том, что газовым выбросам предшествует формирование многолетних бугров пучения, механизм которых достаточно хорошо изучен. Делается формальный вывод, всегда предшествует, значит, всегда формируется по традиционной схеме. Следовательно, этот традиционный механизм является единственно возможным для объяснения причин формирования газонасыщенных зон с аномально высоким давлением и последующей стадии - формирования воронок газового выброса. По общепринятым представлениям промерзание таликов приводит к локализации грунтовых вод, созданию зон повышенного давления и формирования над ними бугра пучения. На Ямале В.И. Богоявленским и его коллегами выявлено более 7 тысяч (7185) ^[15], делается вывод о связанной с этим огромной опасности выбросов газа. Ю. Б. Баду и К. А. Никитин ^[9] ограничивают формирование газонасыщенных зон и связанных с ними взрывов газа под буграми, территориями месторождений углеводородов. Здесь по разломам и трещинам газ поступает к поверхности Земли. Под растущими буграми пучения фронт промерзания образует куполообразные неровности, в которых накапливается газ и вода, промерзание которой формирует газонасыщенный лёд. Последующее разрушение бугра приводит к выделению газа, его воспламенению и взрыву ^[9]. При всей внешней очевидности приводимых доказательств, имеются данные, которые позволяют усомниться данных представлений.

Воспламенение газа и формирование воронки газового выброса за счёт химической реакции наблюдалось не во всех случаях. Там, где воспламенения не было, имел место пневматический выброс мёрзлого материала с образованием цилиндрических каналов. В этом случае давление необходимое для выброса породы определяется прочностью мёрзлой кровли. Приведём результаты расчётов необходимых давлений для формирования наиболее изученной воронки газового выброса «Ямальский кратер». Согласно Данным В. И. Богоявленского и И. А. Гарагаша для разрушения мёрзлой покрышки воронки мощностью 8 м достаточно давления в 1,25 МПа. Дальнейшее уменьшение давления приводит к тому, что напряжения в покрышке не достигают предела прочности, деформации остаются упругими, поверхность разрушения не формируется и выброса породы не происходит ^[16]. Близкие значения (1,74 МПа) (табл. 1), были получены В. П. Мерзляковым ^[4]. Давления, наблюдаемые в линзах воды в основании многолетних бугров пучения значительно ниже. Д. Р. Маккеем, изучавшем многолетние бугры пучения (пинго) на Арктическом побережье Канады, были измерены давления в водяных линзах, залегающих в основании бугров. Полученные значения гидростатического напора не превышали 0,35 МПа, при мощности мёрзлой толщи около 25 м. Данного давления было достаточно для деформирования мёрзлой кровли и формирования пинго, но недостаточно для развития взрывного процесса ^[17]. Следует учесть, что в ходе формировании бугров пучения постоянно возникают многочисленные разрывные деформации мёрзлой кровли, которые должны приводить к излиянию воды на поверхность, и сбросу давления газа. Конечно, данные разрывы залечиваются при замерзании воды, и давление восстанавливается, но больших значений, необходимых для развития взрывного процесса, оно достигать не будет.

Некоторые особенности строения воронок газового выброса не отмечаются в строении «классических» многолетних бугров пучения. Например, кольцевые структуры, обнаруженные в стенках некоторых кратеров (рис. 6). Исследование Э.И. Галеевой с соавторами показали, что слоистость обусловлена вязкопластическим течением льда. Сдвиговые деформации приводят к формированию складок, вторичной слоистости (кливажа), ориентированной под углом до 60° к горизонтально залегающей первичной слоистости ^[18].

Рис.6 Субвертикальная слоистость льда кольцевой структуры, окаймляющей

Ямальский кратер Июль 2014 г ^[19].

Данные образования свидетельствуют о движении газонасыщенного льдогрунтового массива относительно неподвижной вмещающей толщи льдистых мёрзлых пород. Не вписываются в классические представления о процессах, формирующих бугры пучения, некоторые образования, зафиксированные в воронках газового выброса. К ним относятся: зоны гротов и каверн, располагающиеся в нижней части воронок (рис. 7); ледогрунтовые блоки, вдавленные в толщу мёрзлых пород, встречающиеся в стенках (рис. 8) и др. ^[8]. Геофизические исследования не обнаружили таликовых зон под воронками ^[20], а ведь они должны были бы располагаться под буграми пучения, в случае традиционных представлений об их образовании (рис. 10).

Рис. 7 Крупные гроты, сформировавшиеся за счет слияния

серии мелких гротов и каверн. Ноябрь 2014 г. Фото В.А. Пушкарева.

