Воронки газового выброса

Газогидраты формируются при определённых соотношениях температуры и давления в земной коре. Область в недрах, соответствующая этим условиям, известна как зона стабильности газогидратов (ЗСГ). В обычных условиях газогидраты могут формироваться в донных отложениях морей, океанов, реже глубоких озёр[8]. Источником газа для их формирования обычно служит газ биогенного происхождения, сформированный глубинной биосферой в толще донных отложений, также это может быть катагенетический газ, образующийся на больший глубинах при разложении органического вещества в осадках. На суше залежи газогидратов приурочены в основном к областям развития многолетнемёрзлых пород на приполярных территориях. Известен ряд неглубокозалегающих залежей газогидратов, к примеру, в районе Бованенковского нефтегазоконденсатного месторождения на Ямале при разведке часто отмечался горизонт газогидратов на глубинах 50-70 м от поверхности, что выше верхней границы ЗСГ. Считается, что эти реликтовые газогидраты сформировались в других условиях давления и температуры - во время развития мощного покровного оледенения в ледниковые периоды, при котором верхняя граница ЗСГ могла достигать поверхности земли, погребённой под ледниковым щитом. После окончания оледенения газогидраты, залегающие выше границы ЗСГ, отвечающей условиям межледниковья, могут сохраняться законсервированными в метастабильном состоянии в условиях многолетней мерзлоты при определённых температурах для различных глубин[8].

В области развития многолетнемёрзлых пород давно известны взрывные процессы, сопровождающие разрушение некоторых форм рельефа. К ним ранее относились только взрывы гидролакколитов и наледных бугров. Они связаны с молниеносным высвобождением газов и воды, сжатых под влиянием промерзания замкнутых таликов. При этом могут наблюдаться либо растрескивание гидролакколитов и наледных бугров с последующим нарастанием наледи, либо формирование кратеров взрыва глубиной до 5 м, с выбросом больших масс льда и грунта[2][9][10].

По мнению некоторых московских учёных, воронки газового выброса имеют много общего со взрывами гидролакколитов и наледных бугров[2]. В то же время воронки газового выброса имеют значительно меньшую ширину при намного большей глубине, в сравнении с ранее описанными приповерхностными процессами.

Из многочисленных залежей нефти и газа происходит вертикальная миграция углеводородов. Места их выхода на поверхность называются сипами. Толща многолетнемёрзлых пород в приполярных областях служит малопроницаемым экраном и препятствует дегазации недр. Вследствие этого формируются небольшие подмерзлотные и внутримерзлотные залежи газа и воды в свободном или гидратном состоянии. Газоводяные флюиды в этих скоплениях мигрируют в субгоризонтальном направлении к местным повышениям нижней границы многолетней мерзлоты (которые часто формируются над месторождениями углеводородов и активными разломными зонами с повышенным тепловым потоком). Благоприятные условия для дегазации часто отмечаются на дне крупных длительно существующих озёр, под которыми развиты сквозные талики. На Ямале выявлены сотни подобных озёр[11].

Достоверно установлено, что на месте появления первого Ямальского кратера ранее существовал бугор с шириной основания 45-58 м, и высотой около 5-6 м. Вершина бугра была покрыта кочками с травянистой растительностью, вдоль его склонов произрастали заросли кустарников ивы[12].

Собственно воронки, как правило, имеют форму субвертикального эллиптического цилиндра, с коническим раструбом в верхней части. Диаметр жерлообразной части колеблется от 4[10] до 14-20 м. Оценки глубины дна в незатопленных воронках обычно составляют десятки метров[12], иногда достигая 60-100 м[10]. Внутренняя поверхность стенок кратера осложняется многочисленными кавернами и иногда в нижней части — гротами. Разрез стенок представлен преимущественно так называемыми пластовыми льдами — высокольдистыми осадочными породами[12][10].

