Взрывная мерзлота

В 2014 году на полуострове Ямал был обнаружен 25-метровый кратер, похожий на след падения метеорита, а в последующие годы в регионе было найдено еще несколько таких воронок. Разбираемся откуда они берутся, появятся ли они в будущем в других районах Арктики, и могут ли они быть опасны для промышленной инфраструктуры.

«Невероятная воронка»

Эта история, как и многие другие, начинается с фразы «в сети появилось видео». Так вот, в июле 2014 года в интернете появился короткий ролик, озаглавленный «Ямал. Невероятная воронка», который был снят, судя по звуку и тряске, с борта вертолета (его копии здесь и здесь). В нем в иллюминаторе за бортом был виден кратер, окруженный валом.

Скоро ямальская пресса выяснила подробности: «невероятную воронку» сняли вертолетчики Надымского авиаотряда примерно в 30 километрах к югу от Бованенковского газового месторождения. В версиях недостатка не было: телевизионные эксперты, глядя на фотографии, допускали и падение метеорита, и антигравитационный «антиболид», и взрыв газа. Некоторые подозревали, что в этой точке могут быть кимберлитовые трубки, а значит — и алмазы.

Первые ученые оказались на месте уже через несколько дней после находки, им удалось определить, что в воздухе повышено содержание метана, а радиационный фон был в норме. Осенью специалисты Института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН провели геофизические исследования, которые позволили описать конфигурацию и свойства пород вокруг воронки.

Ямальский кратер стал сенсацией: в 2016 году прошла научная конференция, посвященная ему, в 2018 году появилась статья о нем в журнале Scientific Reports. Однако история на этом не закончилась: с тех пор в среднем раз в один-два года в ямальской тундре находят новые воронки, последняя из них была обнаружена совсем недавно — летом 2020 года. Продолжают множится гипотезы об их происхождении и вопросы: почему мы раньше не находили такие кратеры? Как именно они возникают? Связано ли их появление с климатическими изменениями и деятельностью человека? Несут ли они угрозу для арктической инфраструктуры? Пока очевидно, что воронки связаны с процессами в вечной мерзлоте, но с какими именно? Чтобы выяснить это, нужно сначала рассказать, как устроена мерзлота.

Чем живет мерзлота?

Если начать копать яму в любой точке почти 65 процентов территории России, то очень скоро вы наткнетесь на слой промерзшего грунта, который никогда не оттаивает. Эта мерзлая порода сцементирована льдом, доля которого (так называемая льдистость) может достигать 90 процентов общего объема породы. Однако вечная мерзлота не остается в вечном покое, в ней протекает множество природных процессов.

Над собственно вечномерзлым слоем расположен так называемый деятельный слой, который оттаивает летом и вновь промерзает зимой. Его глубина обычно не превышает двух метров и зависит от климатических условий и погоды, от характера почвы и растительности сверху.

Но даже в слое вечномерзлых грунтов нередко встречается вода в жидком виде. Она бывает надмерзлотной, то есть циркулирует в деятельном слое, межмерзлотной — это так называемые «талики», линзы оттаивания внутри вечной мерзлоты — и подмерзлотной, то есть расположенной ниже нижней границы мерзлоты. Именно талая вода — главный двигатель множества разнообразных процессов в мерзлоте.

В частности, вытаивание подземных льдов может происходить неравномерно, и тогда в какой-то области начинается проседание грунта. Если это случается в замкнутой бессточной области, возникает термокарстовый провал, заполненный водой — термокарстовое озеро. Если вытаивание идет на склоне, излишки воды вместе с переувлажненными породами стекают вниз по склону (процесс термоденудации), в результате образуются полузамкнутые вогнутые понижения — термоцирки.

Обратный процесс — замерзание талой воды — порождает не впадины, а «холмы» — бугры пучения. В Якутии их называют «булгунняхи», а в Северной Америке они известны под инуитским названием «пинго». Бугры пучения имеют форму купола, а внутри них — ледяное ядро, которое образуется при промерзании водонасыщенных отложений или горизонтов подземных вод.

Картину взаимодействия грунта, воды и льда осложняет природный газ, который присутствует в толще пород во многих «мерзлых» регионах. В частности, для севера Западной Сибири, где расположены все достоверно описанные «кратеры», газонасыщенность — является главной региональной особенностью. Газ встречается в коллекторах месторождений под слоем многолетнемерзлых пород, внутри самой мерзлой толщи (в том числе в форме газогидратов — молекулярных соединений воды и метана, которые существуют при низких температурах и высоком давлении и разрушаются в ходе таяния вечной мерзлоты). Кроме того, метан накапливается и в приповерхностных грунтах в результате разложения органики и просачивания газа снизу.