Рис. 8 Деформированный газонасыщенный лед, «вдвинутый» в

слоистый ледогрунтовый массив. Июль 2015 г. Фото А.В. Лупачева.

Отдельно следует рассмотреть механизм образования воронок газового выброса, предложенный С. Н. Булдовичем с соавторами^{[5, 21]}. По их представлениям формирование Ямальского кратера связано с взрывным разрушением подозёрного талика. Толщина мёрзлых грунтов над таликом на момент его разрушения составляла от 7 до 9 м. Талик представлял собой водно-грунтовую газонасыщенную смесь с растворённым газом (в основном углекислым) бактериального происхождения. Гипотеза авторов базируется на анализе образцов, отобранных с глубин 10–17 м, и соответствует только верхней части кратера (общая глубина 60 м). Отложения, в которых прослеживается повышенное содержание газа, формируют линзовидное тело мощностью около 10 м. Наибольшее общее содержание газа приурочено к центральной части линзы. Данный слой соответствует двустороннему промерзанию подозёрного талика. Сходное строение наблюдается и в отношении содержания углекислого газа. В центральной части наблюдается его наибольшее содержание, при уменьшении в нижней и верхней части линзы. В отношении содержания метана наблюдается обратная зависимость в центральной части линзы его содержание наименьшее, а в подстилающих и вмещающих осадках наибольшее (рис. 9). Такое распределение газового состава свидетельствует о том, что в верхней 10-метровой части мёрзлых осадков, насыщенных метаном, под воздействием озера сформировался талик, насыщенный углекислым газом. Последующее двухстороннее промерзание линзовидного талика, за счёт криогенной концентрации, содержание углекислого газа привело к его наблюдаемому распределению.

Рис. 9 Содержание газа в подземном льду ^[21].

Приведённые данные свидетельствуют о том, что мощность талика под озером не превышала 10 - 15 м. В разрезе данному талику соответствует линза льдистых слоистых пород, с повышенным содержанием углекислого газа. Она вложена в мёрзлый массив с повышенным содержание метана (рис. 9). Исследования, проведённые летом и осенью 2014 г., показали высокое содержание метана в воздухе внутри воронки и в пузырьках воздуха во льду в нижней части кратера ^[22]. Такие же результаты получены М.О. Лейбман с соавторами, по данным которых содержание метана в воде озера, образовавшегося на дне Ямальского кратера, значительно превышает значения в воде обычных озёр (примерно 500 - 900 ppm по сравнению с 15 ppm в среднем для окружающих озёр) ^[23]. Предложенный С. Н. Булдовичем с соавторами механизм формирования воронок газового выброса, базируется на материалах, полученных для верхнего слоя мёрзлых отложений (10 - 17 м). Но глубина Ямальского кратера составляла около 60 м. Ниже 10 - 15 метров мёрзлые породы насыщены метаном, но не углекислым газом. Выводы о ведущей роли промерзания талика можно достаточно уверенно распространять на верхнюю часть разреза, но для всей толщи, в которой сформирован Ямальский кратер это допущение нельзя признать убедительным, оно требует дополнительного обоснования.

Рассмотренные материалы показывают, что механизм промерзания таликов не объясняет многих особенностей формирования воронок газового выброса. Вероятно, в будущем будут найдены условия, когда это будет возможным, но и в этом случае процесс будет не «классическим». Несомненно, потребуется вносить коррективы в традиционные представления о криогенных процессах в промерзающих осадках при повышенном содержании газа в них

Предложенная В. И. Богоявленским «Комплексная схематическая модель формирования полостей в массивах подземного льда, бугров пучения и выбросов газа с образованием гигантских кратеров в криосфере Земли» реализуется в условиях приповерхностной части разреза ММП, включающего залежи пластового льда. Реализация данной гипотезы обусловлена взаимодействием аномального теплового потока и газогидродинамического процесса в зоне талика, приуроченного к разлому ^[6]. Можно выделить следующие основные положения предложенной модели:

- необходимо наличие в разрезе мёрзлых пород пластового льда;

- формирование в нижней части массива льда полости, заполненной газом, формирование которой происходит за счёт аномального теплового потока;

- обязательным условием является наличие каналов подтока газа в полость;

- формирование в основании полости талой зоны, превышающей поперечные размеры подводящего газ канала;

- канал подтока газа подающегося снизу вверх одновременно является и каналом отвода потока воды, направленным сверху вниз;

- насыщение полости газом в свободном состоянии и рост давления в ней выше гидростатического (АВПД) за счет субвертикальной миграции газа из зон высокого давления, залегающих ниже области распространения многолетнемёрзлых пород.