Вокруг воронки исследователями выделяется бруствер — кольцевой навал выброшенных из воронки раздробленных горных пород. Разброс обломков пород может достигать первых сотен метров. Размер глыб выброшенных мёрзлых пород варьирует от первых сантиметров до 1 метра, реже до 5-8 м[12]. Бруствер может наблюдаться также и у воронок, сформированных на дне термокарстовых озёр. Объём породы в бруствере быстро сокращается до 6 раз за счёт таяния высокольдистых пород в выброшенном материале[12].

В некоторых случаях вокруг воронки наблюдается формирование концентрических трещин проседания[10], что может свидетельствовать о значимых объёмах дегазации обширной пластовой залежи.

Геологическое строение будет разобрано на примере наиболее изученной Ямальской воронки.

В целом разрез рыхлых отложений до глубины 50-60 м представлен пластовыми льдами и сильнольдистыми песками и супесями[9][13]. Исключение составляет лишь приповерхностный слой мощностью около 2 м, состоящий из мёрзлых и сезонно-талых песчано-глинистых пород. По геофизическим данным на глубине 60-70 м от поверхности установлено наличие слоя с аномально высоким удельным электрическим сопротивлением на глубине 60-70 м, интерпретируемого как выдержанный в плане пластообразный коллектор газогидратов[14][15]. В нижней части стенок воронки отмечается наличие множества каверн и гротов, отождествляемых некоторыми исследователями[2] с зоной диссоциации реликтовых метастабильных газогидратов. В отобранных на дне кратера пробах воздуха неоднократно отмечалось повышенное содержание метана. Во время зимней экспедиции в ноябре 2014 года во льду, покрывающем нижнюю часть стенок кратера, были обнаружены следы многочисленных выделений газовых флюидов[2].

Первое время стенки кратера представляли собой остатки штокообразного тела газонасыщенных пород, сложенных ячеистыми льдами. Для него была характерна субвертикальная слоистость по краям, сохранившаяся в стенках кратера, и наличие многочисленных пустот (каверн) в форме округлых ячеек размером от 2 до 40 см, иногда объединяющихся в вертикальные цепочки, широкое развитие пластических и разрывных деформаций. Многочисленные мелкие каверны в этих породах указывают на значительную насыщенность газом горных пород именно в пределах этого штока. По предположениям коллектива московских исследователей[2], над зоной диссоциации газогидратов в мелкозалегающей пластовой залежи в результате напорной вертикальной миграции флюидов и нараставшего пластового давления сформировался кавернозный газонасыщенный ледогрунтовый шток цилиндрической формы. Напорная фильтрация флюидов привела к многочисленным пластическим деформациям мёрзлых пород штока[16][17], в результате чего зона развития ячеистых льдов штока оказалась отделена от вмещающих пород трещиной со смещением и глинками трения[13]. Его движение вверх под давлением разлагающихся газогидратов привело на контактах с окружающей толщей пород к формированию контактового прослоя мёрзлых пород с субвертикальной слоистостью и многочисленными пластическими и разрывными деформациями[2][16]. К июлю 2015 года остатки штока с субвертикальной слоистостью разрушились при оттаивании и обрушении стенок воронки, обнажив ненарушенный массив осадочных пород с субгоризонтальной слоистостью.

Перекрывающая этот шток кровля приповерхностных сильнольдистых пород с отрицательной температурой должна была оказать экранирующий эффект, способствуя длительному накапливанию газогидратов в теле штока пород. В случае с Ямальским кратером мощность «покрышки» составляла около 8 м[18]. Под действием нараставших аномально высоких пластовых давлений кровля штока в течение десятков лет пластически деформировалась с образованием крупного бугра. При превышении пластовых давлений над литостатическим произошло разрушение покрышки и взрывообразный выброс на поверхность кавернозных пород штока под действием резкой декомпрессии и расширения газов в многочисленных кавернах. Раздробленные продукты выброса были выброшены наружу и осели вокруг воронки в форме бруствера[2][19].