С точки зрения химии природный газ в мерзлоте состоит в основном из метана (до 99 процентов), могут встречаться примеси угарного газа, углекислого газа, водорода, сероводорода. В одном кубометре грунта может быть до 50 граммов метана. По каналам из подземных ловушек, а также из приповерхностного слоя газ просачивается на поверхность, что порой сопровождается резкими выбросами газа и катастрофическими взрывами (в случае, если газ воспламеняется).

Техногенные выбросы газа нередко возникали в процессе разведки и разработки месторождений, но еще в 1930-х годах ученые описали естественные выбросы газа, связанные с буграми пучения. Ненцы рассказывали о случаях оглушительного треска, сопровождающего взрывы бугров.

Механизм этих взрывов достаточно прост — под ледяным ядром бугра накапливается газ. Когда давление достигает критических значений, возможен взрыв центральной части бугра и выброс грунта с образованием понижения округлой формы. Размеры таких понижений обычно меняются в пределах 1-25 метров в диаметре и достигают 2-5 метров в глубину.

Некоторые ученые считают, что это и есть разгадка феномена ямальского кратера, что они — это след взрывов бугров пучения. Однако другие указывают, что свежие кратеры, подобные ямальскому, значительно крупнее и глубже, а следы от взорвавшихся бугров пучения похожи скорее на мелкие блюдца. Какой же именно механизм "дырявит" мерзлоту?

«Воронки газового выброса»

В большинстве научных статей, посвященных «кратерам» на севере Западной Сибири, авторы называют их «воронками газового выброса». Термин указывает на связь воронок с газами, накопленными в мерзлоте. Однако напрямую связать воронки с известными механизмами дегазации мерзлоты и формами мерзлотного рельефа оказалось непросто.

Достоверно описанные свежие воронки газового выброса имеют несколько общих черт, отличающих их от других криогенных форм.

Главным образом, это касается размеров — диаметр колеблется в пределах 20-30 метров, а глубина достигает 20-70 метров. Вокруг всех воронок есть концентрический вал из выброшенного грунта, некоторые фрагменты грунта находят на расстоянии до 100 метров и более, что свидетельствует о значительном давлении при выбросе или взрыве газа. Во всех воронках был лед или льдистые породы в стенках, а в тех случаях, где удалось вскоре после обнаружения взять пробы воздуха, было зафиксировано повышенное содержание метана. Сами формы могут занимать совершенно разные позиции в рельефе, но достоверно доказать, что в месте воронки раньше был бугор, удалось не для всех воронок.

«Мы категорически настаиваем, что воронки газового выброса — это не результат взрыва бугров пучения», — говорит N+1 Александр Кизяков, ведущий научный сотрудник кафедры криолитологии и гляциологии географического факультета МГУ.

По его словам, булгунняхи образуются при промерзании таликов в днищах термокарстовых озер, а воронки газового выброса появляются в очень разных геоморфологических ситуациях, в том числе, в прирусловых частях речных долин, и наоборот — у водоразделов.

«Установлено, что воронкам предшествует образование положительной формы рельефа — бугра, который затем взрывается. На наш взгляд, формирование этих бугров обусловлено деформацией пород под действием миграции и накопления газа. Этот процесс не имеет отношения к классическим схемам роста бугров пучения, принятым в мезлотоведении», — считает Кизяков.

Он и его коллеги предлагают использовать термин «бугор-предшественник», поскольку бугры пучения возникают в результате других процессов. По его словам, в отличие от классических бугров пучения, бугры-предшественники воронок существуют очень недолго (несколько лет), и это хорошо видно при ретроспективном анализе космических снимков Сеяхинской воронки.

Однако не все данные свидетельствуют в пользу краткой жизни бугров-предшественников. Например, дендрохронологический анализ кустарника, который рос на бугре-предшественнике ямальского кратера и был отброшен в момент взрыва, показал, что деформация поверхности здесь началась за 66 лет до образования воронки. К сожалению, другие методы оценки темпов деформации поверхности для этого временного диапазона недоступны — топографические карты этих районов обновляются нерегулярно, материалы архивной аэрофотосъемки засекречены, а то, что есть имеет слишком низкое пространственное разрешение для достоверной идентификации бугров-предшественников.

Большинство версий появления воронок основано на чисто «механической» природе: газ накапливается под поверхностью, давление достигает критического значения и происходит сильный выброс с проламыванием кровли газовой ловушки.

Но Глеб Краев говорит, что в некоторых случаях возможны и взрывы, сопровождающиеся горением. «В некоторых воронках, например, Сеяхинской и Бованенковской, были обнаружены обгорелые куски породы и дерна, их можно рассматривать как свидетельства взрыва. Если в области накопления газа есть факторы возгорания, то происходит взрыв — для этого нужно 5-20 процентов метана и кислород. Если метана меньше, его концентрация недостаточна для взрыва, а если больше — недостаточно кислорода. Возгорание может происходить как в самой ловушке, так и уже при проламывании ее кровли», — сказал ученый.