Каждый пункт является обязательным для реализации механизма формирования АВПД газа и воронок газового выброса и отсутствие хотя бы одного делает подготовку выброса газа невозможным.

Рассмотрим, насколько выполняются эти условия. Прежде всего, это касается обязательного требования существования в основании воронок, каналов с движущимся по ним газа с положительной температурой и аномально высоким давлением. Сопоставление модели В. И. Богоявленского ^[6] с результатами геофизических исследований в Районе Ямальского кратера показало их несоответствие друг другу. В зоне Ямальского кратера, на основании изучения которого и разработаны основные положения рассматриваемой гипотезы, талый канал отсутствует (рис. 10). Таликовая зона, которая должна бы сформироваться в основании Ямальского кратера, ничем себя не проявила. По данным В. В. Оленченко с соавторами ^[20] большие электрические сопротивления и поляризуемость первого слоя объясняются повышенной льдистостью верхней части разреза и присутствием пластового льда. В интервале глубин 60 – 80 м отмечается маломощный слой с аномально высоким УЭС (400 - 880 Ом⋅м). Аномально высокое значение может быть объяснено высокой льдистостью или большим количеством включений реликтовых газогидратов (клатратов метана). Как правило, газогидраты залегают в коллекторах, представляющих горизонты с прослоями песка или супеси с пониженным содержанием солей ^[24]. Положение слоя с аномально высоким УЭС коррелирует с глубиной максимальной встречаемости газопроявлений в разрезе Бованенковского газаконденсатного месторождения. Ниже залегающий слой пород с УЭС 7.5 - 11.0 Ом⋅м интерпретируется как мерзлые нижнесреднеплейстоценовые морские отложения Ямальской серии. На геоэлектрическом разрезе на глубине 135 - 190 м выделяется кровля проводящего слоя, которая интерпретирована как фазовая граница вода–лед в грунтах, т. е. подошву многолетнемерзлой толщи ^[20]. Согласно данным бурения, в аллювиальной пойме р. Мордыяха (скв. 610-П-3) суглинки имеют массивную криотекстуру, а на глубине 165 м вскрыта подошва ММП ^[25].

Рис. 10 Геологический разрез в районе криогенного кратера ^[3].

Ямальский кратер расположен в зоне пересечения предполагаемых разломов, не выделяемых геофизическими методами. Можно допустить, что разлом действительно существует, и газ поступает из нижележащих горизонтов. В этом случае следует учитывать отсутствие талика под воронкой, то есть температура газа должна быть отрицательной. Следовательно, необходимо рассмотреть условия фильтрации газа в мёрзлых породах. При положительной температуре газа происходило бы образование талого канала, которого в реальных условиях не наблюдается. И, конечно, не сформировалась бы за счёт вытаивания пластового льда внутригрунтовая полость размером в десятки метров в поперечнике. Не вполне понятен механизм движения в одном канале двух разнонаправленных потоков: фильтрации газа (находящегося под давлением) вверх и движением воды вниз. Вода в этом случае должна преодолевать более высокое давление, направленное из ниже залегающих горизонтов. Изучение криогенного строения стенок Ямальского кратера и других воронок показали, что при подготовке газового выброса формируются структуры, которые невозможно объяснить с позиций рассматриваемого механизма, такие как кольцевые структуры в стенках кратера, деформации первичной слоистости, движение отдельных блоков пород в мёрзлом массиве (см. предыдущий раздел). То же самое можно сказать и в отношении генезиса газа. Очевидно, что при данном механизме газ должен быть термогенным, то есть поступать из нижележащих горизонтов. Анализ изотопного состава углерода метана (δ¹³С) из Ямальского кратера показал его «бактериальное происхождение» (от -58 ‰ до -75 ‰), при этом в одной пробе, δ¹³С близко -45 ‰ «термогенный метан» ^[26]. Данная проба может указывать о возможном ограниченном подтоке в Ямальский кратер газа из верхнемеловых отложений, залегающих ниже подошвы ММП. В своде Бованенковского поднятия кровля сеномана залегает на глубине около 500 м – всего на 300 - 330 м ниже подошвы мерзлоты. Метан из Сеяхинской воронки (образовался 28 июня 2017 г.), по результатам анализа, проведённого Ф.М. Ривкиным (ОАО «Ямал СПГ»), однозначно свидетельствуют о его биогенном генезисе (δ¹³С = -80,6 ‰) ^[27]. Эти и другие вопросы не находят ответа в «Комплексной схематической модели формирования полостей в массивах подземного льда…» и их несомненно необходимо решать, для того чтобы данную модель можно было использовать в практике.

