The development of explosive process in cryolithic zone due to formation of Yamal Crater

Введение

В области распространения многолетнемёрзлых пород (ММП) есть группа процессов известных давно, но не привлекавших к себе особого внимания, поэтому слабо изученных. К ним относятся взрывы гидролакколитов и наледных бугров. В последние годы к ним прибавились сходные по внешним проявлениям образования связанные с газовыми выбросами.

Прежде всего, следует определить, можно ли объединить отмеченные процессы в одну группу. Мы считаем, что их все можно отнести к одной группе физических взрывов. Рассмотрим насколько понятие взрыв применимо к процессам, наблюдаемым в криолитозоне. Согласно ГОСТ Р 22.0.08-96, взрыв — это «процесс выделения энергии за короткий промежуток времени, связанный с мгновенным физико-химическим изменением состояния вещества, приводящим к возникновению скачка давления или ударной волны, сопровождающейся образованием сжатых газов или паров, способных производить работу» ^[8].

Взрывные процессы, наблюдаемые в криолитозоне, относятся к физическим взрывам, связанным с возникновением внутреннего давления в полости, заполненной жидкостью или газом, превышающим предельно допустимые значения прочностных характеристик вмещающей среды. Физические взрывы чаще всего связаны с неконтролируемым высвобождением потенциальной энергии сжатых газов из замкнутых объемов ^[11]. К ним же следует отнести взрывы, формирующиеся при промерзании водного потока, или при всестороннем промерзании воды в замкнутом объеме, а так же взрывы сжатого газа содержащегося в грунтовом массиве вне зависимости от его генезиса. Основной причиной их образования является не химическая реакция, а физический процесс, обусловленный высвобождением внутренний энергии жидкости или газа за короткое время. Физические взрывы не сопровождаются химическими реакциями с выделением энергии, они являются следствием перехода запасенной потенциальной энергии в кинетическую энергию движения газов и жидкостей. После того когда замкнутая полость с содержащимся газообразным или жидким веществом при повышенном давлении разрушается, происходит выброс этого вещества с генерацией волн давления. При этом потенциальная энергия сжатого газа или жидкости переходит в энергию ударной волны.

Подготовка взрывов в естественных условиях сопровождается комплексом сменяющих друг друга процессов и образований. Предлагаемая статья посвящена выявлению общих закономерностей развития естественных взрывных процессов в криолитозоне.

Взрывы гидролакколитов

В геокриологии взрывные процессы в естественных условиях известны давно. Связаны они в большинстве случаев с взрывами гидролакколитов и наледных бугров. Образование и взрывы гидролакколитов обусловлено, как правило, промерзанием несквозных подозерных таликов и возникновением напорных подземных вод. В некоторых случаях такие взрывы наблюдались

и в сезонноталом слое. В 1930-х годах В.И. Андреев ^[2], проводивший исследования на Ямале, сообщал, что, по рассказам ненцев, в Байдарацкой тундре зимою со стороны бугра раздавался оглушительный треск (взрыв), после чего здесь находили надземную наледь. В связи с этим автор предположил, что подо льдом находится полость, наполненная водой, а, быть может, отчасти и газом, которые во время глубокого растрескивания бугров и выбрасываются на поверхность. О.И. Баженова ^[3], рассматривая механизмы функционирования озерно-флювиальных систем Южного Забайкалья, приводит данные о взрывах гидролакколитов, сформировавшихся в озерных котловинах. Они имеют овальную форму, высоту 1.5–2.5 м, длину 50–100 м. Взрывы происходят не только зимой и весной, но и летом. Часто взрывы бугров сопровождаются сильным звуком, напоминающим орудийный выстрел, который слышен в радиусе 7–10 км. При этом возникают новые формы рельефа, представленные воронками — кратерами взрыва. Диаметр воронок изменяется от 1 до 15–25 м, глубина составляет 2–5 м. Во время взрыва из воронок выбрасывается большой объем льда и грунта. В днище пади Арангот 24 мая 1964 г. в 14 ч по местному времени А.Н. Скляревская наблюдала взрыв крупного гидролакколита (размеры 30х50 м при высоте 2.5 м, лед залегал с глубины 0.35 м), который был слышен на расстоянии до 6 км. Во время взрыва из центральной части бугра было выброшено большое количество песчано-дресвяного материала с глыбами льда, размер которых достигал 2х1.5х0.7 м. В результате взрыва образовалась продолговатой формы воронка длиной 15 шириной 2–4 и глубиной около 2 м ^[4]. Н.С. Богомолов 20 июля 1964 г. наблюдал взрыв гидролакколита в долине р. Урейки (левый приток Акши). Ширина основания бугра 18–20 м, высота 0.8–1 м. Гидролакколит разорвался с грохотом, после которого последовало шумное извержение громадного количества воды в виде столба размером 3х2.5х1.7 м, с дебитом 12 м3/с, продолжавшееся 15 мин ^[4]. Размеры гидролакколитов изменяются в больших пределах: диаметр основания от 20 до 250 м, а высота — от 2 до 70 м. Кровля бугров обычно состоит из переслаивающихся льдистых суглинков и супесей мощностью 2–10 м, под которыми залегает ледяное ядро мощностью в несколько десятков метров (до 60 м) ^[33]. Растущие гидролакколиты подстилаются талыми водоносными горизонтами, или водяными линзами мощностью до 2 м, обладающими гидравлическим напором (рис. 1).