Взрывается ли газ, или просто выбивает "крышку" над собой, не вполне ясно, как нет и точного ответа на вопрос:

Откуда газ?

У ученых нет единого мнения по поводу источников газа в воронках и механизмах его выброса. Основные гипотезы сводятся к следующим вариантам:

• газ поступает из газоносных подмерзлотных горизонтов;

• газ накапливается в самих мерзлых породах в результате разрушения газогидратов;

• газ накапливается биохимическим путем в результате жизнедеятельности микроорганизмов;

• газ имеет смешанное происхождение.

Не вполне ясна и природа ловушек, в которых газ накапливается.

«Накопление газа, возможно, происходит, в линзах криопэгов (засоленых толщ грунта) и под пластами льда, которые играют роль ловушек. Лед для газов точно непроницаем. Неоднородности в толще пластового льда и неровности его подошвы создают условия для концентрации газа, которая в дальнейшем приводит к деформации льда и перекрывающих отложений с образованием бугра-предшественника», — считает Александр Кизяков.

По данным группы под руководством Глеба Краева, специалиста по газам в мерзлоте из Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, ловушки для газа могут образовываться как в самой мерзлоте, так и под ней, а первоначальным источником газов вполне могут быть крупные глубинные газовые коллекторы — то есть газовые месторождения.

«На глубине много газа, в каждом случае надо смотреть на конфигурацию газоносного резервуара, его объемы, давление, — объясняет Краев. — Основной газоносный резервуар на Ямале расположен на глубине около 3 километров. От него, по ослабленным зонам в кровле, в любом случае есть утечки газа, стремящегося к поверхности, но как они проходят по мерзлоте, сказать никто не может. Обычно считается, что мерзлота для газов непроницаема. Но такие категоричные заявления часто основаны на том, что мы просто чего-то еще не знаем».

По его словам, ранее проводились лабораторные эксперименты, чтобы определить проницаемость мерзлоты с разной льдистостью. Они показали, что если мы имеем дело с песком, и льда в нем меньше 50 процентов, то газ через нее проходит.

«Получается, что если мы говорим о длительном периоде времени, то из коллекторов могло утечь достаточно много газа. Возраст газа и газовых коллекторов на Ямале — мезозойский, с тех пор газ и начал утекать. А возраст и происхождение ловушек, в которых происходит вторичное накопление, в том числе в мерзлоте, может быть любым с того времени. На поверхности индикаторами ловушек могут выступать бугры пучения», — говорит ученый.

Всего можно насчитать четыре основные гипотезы образования воронок, основанных на разных вариантах происхождения газа и природы ловушек, где он накапливается:

1. Нефтегазовые месторождения разогревают газогидраты. Авторы этой версии связывают образование воронок с разрушением газогидратов на глубине 60-80 метров, а источником тепла, который разогревает газогидраты в верхних слоях, может быть крупная нефтегазоносная структура, которая «как бы растапливает мерзлоту снизу».

2. Озера - окна дегазации. Эта гипотеза объясняет образование воронок выбросами глубинного газа, который под давлением в пластах многолетнемерзлых пород мигрирует, накапливается в подходящих для этого ловушках, а при достижении критического давления прорывается на земную поверхность или в водную толщу через ослабленные зоны — крупные реки и термокарстовые озера, которые «выполняют функцию окон дегазации Земли в Арктике». Другой вариант этой гипотезы объясняет образование воронок локальным прогревом мерзлоты тепловым потоком от поверхностных водоемов. При этом под озером образуется область повышенных относительно окрестных пород, но все еще отрицательных температур. Гидратсодержащая мерзлота ниже этой области нагревается, метан выделяется и накапливается под озером в виде газонасыщенного штока, который разрывает «кровлю».

3. Это криовулкан. Авторы этой гипотезы считают воронки газового выброса земным аналогом криовулканических процессов, обнаруженных на некоторых телах Солнечной системы, связывает их формирование с взрывным разрушением неглубокого подозерного талика, в котором накопился газ бактериального происхождения.

   

   Поделиться

4. Дело в потеплении. Авторы этой гипотезы считают, что воронки газового выброса возникают из-за климатических изменений и роста температуры мерзлоты. За последние 14 лет температура на западном побережье Центрального Ямала выросла на 2,3 градуса Цельсия, а летом 2012 года наблюдалась экстремально сильная для этого региона жара. Именно это, по мнению авторов, и привело к появлению первого «кратера» в 2014 году. Сдвиг в датах между экстремальной жарой и взрывом ученые объясняют инертностью мерзлоты, которая не мгновенно реагирует на изменения климата, но теплеет постепенно и с отставанием.