При обосновании возможности образования воронок газового выброса за счёт подтока глубинного газа в качестве наиболее убедительным доводом могло бы быть выявление не гипотетических, а реальных подводящих газовых каналов. Геофизические методы позволяют успешно делать это. На морских шельфах успешно выделяются и газовые каналы выводящие газ с больших глубин на поверхность, и зоны накопления газа (газовые карманы), и места взрывного выхода газа на поверхность (покмарки). Комплексы, объединяющие покмарки, газовые карманы и газовые трубы, представляют из себя флюидодинамические газонасыщенные геосистемы. Каждый элемент данной геосистемы соответствует определённому этапу её развития. В центральной части (рис. 11) показан пример полного законченного развития данной геосистемы. Хорошо заметны парагенетические связи покмарка, газового кармана и газового канала. Непосредственно под кратером покмарка залегает газовый карман, который сформировался за счёт подачи газа по газовому каналу с более глубоких горизонтов. Накопление газа в газовом кармане и увеличение порового давления в верхней части осадочного чехла, привело к пневматическому взрыву, выделению газа в водную среду и формированию покмарка. В газовом кармане после сброса давления продолжается накопления газа, поступающего по газовому каналу. В правой части рисунка представлен пример незавершённого развития газодинамической геосистемы. В этом случае из основных стадий развития выражены две, формирование газового канала и формирование газового кармана. Накопление газа в газовом канале ещё не привело к выбросу.

Рис. 11 Сейсмический профиль глубинной миграции газов в морских осадках

^[28] (с добавлениями).

Если осадочная толща состоит из проницаемых отложений и экраны из нефильтрующих горизонтов отсутствуют, флюидодинамическая газонасыщенная геосистема может состоять только из газового канала (газовые трубы). При геофизических исследованиях газовые трубы, в виде вертикальных зон потери корреляции, проявляются по всей видимой осадочной толще, вплоть до выхода на поверхность дна. Однако чаще «трубы» до поверхности дна не доходят, кроме того, могут выглядеть не только как четкие «столбы» потери корреляции до прозрачности, но и просто как вытянутые зоны ослабления сигнала ^[29].

Следует отметить, что у автора рассматриваемой гипотезы существуют и иные представления о движения глубинного газа к поверхности. В соответствии с ними, многолетнемерзлые породы, существующие на большей части северных (арктических) территорий суши и на мелководном шельфе (до изобаты около -120 м), являются региональным флюидоупором (покрышкой). Движущийся в субвертикальном направлении газ, встречая препятствие в виде ММП, начинает распространяться в субгоризонтальном направлении, формируя, таким образом, крупные протяженные залежи. Попадая в ослабленные зоны (разломы, талики), газ прорывается на поверхность ^[27]. Здесь речь уже не идёт об обязательном формировании таликов при развитии газонасыщенных зон в многолетнемёрзлых породах. Для Бованенковского газоконденсатного месторождения (ГКМ) отмечаются значительные дебиты газа из мёрзлых пород, достигающие сотен и тысяч м³/сут. при высокой (до 90%) степени заполнения грунтовых пор льдом и незамёрзшей водой. Например, на Ямале скважина 64-П-2 вскрыла залежь газа на глубине 72 - 80 м, из которой был получен и приток газа 3 тыс. м³, в дальнейшем снизившийся до 500 м³/сут. Диаметр залежи оценен в 320 м (площадь 80 тыс. м²), а запасы газа – около 0,5 млн. м^{3 [30]}. Залежь расположена в толще мёрзлых пород. Практически все газовые проявления на Бованенковском ГКМ приурочены к оторфованным пылеватым пескам, встречающимся в разрезе мёрзлой толщи до глубин порядка 130 м. В свою очередь, более 85 % газопроявлений в отложениях Ямальской серии зафиксированы на глубинах порядка 60 – 80 м (рис. 12), где можно выделить горизонт, выдержанный на площади порядка 120 км². На больших глубинах сложенных преимущественно глинистыми породами газопроявления не фиксируются. То есть приуроченность газонасыщенных зон скорее определяется площадными геологическими причинами, а не локальными тектоническими нарушениями.

Механизм формирования газонасыщенных зон без обязательного образования талой полости в мёрзлых породах, по нашему мнению, более реалистичен, хотя и в этом случае требуется глубокая теоретическая проработка условий его реализации. Тем не менее, представления о значимой роли подачи газа из нижележащих горизонтов при насыщении газом мёрзлых толщ, чрезвычайно интересен и важен, как в теоретических построениях, так и для практического применения. Несомненно, эту проблему необходимо решать в рамках геокриологии, поскольку все процессы реализуются в мерзлых породах. При этом, следует признать, что теоретические и практические аспекты данной темы ещё слабо разработаны.