Взрывы наледных бугров

Для Забайкалья имеются наблюдения взрывов наледных бугров. Так, 28 марта 1927 г. произошел взрыв наледного бугра в долине р. Онон, общий объем льдогрунтовой массы, выброшенной взрывом, составил 508 м3. Самая большая глыба льда с прослоями песка, гравия и галечника имела толщину 2 м, ширину 6–9 и длину 18 м ^[19]. Взрывом родникового бугра пучения вблизи д. Бырца 27 июля 1938 г. лед, песок и галечник были подняты на высоту 8–12 м и отброшены на расстояние 15 м. Фонтан воды высотой 2 м функционировал около 2 ч. В результате взрыва образовалась воронка диаметром 4.5 м и глубиной 4 м ^[21].

Общее для взрывов гидролакколитов и наледных бугров

Следует отметить, что непосредственно взрыву гидролакколита или наледного бугра предшествует длительный процесс подготовки. Всестороннее промерзание талика в основание гидролакколита или сужение водного потока в основании наледного бугра приволит к возрастанию гидравлического напора. Усиление давления на мёрзлую кровлю приводит к её пластической деформации выражающейся в формировании бугра пучения. После того как предел прочности мёрзлой кровли будет преодолён произойдёт её разрыв, сопровождающийся извержениями фонтанов воды или жидкой грязи в несколько метров высотой и разбросом обломков на десятки метров вокруг. Судя по приведенным Дж. Маккеем данным, давление в водяной линзе (по высоте столба воды) составляет около 2,5 МПа ^[33]. Несмотря на то, что взрывы гидролакколитов связаны с промерзанием водоносного горизонта, следует отметить, что в данном процессе всегда присутствует газовая составляющая. Это связано с тем, что при льдообразовании всегда выделяется газ, растворенный в воде.

Рис. 1. Сопоставление размеров структурных элементов растущего гидролакколита (пинго)

на Севере Аляски ^[33] и Ямальского кратера ^[31]

Воронки газового выброса

В 2014 г. на Ямале, в 30 км южнее Бованенковского нефтегазоконденсатного месторождения (НГКМ) была обнаружена круглая воронка (рис. 2), глубиной около 50. Её диаметр в верхней части около 30 м, с глубины 8м, 15м (рис.3). Непосредственно к воронке примыкает концентрический вал из выброшенной породы (рис.13 ). Никаких следов хозяйственной деятельности поблизости не обнаружено. Позже на севере Западной Сибири было обнаружено еще несколько воронок, близких по строению. Большинство исследователей (Богоявленский, М.О. Лейбман, А.И. Кизяков, В.В. Оленченко, М.И. Эпов, И.Н. Ельцов и др.), изучавших данные образования, сходятся во мнении, что их формирование обусловлено выбросом га зов. Источник газа различен, диссоциация гидратосодержащих мерзлых пород ^{[31, 14, 29, 18 и др.]}, или поступающих с больших глубин из подмерзлотных горизонтов ^{[5, 6]}. Это дало основание В.И. Богоявленскому первому выделить данные образования как воронки газового выброса ^[5]. Хотя это понятие закрепилось и широко используется, оно довольно неопределённо и позволяет широкое толкование. К выбросам, например, относят кратковременные или длительные поступления любых загрязняющих веществ или избыточного тепла из техногенных источников ^[10]. Морфология воронок и разброс пород вокруг, позволяют отнести процесс их формирования к физическому взрыву. В данной публикации не рассматриваются различные гипотезы происхождения газа, участвующего в образовании воронок. Это отдельная тема. Мы исходим из того, что подготовка физического взрыва в горной породе будь то вулкан, гейзер, газовый выброс в шахте или в многолетнемёрзлых грунтах, однотипна. В силу различных обстоятельств в породе формируется текучая субстанция (вода, газ, газонасыщенная лава), которая под воздействием под воздействием давления перераспределяется и накапливается в определённой зоне. В данной зоне повышается давление, вызывающее пластические деформации во вмещающей породе. После превышения предела прочности происходит физический взрыв (газовый выброс) с образованием специфических форм.

При формировании гидролакколитов и воронок газового выброса наблюдаются схожие процессы и явления. В обоих случаях в мёрзлых породах возникает повышенное давление, приводящее к росту многолетних бугров, и выбросов ледогрунтового материала. Для гидролакколитов зафиксированы значения свыше 2 МПа ^[33], для воронок газового выброса, наши расчёты (смотри ниже) и расчёты других авторов ^[6] показали близкие к этому значения. Тем не менее, несмотря на сходство между этими типами криогенных образований существует значительные различия. Рассмотренные выше материалы показывают, что для гидролакколитов горизонтальные размеры связанных с ними таликов на много превосходят вертикальные. Бугры высотой 10-15м и шириной от 30 до 300 м имеют площадь водосбора (талика) до 700 м в поперечнике ^[32]. В случае воронок газового выброса горизонтальные размеры полости в разы меньше вертикальных. Данные морфологические различия (рис. 1) связаны с различными движущими силами. В случае гидролакколитов это преимущественно вода, перемещающаяся в талой породе. В воронке газового выброса газ, движущийся в мерзлой льдистой породе.