Большинство исследователей, изучавших первую ямальскую воронку, сошлись во мнении, что эти формы рельефа сформировались за счёт лавинообразного выброса газов и газонасыщенных пород за считанные секунды[2][10]. Свободные газовые флюиды в небольших залежах в верхней части разреза рыхлых отложений (газовых карманах) могут быть либо в виде свободных флюидов, либо в составе газогидратов, и иметь биогенное или катагенетическое происхождение. Накопление газа в газовых карманах могло происходить вследствие ряда причин — либо диссоциации гидратосодержащих многолетнемёрзлых пород, либо за счёт поступления газа с подмерзлотных горизонтов, либо это мог быть свободный биогенный газ, сформированный в прошлом глубинной биосферой в донных морских отложениях[16][19]. По данным бурения на полуострове Ямал, газ, встречающийся на глубинах до 110 м обычно представляет собой метан биогенного происхождения[19]. По данным предварительных анализов, в водах озёр, сформированных внутри воронок газового выброса, по изотопному составу метана выделяются пробы с биогенным и термогенным метаном[20].

Соответственно, насыщение природным газом пород в верхней части разреза, необходимое для формирования воронки, может иметь 2 источника. В первом случае в качестве источника рассматриваются залежи биогенного газа и реликтовых газогидратов, находящиеся в метастабильном состоянии. При изменении условий среды (изменение давления, температуры пород) залежи реликтовых газогидратов начинают диссоциировать с выделением значительных объёмов свободных газовых флюидов. В качестве другого источника рассматриваются залежи природного газа из средней и нижней части разреза, залегающие ниже нижней границы развития многолетней мерзлоты. Теми или иными путями они постепенно мигрируют вверх по разрезу, задерживаясь на барьерах в виде пластов непроницаемых пород и нижней границы многолетнемерзлых пород. В районах развития глубинных разломов, сквозных таликов глубинный газ проникает к земной поверхности, где он или постепенно выходит на поверхность через небольшие грифоны, или накапливается в толще приповерхностных пород, формируя условия для образования воронки газового выброса. Научные коллективы разделились в вопросе источников газа для формирования воронок газового выброса.

Диссоциация реликтовых газогидратов

Детальными геофизическими работами рядом исследователей выявлены признаки, указывающие на широкое развитие горизонта реликтовых газогидратов под Ямальской воронкой и в прилегающей местности на глубинах 60-70 м от поверхности[14][20], что соответствует имеющимся данным о широком развитии газогидратов на глубинах 60-100 м в пределах Бованенковского месторождения[16]. Диссоциация газогидратов могла произойти в результате резкого падения давления при тектонических деформациях пород, либо из-за локального повышения температуры пород коллектора, вызванного влиянием термокарстовых процессов под существовавшим ранее озёром[21][20], либо из-за общего роста температур многолетнемерзлых пород, вызванным процессами глобального изменения климата[21]. В целом при диссоциации газогидратов выделяется до 180 м3 газа и 0,8 м3 воды[10].

Наиболее вероятным фактором, запустившим процесс диссоциации газогидратов в ограниченной зоне, ряд учёных рассматривают формирование глубоких чаш протаивания под существовавшим ранее озером — воздействие длительно существующих поверхностных водоёмов является наиболее сильным отепляющим фактором в криолитозоне. По некоторым данным, достаточно повышения температуры на глубине залегания коллектора реликтовых газогидратов до −1° — −3°С, чтобы это привело к их дестабилизации и разложению[16]. При их диссоциации выделяется свободный газ и переохлаждённая вода (криопэги).

Некоторые научные специалисты[1][13] основную роль в диссоциации газогидратов отводят изменениям климата, в частности аномально тёплому лету 2012 года. По их данным, рост температур горных пород составил 2,3°С, а в сезон экстремально тёплого 2012 года глубина протаивания выросла до 160 см, что привело к необычной активизации процессов термоденудации на Центральном Ямале. В таком случае повышение температуры должно было распространиться на глубину до 60 м, на которой находятся реликтовые залежи газогидратов. Но согласно данным геокриологического стационара Марре-Сале ВСЕГИНГЕО на Западном Ямале температуры пород в недрах в период с 2001 по 2015 год практически не изменились, а сезонные изменения температуры грунта полностью затухают на глубине 8 м, а долговременные многолетние циклы изменения температур исчезают на глубине 20 м от поверхности[2]. По данным измерений в июле 2014 года глубина протаивания прилегающей к Ямальской воронке площади варьировала от 53 до 77 см.