На широкое распространение газогидратной формы нахождения газа в мёрзлых породах указывает ряд косвенных признаков. Распространённость газопроявлений имеет площадной региональный характер, и не приурочен к локальным зонам тектонических нарушений. Это свидетельствует о региональных особенностях криолитогенеза связанных с эпигенетическим промерзанием морских газонасыщенных фациально неоднородных осадков. В.С. Якушев ^[33] полагает, что образование газовых гидратов происходит при эпигенетическом промерзании отложений, когда с понижением их температуры фронт гидратообразования опережает фронт фазовых переходов поровой влаги в лёд. При этом, газ ранее сконцентрированный перед фронтом промерзания в песчаных линзах, переходит в клатратную форму. После прохождения фронта промерзания газогидрат частично разлагается на воду и газ, при этом резко понижается температура. Образовавшаяся вода, замерзая, образует непроницаемую ледяную плёнку, консервирующую гидрат, предотвращая его от дальнейшего разложения. Это позволяет газовым гидратам сохраняться в метастабильном состоянии в неравновесных условиях на небольших глубинах. Для всей толщи прослеживается приуроченность газовых выбросов к породам с пониженной засолённостью, а также увеличение общей засолённости пород ниже горизонтов зафиксированных газопроявлений, что может свидетельствовать о криогидратном отжатии солей. Стабильность «законсервированных» газов зависит от макроструктуры породы, температуры, возможности сублимации влаги с поверхности гидратов, засолённости, наличия механического воздействия ^[31]. Важно отметить, что отдельные газопроявления зафиксированы в пластовых льдах, поскольку при проходке некоторых ледяных тел фиксируется сильный запах газа ^[31].

Рис. 12 Типичный разрез отложений Бованенковского ГКМ ^[32].

Роль газогидратов в криогенном строении пород севера Западной Сибири наглядно иллюстрирует криогидратный профиль Ямальского региона в мёрзлых породах различных ГКМ нефтегазовых месторождений (рис. 13) ^[34]. На нём показано, что слой метастабильных газогидратов широко распространён на Ямале, например на Бованенковском НГКМ он прослеживается на всю мощность мёрзлых пород.

Рис. 13 Региональный криогидратный профиль Ямальского региона, напрвление С-З – Ю-В (Русановское, Харасавейское, Бованенковское, Среднеямальское, Арктическое, Ямбургское месторождения) ^[34].

Приуроченность скоплений газогидратов к газовым месторождениям севера Западной Сибири волне объяснима. Чем больше газа содержится в породах до промерзания, тем больше вероятность накопления газогидратов при эпигенетическом формировании мёрзлых толщ.

Рассматривая проблемы диссоциации газогидратов необходимо оценить роль самоконсервации в условиях нагрева метастабильных газогидратов в реальных условиях. Само существование метастабильных газогидратов обязано именно самоконсервации. Создание непроницаемого ледяного слоя останавливает разложение газогидратов и позволяет им сохраняться в неравновесных условиях. Таким образом, процесс самоконсервации, «запрещает» диссоциации газогидратов играть значительную роль в насыщении газом мёрзлых пород. Тем не менее, накапливаются данные о том, что интенсивность процесса самоконсервации при разложении газогидратов, во многом определяется, гранулометрическим и минералогическим составом, а также засолённостью вмещающих мёрзлых пород. В. С. Якушевым с соавторами ^[35] в ходе лабораторных экспериментов изучалось поведение метастабильных реликтовых гидратов метана в глинистых засолённых осадках, извлеченных из Ямальского кратера. Нагревание образцов в интервале температур -6,75 - -6,57 °C привело к полному разложению содержащихся в них газогидратов. Исследования Д. А. Давлетшиной показали, что интенсивность разложения газогидратов в значительной мере зависит от содержания глинистых частиц. При увеличении их содержания интенсивность диссоциации увеличивалась. В образце песка с монтмориллонитовыми частицами диссоциация протекает более интенсивно, чем в песке, содержащим каолинитовые частицы. А в чистом песке интенсивность наименьшая ^[36]. Приведённые данные свидетельствуют, что роль самоконсервации метастабильных газовых гидратов в естественных условиях недостаточно изучена и, возможно, преувеличена.