Анализ имеющихся материалов

К настоящему времени наибольший объём информации о строении воронок газового выброса получен при изучении воронки, расположенной в 30 километрах к югу от Бованенковского ГКМ. Морфология данного образования, расширенная коническая верхняя часть и суженная цилиндрическая нижняя часть очень похожа на вулканический кратер. Как будет показано ниже, процессы формирующие воронку так же сходны с вулканическими процессами. Поэтому для рассматриваемого данного объекта мы используем название Ямальский кратер, предложенное новосибирскими исследователями ^[29].

Рис. 2. Ямальский кратер. Фото В.В. Оленченко, 2014 г. ^[29]

Форма Ямальского кратера - правильный эллиптический цилиндр, немного расширенный у поверхности (рис. 3). Глубина сезонно талого слоя по периметру равна 0,8 м. Материал, выброшенный из воронки, распределён равномерно во всех направлениях. Наибольшая концентрация обломков была обнаружена по окружности на расстоянии 140 м от центра воронки, а отдельные обломки разлетались на расстояние более 180 м. Разрез кратера сложен практически чистым льдом. В выброшенном материале обнаружены камни – окатанные песчаники, сланцы ^[29].

Рис. 3. Принципиальная схема строения Ямальского кратера

1 – вода озера на дне кратера ^[14]

Особенностью геологического строения участка расположения Ямальского кратера является наличие горизонта газогидратов на глубине 60-80 м, выделенного по геофизическим данным ^[18].

Мы считаем, что основной причиной формирования Ямальского кратера является физический взрыв газа, образовавшегося при диссоциации газогидратов данного горизонта. Между выделением газа и взрывом проходит несколько этапов, со своим набором процессов и геологических образований. Для правильного понимания механизмов образования Ямальского кратера необходимо провести анализ строения слагающих его пород.

Формирование каверн и гротов в зоне разложения газогидратов

В нижней части кратера наблюдается серия каверн и гротов (рис. 4) размером от десятков сантиметров. По мере вытаивания, мелкие каверны сливаются, образуя большие гроты с гладкими стенками размером в несколько метров (рис. 6, 8). По примерным оценкам объём газогидрата метана сформировавшего Ямальский кратер составляет около 12,5 м3 гидрата ^[15]. Такой незначительный объём вполне соответствует зоне небольших каверн и пустот, наблюдаемых в основании кратера. Аналогичные образования обнаружены в зонах выбросов газа (за счёт разложения газогидратов) в окрестностях острова Беннетта (Новосибирские острова) и в Охотском море. Здесь, в районе газового фонтана, обнаружены характерные формы: провальные воронки, ямы, поддонные ниши и пещеры, образующих систему сообщающихся гротов ^[13]. Вероятно развитие системы замкнутых и соединённых между собой полостей, является типичным при диссоциации гидратонасыщенных пород.

Рис. 4. Каверны и гроты в зоне разложения газогидратов

(июль 2014). Фото В. А. Пушкарева

Течение флюидов газов сквозь мёрзлую толщу

Новым явлением, которое было обнаружено при исследовании воронок связанных с диссоциацией газогидратов, является формирование газовых флюидов, и их миграция сквозь льдистую мёрзлую толщу. На фотографии, сделанной в ноябре 2014 года в нижней части Ямальского кратера (рис. 5) хорошо видны потоки газовых флюидов. Нижние их части совпадают с зоной каверн и гротов и соответствуют зоне залегания газогидратного слоя ^[29]. Верхние части газовых флюидов контактируют с залегающим выше, газонасыщенным ледогрунтом (рис. 6).

Рис. 5. Флюиды в нижней части Ямальского кратера (фото В.А. Пушкарёва)

Рис. 6. Связь газовых флюидов с ячеистыми образованиями на стенках Ямальского кратера (фото В.А. Пушкарёва)

Формирование штока газонасыщенного ледогрунта

Характерным элементом поверхности вертикальных стенок Ямальского кратера (рис. 3) являются многочисленные круглые ячейки ( рис. 6, 7, 8, 9). Они распределены неравномерно, местами образую изометричные скопления, иногда вытягиваются в вертикально ориентиррованные цепочки. Размер ячеек составляет от 2-3 см до 30-40см. В нижней части воронки они контактируют с зоной газовых флюидов (рис. 6). В верхней части кратера содержание газовых включений в ледогрунте увеличивается, здесь поверхность кратера становится похожей на сжатые соты (рис. 9). Наблюдаемые на стенках воронки ячейки представляют собой отпечатки газовых пузырей содержащихся в мёрзлой породе.

Другим элементом строения вертикальных стенок Ямальского кратера, являются многочисленные пластические и разрывные деформации (рис. 7, 8, 9, 10). По всей протяжённости видны признаки течения льда и ледогрунта.