Миграция подмерзлотных газов к поверхности

В то же время геофизическими работами[20] выявлена приуроченность расположения кратера к узлу пересечения разломов, и пониженная мощность развития многолетней мерзлоты непосредственно под кратером. Также кратер располагается над Южно-Муртинской структурно-стратиграфической ловушкой, перспективной на углеводороды. Наличие над нефтегазовыми месторождениями повышенного теплового потока сопровождается таянием подошвы многолетней мерзлоты и восходящей миграцией газовых флюидов, что также могло послужить источником газовых флюидов, накопившихся в коллекторе[20]. Известны данные о значительной дегазации недр в районе озёр Нейто в центральном Ямале в результате выхода газов из Нейтинского месторождения через проницаемые разломные зоны к поверхности[22]. В таком случае мигрирующие газы могут выходить в районах повышенного теплового потока через глубинные разломы, разрывающие всю толщу осадочных отложений, либо в районе нижней границы развития многолетнемерзлых пород мигрировать в участки с пониженной мощностью развития многолетней мерзлоты или участки развития сквозных таликов под крупными озёрами и реками. В случае сквозных таликов будет происходить постепенная дегазация через небольшие грифоны. Аналогичным образом, сталкиваясь с приповерхностными экранами, газоводяные флюиды будут накапливаться в ограниченном объёме горных пород, формируя шток газонасыщенных пород[21].

Формирование зоны транзита

Возникшие газоводяные флюиды мигрируют вверх. Это может происходить как сквозь толщу мёрзлых пород, как было установлено для ямальского кратера, так и через сквозные талики по разломным зонам или под крупными долгоживущими поверхностными водоёмами. В случае напорной фильтрации сквозь толщу мёрзлых пород зона транзита преобразуется в шток ячеистых льдов[16].

В верхней части разреза на пути мигрирующего газа встречается экранирующий слой многолетней мерзлоты (флюидоупор), непроницаемый для газовых флюидов[16]. Накапливающийся газ движется в субгоризонтальном направлении в сторону повышений нижней границы флюидоупоров либо их выклинивания. В верхней части разреза хорошо известны вертикальные каналы миграции газовых флюидов — так называемые газовые трубы[23]. Обычно они представляют собой сквозные подозёрные талики либо ослабленные зоны в ледогрунтовых породах. По этим каналам газовые флюиды могут подняться вплотную к поверхности. При отсутствии приповерхностного флюидоупора формируется грифон, в котором идёт постепенная дегазация. Впоследствии озеро могло быть либо спущено и сильно сократиться в размерах, либо его дно могло деформироваться в результате увеличивавшихся пластовых давлений. При замерзании дна спущенных озёр (хасыреев) под приповерхностным слоем промёрзших пород, непроницаемых для газовых флюидов, образуется зона концентрации газовых флюидов. Постепенно формируется насыщенное газом тело — шток, в случае Ямальского кратера имевшего диаметр чуть более 15 м, и высоту около 40-50 м[2][21]. Возрастающее пластовое давление приводит к пластическим деформациям непроницаемой покрышки, с формированием бугра над зоной транзита и концентрации[21]. В дальнейшем при превышении пластового давления флюидов над давлением вышележащей толщи пород происходит разрушение покрышки и взрывообразный выброс пород штока. На стадии развития взрыва, вызванного резкой декомпрессией, происходит лавинообразное дробление насыщенных сжатым газом кавернозных пород штока, лавинообразно развивающееся от покрышки вверху до горизонта диссоциирующих реликтовых газогидратов в подошве штока, что приводит к появлению узкого цилиндрического углубления с глубиной в десятки метров[2][19][18]. Модель последовательного разрушения пористого материала штока при этом близка к процессам, происходящим непосредственно в начале вулканических извержений при декомпрессии резко вскипающего, застывающего и дробящегося магматического материала в жерле вулкана[21]. При этом выброшенный сильно льдистый материал отлагается вокруг кратера выброса в виде активно тающего бруствера.