Синтетическая гипотеза, объединяющая поверхностные и глубинные факторы формирования газонасыщенных зон с аномальновысоким давлением газа, включает в себя рассмотренные выше механизмы. Она позволяет легко объяснить те или иные наблюдаемые явления, но мало что даёт для изучения формирующих их процессов. При выявлении причин и последовательности развития локальных газонасыщенных зон и последующей подготовки условий для взрыва, необходимо выявить смену внутригрунтовых процессов и связанных с ними криогенных структур. К ним относятся: первичные каналы транзита газа, зона локализации и накопления газа, участки деформаций вмещающих мёрзлых пород и кровли и др. Данные исследования можно проводить только опираясь на механизмы, изложенные в предыдущих гипотезах. Проводимые исследования должны базироваться на изучения парагенетических связей в газодинамической геосистеме. Механическое соединение различных теоретических представлений не позволит выявить последовательность взаимосвязанных процессов, формирующих воронки газового выброса. Для этого необходима разработка критериев, основанных на объективных количественных показателях, устраняющих субъективныекачественные оценки.

Разложение внутримерзлотных газогидратов за счёт поверхностных источников тепла

В верхней части разреза (первые десятки метров) гидратосодержащие мёрзлые породы находятся в метастабильном состоянии, любой, даже незначительный разогрев может привести к необратимой диссоциации газогидратов. Зональные и региональные изменения температуры мёрзлых пород связаны с климатическими изменениями. Но эти изменения происходят с малой скоростью. На повышение температуры в горизонте газогидратов до температур, при которых происходит их диссоциация, могут влиять и поверхностные условия. Практически все воронки газового выброса расположены в так называемых «теплых, ландшафтах» (реки, озёра, участки повышенного снегонакопления и др.) ^[8]. Наиболее эффективным источником локального повышения температуры мёрзлых пород является поверхностные водоёмы. Можно привести несколько примеров существование озёрных котловин в местах расположения воронок газового выброса.

Обнаруженная в 2020 г воронка газового выброса расположена на ровной поверхности 3 морской террасы в пределах заболоченной обводнённой ложбины, образовавшейся на месте существовавшего ранее поверхностного водоёма (рис. 14) ^[37]. О наличии озера свидетельствует зона вторично промёрзших таберальных отложений линзовидной формы (рис. 12). Мощность этого горизонта меняется от 3 до 10-12 м. Контакт с нижележащими льдистыми глинами чёткий, ровный (рис. 15). Таберальные отложения подстилаются мёрзлыми породами с типичным для морских отложений III морской террасы криогенным строением (сетчатые криотекстуры) (рис. 16).

Рис. 14 Воронка газового выброса, расположенная в пределах

ложбины на поверхности третьей морской террасы ^[37].

Рис. 15 Строение верхней части воронки, обнаруженной в 2020 г ^[37].

Рис.16 Воронка газового выброса, обнаруженная в 2020г на Ямале.

1- нижняя часть воронки; 2 – зона деформированных криотекстур; 3 – зона морских суглинков с сетчатыми криотекстурами; 4 – зона вытаивавших под озером и вновь промёрзших морских суглинков. Скриншот видео ^[38]

Наличие оттаявших, а потом промёрзших осадков (таберальных) наблюдаются в местах расположения некоторых других воронок газового выброса: Ямальского кратера (рис. 17) и в Дерябинской воронке, обнаруженной на Гыданском полуострове (рис. 18).

Рис. 17 Верхняя часть Ямальского кратера июль 2014г. Пунктиром

обозначена нижняя граница таберальных осадков. Фото М. О. Лейбман.

Рис. 18 Дерябинская ворока. Таберальные осадки линзовидной формы

залегают над слоем поземного льда. Фото. В.И. Соломатина.

Во всех трёх рассмотренных воронках таберальные осадки подстилаются льдистыми мёрзлыми породами с первичным, криогенным строением. Приведённые примеры указывают на очевидный источник поступления тепла в мёрзлые толщи - поверхностные водоёмы.

Рассмотренные материалы, свидетельствуя о наличии таберальных отложений в районе воронок газового выброса, не отрицают других источников поступления тепла. Они лишь иллюстрируют возможность развития интенсивного теплового потока за счёт локального прогрева мёрзлых пород под озёрами. Разложение газогидратов в толще мёрзлых пород возможно и за сёт локального теплового потока снизу. Источником повышенного теплового потока может быть крупная нефтегазоносная структура, тепловой поток от которой может повысить температуру газогидратов и тем самым вывести их устойчивого термодинамического состояния с выделением большого количества газа. При этом температуры мёрзлых пород могут оставаться отрицательными.

Следует отметить, что возникновение аномально высокого давления в толще многолетних пород за счёт разложения газогидратов, не всегда приводит к выбросу газа и образования соответствующей воронки. Рассмотрим это на примере Ямальского кратера. Выявленный по данным геофизики газогидратный горизонт газогидратов залегает на глубине 60 - 80 м ^[3]. По расчётам В.П. Мерзлякова ^[39] на данной глубине для выброса грунтового массива необходимо давление около 10 МПа (табл. 1), гидростатическое давление в этих условиях составляет около 0,7 МПа. При разложении газогидратов при отрицательных температурах создаваемое давление не превышает 2,6 МПа ^[13].