Ещё одним структурным элементом рассматриваемого образования, является вертикальная ориентировка слоёв ледогрунта ^{[17, 22]}. Слой с вертикальной ориентировкой формирует краевые части ледогрунтового тела образуя своеобразную оболочку в виде слоистого стакана. Механизм формирования вертикальной слоистости пока не выяснен. Это может быть результатом деформации изначально горизонтальной слоистой ледогрунтовой толщи ^[22], или формированием слоистой контактной зоны между движущейся под давлением льдистой породы и окружающего массива мёрзлых пород ^[25]. В обоих случаях слой с вертикальной слоистостью, в стенках кратера сформирован в результате возникших избыточных давлений и деформаций. Данный слой соответствует границам кратера, он выделялся при исследованиях проводимых в 2014 году, к июлю 2015 года он вытаял и на его месте обнажились породы с субгоризонтальной слоистостью ^[22].

Рассмотренные материалы позволяют предположить, что над зоной диссоциации газогидратов в льдистой мёрзлой толще, под давлением газовых флюидов сформировался газонасыщенный ледогрунтовый шток цилиндрической формы. В силу неоднородности возникающих давлений здесь происходило интенсивная перестройка первоначального строения, сопровождающаяся пластическими и разрывными деформациями мёрзлого субстрата ^[25].

Рис. 7. Газонасыщенный лёд над зоной разложения газогидратов

июль 2014 (Фото В.И. Богоявленского)

Рис. 8 Газонасыщенный лёд над зоной разложения газогидратов

ноябрь 2014 ( Фото В.А. Пушкарёва)

Рис. 9. Верхняя часть газонасышенного ледогрунта Газонасыщенный лёд над зоной разложения газогидратов июль 2014 (Фото В.В. Оленченко)

Пластические деформации кровли мёрзлых пород

Формирование газонасыщенного ледогрунтового штока вызвало выдавливание перекрывающих пород. Поверхностный слой многолетнемерзлых пород, имея низкие отрицательные температуры, является непроницаемым экраном для поступающих снизу газовых флюидов. Вследствие этого, на границе экрана формируется область повышенного давления. Это приводит к пластическим деформациям многолетнемёрзлых пород и формированию бугра пучения на поверхности. На рис 10. показано строение мёрзлых пород верхней части кратера, образовавшегося после взрыва разрушившего многолетний бугор пучения. В центральной части фотографии виден фрагмент газонасыщенного ледогрунтового штока, и облекающей его слоистой мёрзлой породы, слагающей остатки бугра пучения.

Рис. 10. Деформация кровли слоистых суглинков над областью диссоциации газовых гидратов, июль 2015. (Фото В.И. Богоявленского)

Стадия взрыва

Для лучшего понимания процессов, происходящих при взрывном образовании воронок газового выброса, воспользуемся предложенной М. А. Алидибировым ^[1998] моделью вулканического взрыва как двухстадийного процесса. На стадии подготовки, в жерле вулкана формируется пористое газонасыщенное магматическое тело. На стадии развития взрыва, вызываемой резкой декомпрессией, происходит фрагментация (дробление) этого тела, высвобождение потенциальной энергии сжатых газов и выброс продуктов дробления (пирокластики) в атмосферу. Взрывная волна разгрузки, постепенно продвигаясь вглубь массива, слой за слоем разрушает пористый материал. Расширение газа в сторону области низкого давления приведет к выбросу продуктов дробления в атмосферу. При быстром сбросе внешнего давления процесс газоотделения не играет существенной роли. Время релаксации напряжений оказываются значительно больше чем время разрушения. При этом, само разрушение магмы носит хрупкий характер ^[1].

Аналогичные процессы наблюдаются и при формировании Ямальского кратера. В результате проникновения газовых флюидов, образующихся при диссоциации газогидратов, формируется газонасыщенное ледогрунтовое тело, перекрытое газонепроницаемой деформируемой кровлей. Давление в газовых включениях значительно превосходит атмосферное. Продвигаясь вглубь массива, взрывная волна слой за слоем будет выбрасывать ледогрунтовый материал. Причём чем ниже будет зона разрушения, тем энергичнее будет дробиться материал и дальше выбрасываться обломки. Данный процесс захватит только растеплённые участки мёрзлых пород, находящихся над областью разложения газогидратов. Окружающие многолетнемёрзлые низкотемпературные породы в рассматриваемые процессы включены не будут. Процесс послойного разрушения происходи в течении нескольких секунд. В результате в земле образуется круглая полость глубиной около 60 м. В нижней часть полости располагается зона каверн и гротов, соответствующая зоне диссоциации газогидратов. В верхней части Ямальского кратера формируется конусообразное расширение, соответствующее скалывающим напряжениям при первичном взрыве.

Стадийность формирования Ямальского кратера

Изучение структуры пород, слагающих Ямальский кратер, позволило выделить последовательность сформировавших его процессов.

I стадия

Формирование озера над многолетнее мёрзлыми породами, содержащими пластовую залежь подземного льда. Под озером формируется чаша протаивания и зона повышенной, по сравнению с окружающими породами, температурой.

II стадия

Зона повышения температуры в многолетнемёрзлых породах достигает слоя газогидратов. Начинается процесс диссоциации газогидратов с выделением газа и переохлаждённой воды. Газововодяные флюиды под воздействием давления начинают мигрировать в наименее прочную область, каковой является зона повышенной температуры под озером и насыщать первичный ледогрунтовый субстрат газом.