В сентябре 2018 года группа исследователей из МГУ опубликовала статью в авторитетном научном журнале Scientific Reports, в которой утверждается, что Ямальский кратер — первый обнаруженный на Земле криовулкан[5]. В условиях низких температур вместо расплавленных скальных пород криовулканы извергают воду, аммиак, метан — как в жидком состоянии (криолаву), так и в газообразном. В земной криолитозоне главным породообразующим веществом является лед.[24] Согласно гипотезе ученых, подобные кратеры образуются следующим образом: в глубоком талике под термокарстовым озером накапливается газ биогенного происхождения — так появляется бугор пучения. Затем под действием гидростатического давления, возникающего из-за замерзания и оттаивания льда мерзлоты углекислый газ взрывается, и начинается извержение воды и талых пород, которое может длиться до суток. После взрыва образуется кратер, окруженный валом. Похожие объекты известны на Церере, где криовулканом считается самая большая гора, Энцеладе, Плутоне и других небесных телах. Ранее криовулканы ещё не были обнаружены на Земле, но специалисты не исключают, что они могут быть не только в Арктике, но и по всей планете.[25][26]

Но не все исследователи согласны с этой точкой зрения. Ученые из Института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН считают, что природа Ямальского кратера остается дискуссионной. Они утверждают, что полевые исследования похожих воронок, говорят о других причинах их возникновения. Так, через 30 часов после образования воронки на реке Сёяха в смеси летучих компонентов метана было обнаружено более 90 %. При этом в июле 2014 года над Ямальским кратером также наблюдалось повышенное содержание метана. Кроме того, по свидетельствам очевидцев, некоторые кратеры на Ямале взрывались с воспламенением. Сам факт воспламенения противоречит криовулканической гипотезе[27].

Вследствие значительного увеличения пластовых давлений при диссоциации газогидратов или концентрировании газоводяных флюидов вблизи поверхности это будет приводить к деформации экранирующей шток приповерхностной кровли и формированию положительной формы рельефа — бугра[2], по внешнему виду аналогичного классическим криогенным буграм пучения (пинго, булгуннях, гидролакколит)[28].

При изучении архивных космоснимков отмечалось наличие бугра на месте формирования воронки в последующем. Дендрохронологические исследования сохранившихся кустарников, проведённые тюменскими учёными, указывают на продолжительность роста бугра на месте Ямальского кратера в течение не менее 66 лет[29]. Ширина его основания составляла 45-58 м, высота — около 5-6 м. В то же время результаты анализа архивных космоснимков Сеяхинской воронки, возникшей в русле реки Сёяха, указывают на зарождение бугра с отклонением русла реки в 2015 году, то есть за 2 года до его извержения в 2017 году[30]. Вершина бугра была покрыта кочками с травянистой растительностью, вдоль его подножия произрастали кусты ивы[12][29]. Обработка стереопар спутниковых снимков района возникновения Антипаютинской воронки выявила меньшие размеры бугра, предшествовавшему образованию кратера — 2 м в высоту и 20 в ширину[31].

Некоторые исследователи предполагают, что при быстром нарастании давления и ускоренном развитии газонасыщенного штока пород стадия бугрообразования может быть проявлена слабо либо вообще отсутствовать[10][21].

По данным математического моделирования для Ямальской воронки, для разрушения покрышки из мёрзлых пород мощностью около 8 м достаточно увеличения пластовых давлений до 12,5 атм. Разброс обломков породы при выбросе обычно составляет десятки метров, иногда достигает 300—900 м[11].

По некоторым данным, местные жители севера Западной Сибири неоднократно становились свидетелями образования воронок газового выброса, которые нередко сопровождались самовоспламенением газо-воздушной смеси[32]. В случае возгорания газа, выделяющегося при газовом выбросе, сила взрыва многократно усиливается. Имеются некоторые фото- и видеосвидетельства. Также, со слов учёных, в одной из новых воронок процессы роста бугра и извержение повторились[33].