Таблица 1. Зависимость критического давления от глубины ^[39]

Из приведённых данных видно, что на этой глубине, в зоне разложения газогидратов, создаются давления, в три раза превышающие гидростатическое. Эти давления не обеспечивают возможность выброса, но приводят к развитию локальных деформаций мерзлой породы. Газ, находящийся под давлением, начинает проникать по трещинам в перекрывающую толщу многолетнемёрзлых пород. Появившиеся трещины и дислокации ускоряют фильтрацию газа. Формируется фильтрационный поток, в котором газовый флюид из области с бо́льшим давлением фильтруется в область с меньшим давлением (как правило, по направлению к поверхности). Совокупность данных процессов, определяемая авторами, как фильтрационно - деформационный механизм, позволяет газовым флюидам проникать вглубь мерзлого массива, на более высокие уровни, тем самым подготавливая возможность реализации взрывных процессов. При приближении к поверхности давление газа уменьшается, но может достигать значений необходимых для разрыва мёрзлой кровли и выбросу газонасыщенных льдистых мёрзлых пород ^[8].

Соотношение природных факторов, обуславливающих формирование газонасыщенных зон с аномально высокими давлениями газа и воронок газового выброса в криолитозоне

Рассмотренные материалы показали, что попытка объяснить формирование в мерзлых породах газонасыщенных зон с аномально высоким давлением газа, основываясь на гипотетических представлениях, сопряжены со значительными трудностями. Доказательная база таких построений остаётся неубедительной, прежде всего, из-за отсутствия достоверных классификационных признаков. Для того чтобы создать достоверную и доказательную систему данных признаков следует прежде всего рассмотреть весь комплекс теоретически возможных механизмов формирования локальных газонасыщенных зон в мёрзлых породах. На рис. 19 показано соотношение различных природных факторов и механизмов, обуславливающих возникновение газонасыщенных зон с повышенным давлением.

Рис. 19 Причины возникновения газонасыщенных зон с повышенным давлением на начальном этапе развития взрывных процессов в многолетнемёрзлых породах.

1. Поступление глубинного газа по тектоническим деформациям.

2. Криогенная концентрация газа в ходе эпигенетического промерзания талых осадков (формирование газовых карманов) или промерзания таликов при образовании многолетних бугров пучения.

3. Выделение газа при разложении газогидратов, содержащихся в многолетнемёрзлых породах.

1.2. Поступление глубинного газа в промерзающие талики.

1.3. Отепляющее влияние глубинного газа на гидратосодержащие мёрзлые породы приводящее к разложению газогидратов и газовыделению.

2.3. Поступление газа, образовавшегося при разложении газогидратов в промерзающий талик.

1.2.3. Совместное поступление глубинного газа, образовавшегося при разложении газогидратов и газа из газовых карманов в промерзающий талик.

В независимости от происхождения газа, процессы, формирующие газонасыщенные зоны с аномально высоким давлением, а также процессы последующей подготовки условий для взрыва с выбросом перекрывающей мёрзлой породы, объединены в рамках единых развивающихся локальных газодинамических геосистем. Взрывной процесс является конечным итогом саморазвития данных геосистем, возникающих в толще мерзлых пород. Разнообразие их строения определяется парагенетическими связями между процессами фазовых переходов, фильтрации газа и деформации газонасыщенного ледогрунтового материала (от вязкопластического движения до хрупкого разрушения). Формирование данных газодинамических геосистем обусловлено сменой комплексов криогенных процессов и соответствующих им криогенных образований. Конечно, не все локальные области высокого давления реализуются в виде воронок, избыточное давление в некоторых из них может сниматься за счёт утечек газа при многочисленных деформациях кровли. Но там, где взрыв произошёл, сформированная воронка вместе с вмещающими её породами сохраняет информацию об истории развития первичной газодинамической геосистемы. Можно выделить наиболее важные направления изучения указанных парагенезов: выделение подводящих газовых каналов, горизонтов гидратосодержащих мёрзлых пород; областей таберальных осадков, фиксирующих контуры существовавших таликов; изучение криогенного строения стенок воронок газового выброса и др. Эти работы позволят перейти от гипотетических построений формирования зон с аномально высокими давлениями и связанными с ними воронками газового выброса к системным исследованиям механизмов локального накопления газа в мёрзлых породах и создания условий реализации взрывных процессов.