III стадия

Разложение метастабильного газового гидрата вызывает рост давления, которое в значительно превышает пластовое. В результате происходит движение флюидов, направленное вверх и сопровождающееся пластическими и разрывными деформациями. В мёрзлой породе, представленной слоистой ледогрунтовой пластовой залежью за счёт насыщения флюидами, постепенно формируется шток, который состоит из слоистого газонасыщенного льда, с многочисленными ячейками различных размеров. Высота образовавшегося штока около 40 м, диаметр около 15 м. Формирующийся ледовогазовый шток выпучивает вышележащий слой. По мере обмеления водоема и начала промерзания талика на нижней границе талика за счёт миграции формируется инфильтрационно-сегрегационные льды. Переход из субаквального состояния в субаэральное понижает температуру верхнего слоя грунта, что увеличивает его прочность. При этом образуется мёрзлый газонепроницаемый экран, деформация которого формирует бугор пучения.

IV стадия После того, как предел прочности кровли будет преодолён, происходит разрыв мёрзлой кровли и резкий сброс давления. Расширение газа в верхнем слое газонасыщенного ледогрунта приводит к взрыву. Механизм взрыва описан выше. В первую очередь будет разрушен сформировавшийся бугор пучения. Его фрагменты в виде концентрического вала расположены непосредственно вблизи кратера (рис. 2, 3). Последовательность смены стадий развития Ямальского кратера приведена на рис 11.

Рис. 11. Стадии развития Ямальского кратера (I, II, III, IV) ^[25]

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 (оформление Д. Волкова)

Факторы, повлиявшие на формирование Ямальского кратера

Климатические изменения

Следует отметить данные по температурам многолетнемёрзлых пород, имеющиеся для Ямала показали недостаточность возмущающих воздействий климатических изменений для возможности разложения газовых гидратов на глубинах, соответствующих глубине воронки (около 60 м). Температуры пород в скважинах геокриологического стационара Марре – Сале ВСЕГИНГЕО показывают, что с 2001 по 20015 практически не изменились и колеблются в диапазоне -5-6°С ^[12]. На глубинах от 20 до 60м наблюдается интервал безградиентного распределения температур (рис. 15). Вероятно, это связано с тем, что в засолённых грунтах широко распространённых на Ямале фазовые переходы происходят в области более низких температур. Незначительные колебания температурного поля будут сглаживаться фазовыми переходами. Приведённые данные показывают недостаточность возмущающих воздействий климатических изменений для возможности разложения газовых гидратов на глубинах, соответствующих глубине воронки (около 60 м) (рис. 12). Что позволяет усомниться в утверждениях некоторых авторов о ведущей роли резкого повышения летних температур в течении нескольких лет, предшествующих образованию Ямальского кратера ^{[17, 14]}. Климатические изменения последних десятилетий могли значительно изменить температуру многолетнемёрзлых пород только в верхнем 10-20 метровом горизонте.

Рис. 12. Температура пород в скважинах геокриологического стационара Марре-Сале ВСЕГИНГЕО ^[12]

Повышение температуры многолетнемёрзлых пород под воздействием поверхностного водоёма

Поверхностные водоёмы являются наиболее сильным отепляющим фактором в криолитозоне. Поэтому необходимо рассмотреть материалы по формированию температурного поля в многолетнемёрзлых породах под поверхностными водоёмами.

Существуют лишь единичные измерения температурного поля в субаквальных озёрных осадках криолитозоны. Рассмотрим данные по исследованию озера Иллисарвик, расположенного в дельте р. Маккензи. В озере размером 300 х 600 м с максимальной глубиной 4,5 м. Среднегодовая температура мёрзлых пород в районе озера находится в диапазоне – -8 - -10°С. Мощность мерзлоты – 400 – 600м. В глубоководной части озера кровля мёрзлых пород залегает на глубине 20 – 30 м. Температура мёрзлых пород на глубине около 60 м ниже дна озера составляет около - 2°С , а на глубине 90 м около - 3°С ^[30] (рис. 13).

Рис. 13. Температурный профиль, в субаквальных осадках центральной, глубоководной части озера Иллисарвик (глубина 4,5 м) ^[30]

Для севера Западной Сибири, где были обнаружены кратеры газового выброса, данных о температурах субаквальных осадков нет. Отепляющее влияние озера на многолетнемёрзлые породы можно оценить анализируя температуры в скважинах пробуренных на хасыреях – днищах осушившихся озёр (рис. 14). Температуры, замеренные на поверхности хасыреев, на глубине 60-80м находятся в диапазоне: -3 - -2,5°С (рис.14а ) , для III морской террасы и --1,8 - -1,6°С для поймы (рис. 14б) ^[16]. Температуры многолетнемёрзлых пород вне зоны озёр на глубине 60-80м, находятся для III морской террасы и поймы в диапазоне -5,5 - -5°С ^[16].