После своего формирования воронки газового выброса, расположенные в пределах озёр и русел рек — затапливаются быстро, а те воронки, что были расположены на возвышенных участках — в течение нескольких лет[34][35]. Это сопровождается активным таянием и обрушением сильнольдистых пород в стенках кратера. При разрушении перемычек между соседними озёрами происходит их слияние и образование озёр сложной формы[36].

Есть данные о том, что в воронках дегазация грунтов продолжается и после их образования. По данным замеров в Ямальском кратере в июле 2014 года, было отмечено отмечено повышенное содержание метана вблизи дна воронки (до 9,8 %)[1]. В дальнейшем вода во внутреннем озере имела содержание метана, на порядок превышавшее его содержание в соседних озёрах, наиболее высокие значения были отмечены после покрытия внутреннего озера льдом[20].

После того, как осенью 2013 года образовалась Антипаютинская воронка, в период между 8 марта 2016 и 16 июля 2017 гг. было зафиксировано появление крупного бугра внутри разрушавшейся воронки. Московские исследователи отмечают продолжение активных газогидродинамических процессов внутри новообразованных воронок, и не исключают возможности повторных извержений[34].

На полуострове Ямал было выделено 6 основных морфогенетических типов озёр: лайдовые, термокарстовые (пойменные), глубоко-котловинные, хасырейные (остаточные), четковидные и тектонические[7]. Глубоко-котловинные озёра характеризуются преимущественно изометричной формой, наличием мелководного «шельфа» и переуглублённой серединой. Также учёные отмечали, что при массовых промерах глубин озёр разных типов, даже относительно мелководных, на их дне встречались воронковидные углубления. Эти углубления при спуске озера превращались в изолированный водоём, подпитываемый напорными подземными водами, в связи с чем их обозначали как «жерла гидровулканов»[7]. В связи с последними открытиями появилась гипотеза формирования большей части озёр этого типа в предыдущие годы, в том числе в период климатического оптимума голоцена, в случае если климатический фактор играет основную роль как драйвер активизации взрывных процессов дегазации недр[13][37].

С началом активного освоения приполярных территорий на север Западной Сибири было обращено повышенное внимание исследователей и крупных компаний. Подобные воронки обнаруживались и ранее, но они не привлекали к себе внимания[19][36].

Ямальская воронка была обнаружена экипажем Надымского авиаотряда к югу от Бованенковского нефтегазоконденсатного месторождения в июле 2014 года[38][39]. Сообщения о находке и опубликование видеоматериалов вызвали интерес во всем мире. Спустя несколько дней после появления видео в сети[40][41][42] и распространения новости о необычной воронке в отечественных[43][44] и зарубежных[45][46][47] СМИ в район событий отправилась первая рекогносцировочная экспедиция из Института криосферы земли СО РАН[48][49][50].

В течение 2014 года было обнаружено суммарно 6 крупных воронок газового выброса[19]. В период до 2016 года число выявленных на суше крупных воронок достигло 10.

Для систематизации данных о ранее образовавшихся и потенциально опасных воронках газового выброса в ИПНГ РАН было создана геоинформационная система «Арктика и Мировой океан» (ГИС «АМО»)[11][35][51]. Позднее в эту ГИС были добавлены сведения о 20 тысячах сипов нефти и газа.

После открытия воронок газового выброса в ИПНГ РАН совместно с Роскосмосом ведут мониторинг состояния всех необычных объектов, связанных с выбросами газа с помощью материалов дистанционного зондирования Земли[11][36].

С момента обнаружения всех аномальных объектов, связанных с выбросами газа, в ИПНГ РАН в сотрудничестве с Госкорпорацией «Роскосмос» ведется мониторинг их состояния с использованием материалов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), включая отечественный спутник «Ресурс-П».

• Ямальский кратер (полуостров Ямал)
• Сеяхинский кратер (полуостров Ямал)
• Антипаютинская воронка (Гыданский полуостров) 27 сентября 2013[31]