   

   Поделиться
   
   

Уникален ли Ямал?

Ученые ищут воронки газового выброса на спутниковых снимках и данных аэрофотосъемки, но пока практически нигде не удалось найти объекты, морфологически близкие к западносибирским «кратерам». Главный их признак — бруствер из выброшенного грунта вокруг котловины, и пока единственная такая воронка с бруствером за пределами севера Западной Сибири была найдена только в дельте Лены - на спутниковых снимках.

Александр Кизяков и его коллеги считают, что воронки газового выброса встречаются на суше только на севере Западной Сибири, поскольку только там есть условия для их формирования (а не потому, например, что в других местах хуже искали).

«Здесь в четвертичном периоде была череда морских трансгрессий и регрессий, накапливались мощные толщи мелководных морских отложений с большим количеством органики, — рассказывает Кизяков. — Основным источником метана стало разложение органического материала, плюс на ранних этапах до промерзания морских отложений происходила миграция газов снизу. В итоге мы получили насыщенную газом горизонтально-слоистую толщу в десятки — первые сотни метров мощностью, которая промерзла в регрессионные этапы (время четвертичных оледенений), в ней образовались залежи пластового льда».

Он добавил, что в Северной Америке и Восточной Сибири условия в четвертичное время были другими: преобладало не морское, а континентальное осадконакопление, количество органики, а значит и газов, было другим. «Выходит, что пока можно говорить только об одном регионе, где все условия сложились для этой специфической разновидности процессов мерзлотных процессов — и пока достоверные данные это подтверждают», — говорит ученый.

Такой подход существенно сужает пространственные границы явления, но не означает, что в других регионах такие выбросы не происходили в прошлом, в частности — в климатический оптимум голоцена (около 6 тысяч лет назад), когда температуры в Европе и Арктике были выше современных. Это могло приводить к глубокому протаиванию мерзлоты и вполне может объяснить существование в Сибири переуглубленных озер, которые ранее считались термокарстовыми.

Потенциальные угрозы

Если появление воронок газового выброса в последние годы связано с глобальным потеплением, то логично ожидать увеличение их количества и в будущем.

«Повышение температуры воздуха воздействует на мерзлые породы не напрямую, а через ряд покровов, задерживающих и сглаживающих изменения на поверхности — зимний снежный покров, растительность, почвенный покров. Реакция мерзлых пород на климатические изменения весьма дифференцирована, это сильно зависит от локальных условий. Но уже сейчас, с отставанием от изменений климата, мы точно можем сказать, что меняется и состояние мерзлых пород. Воронки газового выброса — одно из проявлений этого процесса. Мы будем находить все больше и больше воронок — как и многих других проявлений таяния мерзлых пород», — говорит Кизяков.

Более того, воронки газового выброса сами могут влиять на изменение климата, поскольку они сопровождаются выбросами метана — важнейшего парникового газа. Хотя срок его жизни в атмосфере на порядок меньше, чем углекислого газа, его парниковый эффект в десятки раз превосходит эффект CO2.

«Процессы выделения газа из геологических источников в зоне вечной мерзлоты очень плохо изучены, возможно мы их недооцениваем. Сами по себе воронки имеют небольшой вклад, важнее другое — они обратили внимание на выделение глубинных газов. По-видимому, есть масса процессов, при которых из мерзлых пород высвобождается метан и выходит на поверхность. Очевидно, что скопления газа в мерзлоте есть. Их мало изучали раньше, поскольку они не формируют промысловых запасов. Что это за газ, откуда он берется, какие опасности с ним связаны, сколько его просачивается через мерзлоту и выбрасывается в атмосферу в ходе разных процессов — предстоит выяснить», — говорит Краев.

Нельзя сбрасывать со счетов вероятность, что в будущем воронки в мерзлоте начнут возникать гораздо чаще. Все исследователи сходятся в том, что выброс газа с образованием взрывной воронки глубиной в многоэтажный дом создают высокие риски для людей и инфраструктуры промысловых районов северной Сибири. Промышленники хорошо осведомлены о криогенных процессах, стараются обходить заведомо опасные места и измеряют уровень метана на объектах нефтегазовой инфраструктуры.

Никому из строителей не придет в голову прокладывать трубопровод через бугор пучения, но если на трассе в неожиданном месте образуется короткоживущий бугор, который через несколько лет взорвется — это серьезная и пока непредсказуемая опасность. «Необходимо тщательно изучать это явление, чтобы суметь предсказать, насколько велика вероятность таких сюрпризов от вечной мерзлоты», — говорит Глеб Краев.