а б

Рис. 14. Температура криогенной толщи под хасыреем на территории Бованенковского ГКМ

а) III морская терраса; б) пойма ^[16]

Расчёты стационарного состояния температурного поля под дном озера радиусом 45 м, проведённые Г.С. Типенко, показали, что на глубине 60-80 м температура пород находится в диапазоне -2 - -2,5°С, что соответствует результатам натурных измерений.

Рис. 15

Рис. 15. Стационарное температурное поле под дном озера радиусом 45 м.

Важно выяснить, не только, степень воздействия озёр на температуру грунтов, но и морфологию формирующейся под озером зоны отепления. На трёхмерной диаграмме сейсмического зондирования видно (рис. 16), что под озёрами формируются зоны пониженных скоростей в виде перевёрнутых конусов ^[34]. Пониженные скорости объясняются тем, что повышение температуры приводит к увеличению количества незамёрзшей воды, газовых пузырьков, а для засолённых грунтов появление свободной минерализованной воды (криопэгов). Интересно, что для небольших озёр иногда конусов не видно, но на срезах, проведённых через 100 м, выделяются округлые пятна. Это является свидетельством того, что даже небольшие озёра оказывают значительное отепляющее воздействие на многолетнемёрзлые породы.

Рис. 16. Трёхмерное распределение областей пониженных скоростей под озерами ^[34]

Рассмотренные материалы свидетельствуют, что в низкотемпературных мёрзлых породах под озёрами формируются зоны растепления, в которых температуры пород находятся в диапазоне -1 - -3°С. Мощность данных зон может превышать 100м. При повышении температуры в многолетнемёрзлых породах и льдах происходит уменьшение прочности, появление локальных дефектов, связанных с объёмными температурными напряжениями. Повышение температуры под озером изменяет структуру и свойства многолетнемёрзлых пород и льдов, формируя благоприятные условия для проникновения в них газовых флюидов.

Зона растепления, достигает глубины залегания гидратосодержащих мёрзлых пород , вызывая их диссоциацию и формируя область миграции газовых флюидов. При этом, диссоциация газогидратов и миграция флюидов происходит при отрицательной температуре.

Исследования экспедициии МГУ под руководством В.З. Хилимонюк показали ^[24], что на этой территории наиболее низкие температуры пород находятся в диапазоне от -1°С до -5°С. Наиболее низкие температуры (-4 – -5°С) формируются на водораздельных поверхностях III морской террасы в пределах ландшафтов кустарничково-моховой тундры. А под озѐрами и полосами стока, вследствие отепляющего влияния водных покровов с открытым зеркалом воды наблюдаются наиболее высокие среднегодовые температуры 0 – -1°С. На территории развиты несквозные талики. Георадарное зондирование выявило несквозной талик мощностью 2–3 м, сформировавшийся под дном современного термокарстового озера ^[24]. Таким образом, поверхностные условия, такие как наличие поверхностных водоёмов, подозёрных таликов благоприятствуют локальному прогреву ММП. Близкое залегание пластовых льдов на склонах, способствует развитию оползней и формированию в их тыловых частях озёр. Наличие пластовых залежей приводит к протаиванию и формированию небольших, но глубоких незамерзающих озёр.

Давление газов

Разложение газового гидрата вызывает рост давления, которое может значительно превышать не только гидростатическое, но и пластовое ^[7]. При температурах в диапазоне 268, 15 Т К (–5°С) ÷ 273, 15 Т К (0°С) равновесное давление в системе газ — вода (лед) — гидрат находится в диапазоне 2,57 – 2,17 МПа ^[27]. В области локального прогрева ММП под озёрами температуры многолетнемёрзлых пород находятся в диапазоне -1 - -3°С. При этих температурах, в мёрзлых породах и льдах развивается система дефектов, пор, ослабленных зон, а поровое давление соответствует гидростатическому. На глубине 60–80 м, где выделяется гидратосодержащий слой ^[18], гидростатическое давление составляет около 0,7 МПа. Из приведённых данных видно, что на этой глубине, в зоне разложения газогидратов, создаются давления, в три раза превышающие гидростатическое. Это обусловит фильтрацию газовых флюидов вверх.

При разложении газогидратов соблюдается определенное равновесие между давлением и температурой. В случае неполного разложения при изменении термобарических условий происходит восстановление температуры или давления до равновесного значения ^[26]. В опытах Р. Ханта, моделирующих условия разложения газогидратов в керне, показано, что после каждого сброса давления оно возвращалось к значениям, соответствующим пластовому ^[23]. В случае Ямальского кратера давление, возникающее при диссоциации газогидратов, будет поддерживаться на всем протяжении формирования газонасыщенного льда. В зоне диссоциации давление, вследствие оттока газовых флюидов будет падать, но оно постоянно будет восстанавливаться до тех пор, пока здесь сохраняются термобарические условия или существуют сами газогидраты.

Оценим минимальное давление необходимое для взрыва, обусловившего формирование Ямальского кратера.

Предполагается, что газ под давлением выталкивает тело, составленное из конической и цилиндрической частей (рис. 17). Необходимая величина давления зависит от глубины выброса.

