Норвежские геологи построили модель образования воронок в вечной мерзлоте

МОСКВА, 26 янв — РИА Новости, Владислав Стрекопытов. Ученые из Университета Осло выдвинули еще одну гипотезу образования гигантских воронок на севере Западной Сибири. Ранее российские геологи предложили несколько своих моделей. О том, как могли возникнуть ямальские кратеры, — в материале РИА Новости.

В 2014-м на полуострове Ямал, недалеко от Бованенковского газового месторождения, обнаружили воронку с вертикальными стенками диаметром 40 метров и глубиной около 50. Вскоре рядом, на территориях полуостровов Ямал и Гыдан, нашли еще несколько таких же структур.

За прошедшие годы ученые предложили несколько гипотез образования ямальских кратеров, все так или иначе связаны с взрывообразными выбросами метана.

Зона многолетнемерзлых пород, занимающая две трети территории России, — гигантский природный резервуар этого газа. В условиях потепления и постепенного разрушения вечной мерзлоты метан, находящийся на глубине, высвобождается и стремится на поверхность.

Заместитель директора по науке Института проблем нефти и газа (ИПНГ) РАН, член-корреспондент РАН Василий Богоявленский, изучающий ямальские кратеры с момента их открытия, связывает появление этих структур с процессами, аналогичными тем, которые идут при грязевых или криовулканических извержениях.

По зонам разломов с глубин к поверхности поступает природный газ. За счет этого в основании толщи многолетнемерзлых пород возникают аномально высокие пластовые давления, происходит частичное плавление льда с образованием термокарстовой полости. По мере наполнения газом она начинает давить на вышележащие слои мерзлых пород. Они деформируются, и на поверхности появляются характерные бугры пучения.

Если процесс поступления глубинного газа и рост давления продолжаются, кровля ледяной полости трескается, а затем в какой-то момент разрушается с пневматическим выхлопом. При этом за счет возникающих электростатических разрядов возможны самовоспламенение и взрыв газа.

"В этих случаях образуются гигантские кратеры глубиной свыше 50 метров, а куски выброшенной взрывом мерзлой породы и ледогрунта разлетаются на многие сотни метров, — объясняет Богоявленский. — В Российской Арктике мы нашли более десяти таких объектов. Кроме того, из космоса на Ямале выявлено около семи тысяч многолетних бугров пучения, часть которых представляет потенциальную опасность, и более 400 озер, чьи донья усеяны крупными кратерами выбросов газа".

На территории севера Ямало-Ненецкого автономного округа и Красноярского края сотрудники ИПНГ РАН обнаружили десятки объектов, которые также могут оказаться кратерами выброса газа. Большинство — в уникальном по запасам углеводородов Южно-Карском регионе, часто вблизи или непосредственно на территории нефтегазовых месторождений.

Для многих объектов, за которыми исследователи наблюдают уже не один год, характерны эпизодически повторяющиеся взрывные события, что подтверждает вулканический характер образования кратеров.

Летом 2017-го биологи, изучавшие места гнездования птиц на Ямале, обнаружили в пойме реки Еркутаяха очередной кратер газового выброса, который отличался от предыдущих тем, что образовался на месте высохшего озера. Ученые Сколтеха под руководством ведущего научного сотрудника Центра науки и технологий добычи углеводородов Евгения Чувилина совместно с коллегами из департамента по науке и инновациям и Научного центра изучения Арктики Ямало-Ненецкого автономного округа в течение двух лет исследовали Еркутинский кратер и предложили следующую модель его образования.

Во время существования озера под ним находился талик — участок незамерзающей породы, окруженный многолетней мерзлотой. Через талик и дно озера на поверхность просачивался метан с глубины, а также из залежей газогидратов, которыми богаты недра региона. Известно, что при таянии метаногидраты разлагаются на воду и газ.

После высыхания озера талик начал постепенно промерзать. Газ, не имея больше выхода, накапливался в его верхней части. Когда напряжение в куполе талика превысило литостатическое давление перекрывающих пород, произошел взрыв, а вместе с ним — обрушение кровли.