В период подготовки взрыва первичное строение мерзлой толщи деформируется и перестраивается в соответствии с возникающими давлениями и объемами поступающего газа. Следует различать факторы, влияющие на возникновение локальных газонасыщенных зон, и факторы, приводящие к развитию связанных с ними газодинамических геосистем. Первые обусловливают создание условий нарушения термодинамического равновесия в мерзлой толще, вторые обеспечивают реализацию процессов формирования и развития локальной газодинамической геосистемы, подготавливающей взрыв. Газ в мерзлом массиве может накапливаться за счёт разных механизмов: фильтрации по разлому с глубины, разложения газогидратов, криогенной концентрации свободного газа или его накопления в литологически обусловленном газовом кармане (песчаная линза в глинистой толще) и др. Совокупность процессов, формирующих газонасыщенные зоны и воронки газового выброса, следует относить к криогенным, поскольку они обусловлены прочностными и деформационными свойствами и фазовыми переходами воды в промерзающих и мёрзлых породах, их структурно-текстурными особенностями и массообменными процессами. Успешное изучение данных процессов может быть проведено только при расширении традиционных представлений в геокриологии с включением в них положений, разработанных в рамках геологии, гляциологии, тектоники, вулканологии. Разнообразие гипотез возникновения газонасыщенных зон, в которых газ находится под высоким давлением (поступление глубинного газа, всестороннее промерзание таликов, разложение газогидратов под воздействием растепления), и механизмов подготовки взрывных процессов, соответствуют различию геологических, тектонических и ландшафтных условий. Придавать какому-либо из этих факторов главенствующую роль было бы явным упрощением. Данные гипотезы будут реализовываться в виде различных сценариев развития локальных газодинамических геосистем, соответствующих конкретным ландшафтным, геологическим и тектоническим условиям. Современное состояние изученности газонасыщенных зон и воронок газового выброса в мёрзлых породах требует перехода от гипотетических представлений к выявлению сценариев развития локальных газодинамических геосистем в конкретных геокриологических условиях.

Заключение

Анализ строения воронок газового выброса показал, что совокупность формирующих их криогенных образований, образуют закономерно построенные газодинамические геосистемы. Развитие данных геосистем, от формирования газонасыщенных зон с аномально высоким давлением, до последующей подготовки взрывного процесса, обусловлено сменой комплексов криогенных процессов и соответствующих им парагенезов криогенных образований.

Анализ материалов исследования воронок газового выброса, обнаруженных на севере Западной Сибири, позволил сделать вывод, что как поверхностные условия, так и глубинные тектонические процессы могут оказывать значительное влияние на формирование воронок газового выброса. И те и другие могут способствовать возникновению неравновесных условий, запускающих механизмы образования газонасыщенных зон с аномально высоким давлением газа и подготовки взрывных процессов в мёрзлых породах.

Основными гипотезами возникновения газовых полостей, в которых газ находится под высоким давлением, являются: поступление глубинного газа, всестороннее промерзание таликов, разложение газогидратов под воздействием растепления мёрзлых пород. Механизмы подготовки взрывных процессов соответствуют разнообразию геологических, тектонических, ландшафтных условий. Придавать какой-либо из них обобщающий характер было бы явным упрощением. Данные гипотезы будут реализовываться в виде различных сценариев развития локальных газодинамических геосистем, соответствующих конкретным территориям.

Современное состояние изученности воронок газового выброса требует перехода от гипотетических представлений о причине возникновения локальных зон повышенного давления газа в мёрзлых породах к выявлению сценариев развития локальных газодинамических геосистем в конкретных геокриологических условиях. Для этого необходимо дальнейшее совершенствование геокриологических, геохимических и геофизических методов исследования и их более широкое применение при изучении данных образований.

Недостаточная изученность условия развития газодинамических геосистем в мёрзлых породах, не позволяет в настоящее время точно определить причину и сценарий формирования в них газонасыщенных зон с аномально высоким давлением газа. Поэтому нет оснований отдавать приоритет тому или иному механизму их образования. Можно лишь рассмотреть различные сочетания механизмов, которые могут реализовываться в естественных условиях.

Процессы, формирующие данные образования, являются криогенными. Они базируются на фазовых переходах, механических характеристиках, массообменных процессах, структурно-текстурных особенностях характерных для мёрзлых пород и поэтому должны быть включены в теоретический и прикладной аппарат геокриологии. Проблемы, возникающие при изучении газонасыщенных зон и воронок газового выброса, могут быть решены только при расширении классических представлений теоретической и прикладной геокриологии, за счет включения в неё положений, разработанных в рамках геологии, тектоники, вулканологии и др.