Рис. 17. Схема соотношения конической и цилиндрической частей Ямальского кратера

Конические стенки верхней части кратера несут следы разрыва породы под углом к горизонтали 400– 600, в то время, как почти вертикальные стенки нижней части воронки имеют вид гладкого мёрзлого грунта ^[6]. Поэтому представим приближенно верхнюю часть выброшенного тела в виде перевёрнутого усеченного конуса, нижний радиус которого равен , а верхний , высота равна .

Отрыв происходит под действием растягивающих напряжений , распределенных по боковой поверхности конуса. Для того, чтобы «сорвать» верхнюю часть выброшенного тела давлением с глубины следует преодолеть вертикальную силу сцепления боковой поверхности с грунтом , силу веса конуса и силу атмосферного давления, распределённого по внешней поверхности площадью . Т. о. критическое давление на глубине равно

, где , . (1)

Сила , , , где – предельно допустимое растягивающее напряжение, .

Зададим величины, входящие в вышеприведенные формулы, равными: , , , , . Тогда , , ,. Критическое давление . Наши данные близки к результатам расчётов В.И. Богоявленского и И.А. Гарагаша, определивших, что для разрушения мёрзлой кровли Ямальского кратера достаточно давления даже в 1,25 МПа ^[6].

Проведём расчёт давлений, определяющих выброс пород на разных глубинах. При глубине необходимо учесть вес цилиндрического тела и силу среза по боковым вертикальным стенкам . Считая приближенно цилиндрическое тело круговым, примем его радиус , а высоту, равной . В таком случае . Сила , , где – предельно допустимое касательное напряжение на срез. Тогда критическое давление равно

, (2)

где , , и . (3)

Задавая значение , величину , получим .

Зависимость критического давления от глубины представлена в таблице 1 и рис 18.

Таблица 1. Зависимость критического давления от глубины.

Рис. 18. Зависимость критического давления от глубины

Как видно из проведённых расчёта, уже на глубине более 20м давления, создающиеся при разложении газогидратов, в диапазоне названных выше температур, не приведёт к выбросу кровли, тем более на глубине 60м. Рассмотренный выше процесс последовательного послойного разрушения газонасыщенных мерзлых пород позволяет преодолеть это несоответствие.

Сценарии возможного развития взрывных процессов в многолетнемёрзлых грунтах

Рассмотренный пример формирования Ямальского кратера, представляет лишь один из вариантов развития воронок газового выброса.

Различие природных условий, обуславливают различные сценарии подготовки взрывных процессов в многолетнемёрзлых грунтах.

При незначительном и кратковременном повышении температуры, диссоциация газогидратов может быстро остановиться. В результате в многолетнемёрзлых породах будет сформирована зона повышенной пористости за счет небольших газовых полостей.

Если озеро будет достаточно глубоким, а сформировавшийся под ним талик мощным, то высвободившийся при диссоциации газогидратов газ, будет выделяться со дна водоёма. Это наблюдается во многих озерах Ямала ^[20]. Выделение газа длится от нескольких месяцев до нескольких лет, но без взрыва, поскольку есть возможность свободного его выхода.

Если гидратосодержащие многолетнемёрзлые породы залегают на незначительной глубине (первые десятки метров), то давление газов, возникшее при разложении газогидратов, может вызвать взрыв, минуя стадию миграции флюидов. При этом, бугор пучения предшествующий взрыву, будет слабо выражен и даже отсутствовать.

Стадийность в подготовке взрывных процессов

Несмотря на разнообразие естественных взрывных процессов в криолитозоне, разнообразия сценариев и условий их подготовки можно выделить некоторые общие, присущие для всех черты. Прежде всего обязательно наличие флюида (fluidus — текучий ). В качестве флюида может выступать любое вещество, поведение которого при деформации может быть описано законами механики жидкостей. В геологических процессах флюидами могут выступать газы, водные растворы, нефть, илы, магма, и даже "твёрдые" вещества ^[8]. В нашем случае мы рассматриваем в роли флюидов воду, газ и их сочетание.

Анализ материалов по строению гидролакколитов, наледных бугров пучения, воронок газового выброса позволил выработать общую схему развития взрывных процессов в криолитозоне (рис. 19) .

Рис. 19. Общая структура взрывных образований в ММП

1 – зона формирования флюидов; 2 – зона транзита флюидов; 3 – зона накопления флюидов; 4 – зона пластических деформаций

Разнообразие условий реализации взрывных процессов выражается в многообразии сценариев их развития.

Первой фазой подготовки взрывного процесса является формирование области возникновения флюида. Для деятельного слоя, это непромёрзшая зона. Флюиды также формируются на участках многолетнемёрзлых пород подвергшихся протаиванию. При промерзании таких участков водонасыщенные талые породы оказываются в замкнутом состоянии при постоянно увеличивающемся давлении. Для массива гидратосодержащих мёрзлых пород это области повышения температуры, где возможна диссоциация газогидратов. Для области распространения криопэгов это зоны, где возникает дополнительное давление (возможно при понижении температуры и частичном промерзании криопэга), обуславливающее их миграцию и перераспределение в многолетнемёрзлых породах. Как, уже отмечалось выше, существует предположение, что взрывные процессы в криолитозоне могут происходить за счёт проникновения подмерзлотных газовых флюидов. Хотя таких выходов, в местах воронок газового выброса, не обнаружено, следует рассмотреть возможность и условия их развития. В начальной фазе на границе мёрзлых и талых пород должно сформироваться зона повышенного давления газа или повышение температуры.