Однако большинство воронок не имеет видимой связи с озерами, их стенки сложены не промерзшими породами талика, а массивным грунтовым льдом, крупные глыбы которого обычно разбросаны на сотни метров вокруг кратера. Для объяснения их образований ученые из Сколтеха предложили другую модель.

Геологи, проводящие в регионе работы на нефть и газ, нередко обнаруживают под слоем грунтового льда криопэги — подземные резервуары высокоминерализованных (криогалинных) вод с отрицательной температурой замерзания.

Чувилин с соавторами считают, что поступающий с глубины и из залежей метаногидратов газ, который не может проникнуть сквозь толщу многолетней мерзлоты, скапливается в купольной части криопэгов, в открытых полостях, возникающих за счет разницы в удельных объемах льда и воды при плавлении мерзлоты. Так же, как и в предыдущих моделях, при достижении предельного давления происходит прорыв газа с образованием кратера.

Норвежские геологи провели сравнительный анализ существующих гипотез образования ямальских кратеров и опубликовали результаты в виде статьи на сервере препринтов EarthArXiv.

Авторы отмечают, что у всех предложенных ранее моделей есть свои плюсы и минусы. Например, модель криопэгов хорошо объясняет наличие каверн на ледяных стенках кратеров, указывающих на то, что до взрыва имело место открытое плавление льда. В то же время площадной прогрев вечной мерзлоты, о котором говорят все исследователи, должен вести к расширению криопэгов, снижению плотности их рассолов вследствие разбавления талой водой и к падению, а не росту давления газовой фазы. Кроме того, расчеты авторов показали, что давление должно быть одинаковым во всем криопэге, что исключает образование вертикального выступа в его кровельной части.

Разрабатывая альтернативную модель, норвежские ученые исходили из того, что разгадку феномена ямальских кратеров надо искать в их исключительной приуроченности к небольшому участку на севере Западной Сибири, ограниченному полуостровами Ямал и Гыдан. За его пределами — на остальной территории Арктической зоны, где также присутствует весь набор факторов (вечная мерзлота, залежи газогидратов, криопэги), — таких образований нет.

Особым условием исследователи считают наличие под полуостровом Ямал куполообразной структуры с расположенными близко к поверхности и значительными по объему скоплениями природного газа, которые создают избыточное давление. По данным более ранних исследований, в течение всего голоцена (после завершения последней ледниковой эпохи примерно 11 тысяч лет назад) для этой структуры был характерен повышенный тепловой поток — температуры на Ямале и Гыдане на два-четыре градуса Цельсия превышали средние значения для данных широт.

По мнению авторов, это привело к тому, что мерзлотный слой истончился, в нем появились открытые зоны проницаемости и талики, через которые газ выходил наружу.

Во время так называемого малого ледникового периода, достигшего пика примерно 200 лет назад, талики замерзли, в их кровле начал скапливаться газ. После окончания холодного периода снова наступило потепление. Одновременный нагрев с поверхности и протаивание ледяного слоя снизу привели к тому, что газовые полости стали подниматься к поверхности.

Авторы подчеркивают, что толщина слоя многолетнемерзлых пород в регионе очень неравномерная: она колеблется от нескольких десятков до 500 метров. Прорыв происходил в наиболее тонких и прогретых местах, в основном над зонами разломов, которые, в свою очередь, служили каналами поступления глубинных газов.

После прорыва кратер, как правило, быстро заполняется водой и затягивается осадочными отложениями. Но через некоторое время может начаться его повторная активизация, связанная с продолжающимся поступлением газа по глубинному разлому или из окружающих тел метаногидратов, разлагающихся в условиях сброса давления. Новый прорыв произойдет, когда объемы поступающего с глубины газа превышают скорость его выхода на поверхность, например, со дна озера, образовавшегося в воронке кратера.

Норвежские геологи подчеркивают, что их модель отличается от предыдущих прежде всего тем, что центральная роль в ней отводится повышенному локальному прогреву в районе скопления кратеров, который привел к уменьшению мощности многолетнемерзлых пород. Причем произошел этот прогрев задолго до начала так называемого глобального потепления.