Вторая фаза связана с перераспределением флюида в область меньшего давления. При этом формируется зона транзита. Для промерзающих талых пород поток грунтовых вод, направлен в сторону растущих бугров пучения(сезонных или многолетних). Для области распространения криопэгов зона транзита обеспечивает отжимание засолённых вод в области с меньшим давлением. Для гидратосодержащих пород, это участки высокотемпературных многолетнемёрзлых пород в качестве флюида выступает выделившийся при диссоциации газогидратов газ, возможно, какую-то роль играет переохлаждённая вода. Участки проникновения флюдов, из под слоя многолетнемёрзлых пород, приурочены к зонам повышенных тепловых потоков.

Третья фаза связана с формированием зоны накопления флюида. Чаще всего эта зона локализуется на небольшой глубине, под кровлей низкотемпературных или льдонасыщенных многолетнемёрзлых пород. Данный слой является экраном, препятствующим выход флюида на поверхность. Линзы воды прослеживаются в основании бугров пучения. Наиболее благоприятными зонами для накопления газа являются льдистые и низкотемпературные мёрзлые породы.

Четвертая фаза связана с возникновение пластических деформаций газо- и водонепроницаемой кровли, при повышении давления в области накопления флюида. Внешне области пластических деформаций проявляются в виде бугров пучения. После того как давление преодолеет прочность кровли происходит взрыв.

Выделенные фазы отражают общую последовательность событий, подготовки естественных взрывных процессов, но не пространственное расположение зон, соответствующих разным фазам. Например, при промерзании внутригрунтового водного потока 1, 2 и 3 фазы располагаются в пределах одной зоны. При промерзании талика 1 и 2 фазы расположены в одних границах. При быстром нарастании давления 4 фаза может быть слабовыраженной.

Возникает вопрос, как соотносятся наши взгляды о роли флюидов в естественных взрывных процессах в криолитозоне с представлением о инъекционном механизмом льдообразования? Согласно П. А. Шумскому, инъекционные льды формируются при промерзании воды или водонасыщенного грунта внедрившегося под напором в горную породу [Шумский, 1955]. То есть, инъекционное льдообразование включает в себя только один механизм напорных процессов, реализующийся в том случае, когда давление в водоносном горизонте превышает предел прочности породы и происходит её гидроразрыв. Это лишь один процесс, завершающий серию процессов обеспечивающих напорную миграцию грунтовых вод. При этом газовая составляющая и её перераспределение, механизмом инъекционного льдообразования не рассматриваются.

Заключение

Первичной причиной формирования Ямальского кратера является диссоциация газогидратов, залегающих в толще многолетнемёрзлых пород.

Данный процесс обусловлен локальным прогревом пород под воздействием поверхностного водоёма. Под озером формируется область теплового воздействия, имеющая двучленное строение. Непосредственно под озером расположена талая зона с температурами выше 0°С, ниже расположена зона высокотемпературных мерзлых пород (t - -1 - -3°C). После того, как зона высокотемпературных мерзлых пород достигает горизонта гидратосодержащих мёрзлых пород, запускается механизм диссоциации газогидратов.

Изучение Ямальского кратера позволило выявить стадийность его развития. Каждой стадии соответствует определённый набор процессов преобразования многолетнемёрзлых пород и определённые элементы строения кратера. В результате диссоциации газовых гидратов формируется зона повышенного давления, превышающая гидростатическое. Вследствие этого газовые флюиды проникают в вышележащие слои. Возникающие пластические деформации кровли приводят к формированию бугра пучения. В последующем, когда пластические деформации мёрзлой кровли, достигнут предела прочности, происходит её разрыв, выброс газонасыщенного ледогрунта, и формирования кратера.

Диссоциация газогидратов осуществляется в локальных зонах повышения температуры многолетнемёрзлых пород под водоёмами, и на других участках с благоприятными поверхностными условиями, а так же на территориях техногенных воздействий.

В зависимости от соотношения различных факторов сценарии развития воронок газового выброса и, соответственно, их морфология, могут различаться.

Анализ материалов по строению Ямальского кратера показал, что в его образовании большую роль играет миграция газовых флюидов сквозь мёрзлые породы. В настоящее время данное явление не изучено.

При всей близости процессов сопровождающих взрывы гидролакколитов, наледных бугров и формирование воронок газового выброса имеются значительные различия в причинах их возникновения и истории развития. Эти различия должны учитываться при разработке методики исследования данных образований.

Воронки газового выброса в зоне распространения многолетнемёрзлых пород представляют опасность при строительстве и эксплуатации инженерных сооружений. По мере освоения Арктики тепловое воздействие на многолетнемёрзлые породы будет возрастать, опасность взрывных процессов для инженерных сооружений так же увеличится. Тем не менее, данная группа процессов не только не учитывается при расчётах, выборе проектных решений и прогнозах взаимодействия инженерного сооружения с многолетнемёрзлыми грунтами, но даже не включена в группу опасных геологических процессов.