Parageneses of cryogenic formations of gas emission funnels (Part 1). Morphology of cryogenic formations

Khimenkov Aleksandr Nikolaevich PhD in Geology and Mineralogy Leading Scientific Associate, the Institute of Geoecology of the Russian Academy of Sciences 101000, Russia, Moskva oblast', g. Moscow, ul. Ulanskii Proezd, 13, stroenie 2 a_khimenkov@mail.ru Other publications by this author     Koshurnikov Andrei Viktorovich PhD in Geology and Mineralogy Leading Scientific Associate, Faculty of Geology, Department of Geocryology, M. V. Lomonosov Moscow State University 119991,, Russia, g. Moscow, ul. Leninskie Gory, 1 msu-geophysics@mail.ru Other publications by this author

Stanilovskaya Yuliya Viktorovna Permafrost Infrastructure Interaction Specialist, Total 101000, Russia, Moscow, Ulanskii Pereulok Street 13 e-mailyulia.stanilovskaya@total.com Other publications by this author

Введение

История изучения воронок газового выброса насчитывает всего семь лет. Несмотря на короткий срок научная литература, посвящённая этой теме, насчитывает десятки публикаций. При всем разнообразии позиций на происхождение воронок газового выброса, занимаемых различными авторами, есть общее для всех опубликованных статей. В каждой из них основное внимание уделяется морфометрии воронок, разработке моделей процессов приводящих к накоплению газа, выбросу мёрзлой породы и генезиса самого газа. Гораздо меньше внимание уделяется изучению процессов, происходящих в мёрзлых породах при подготовке самого выброса. Несмотря на большой интерес к этому явлению со стороны СМИ и научного сообщества проблема происхождения воронок газового выброса ещё далека от своего разрешения. Причиной этого является неполнота исходных материалов, кратковременность истории изучения (исследования начались с 2014 г), отсутствие разработанной и подтверждённой результатами исследований теории естественных взрывных процессов в криолитозоне. Одним из важнейших направлений исследований, при разработке данной теории является выявление закономерностей развития процессов, происходящих в мёрзлых породах на этапе подготовки взрывов.. Наилучшим образом это можно сделать путём анализа криогенного строения стенок образовавшихся при взрыве кратеров. Мы исходим из того, что взрыву, формирующему воронку газового выброса, предшествует этап возникновения и последующего развития локальной флюидодинамической криогенной геосистемы, со своим строением, морфологией, границами, и жизненным циклом, вложенной в массив ранее сформировавшейся мёрзлой породы. Обоснованность выделения данной геосистемы определяется наличием чётких границ с вмещающими породами и общностью строения, характерной чертой которого является многочисленные пластические и разрывные деформации. История их формирования обусловлена серией сменяющих друг друга криогенных процессов формирующих комплексы криогенных парагенезов. Данный подход был предложен нами в 2017 году при изучении строения стенок Ямальского кратера ^[1] и развивался в последующих публикациях. По мнению наиболее авторитетных специалистов, занимавшихся проблемой происхождения воронок газового выброса В. И. Богоявленский ^{[2, 3]}, М. О. Лейбман, А. И. Кизяков ^[4], М. И. Эпов В.В., Ельцов И.Н., Оленченко В.В., ^[5], С. Н. Булдович, В. Хилимонюк ^[6], А.Н.Хименков, Д.О. Сергеев, Ю.В. Станиловская ^[1,7] и др., данные образования обязаны своим происхождением выбросу подземного газа. Любые построения, связанные с выявлением причин происхождения воронок газового выброса базируются на следующих, неоспариваемых никем положениях: 1) в толще многолетнемёрзлых пород формируется локальная газонасыщенная зона с повышенным давлением; 2) непосредственно взрыву, одномоментно формирующему воронку газового выброса, предшествует длительный подготовительный этап, В отношении источников газа, причин их накопления, процессов предшествующих взрыву, природных факторов обусловивших формирование взрывных кратеров и др., мнение специалистов изучавших данные образования расходятся. Предлагаемая статья посвящена изучению трансформации первичных криогенных структур и формирования криогенных новообразований происходящих ещё до образования воронок

Методы исследования

В основу изучения криогенных процессов формирования воронок газового выброса положен структурно генетический метод, позволяющий изучить первичное криогенное строение мёрзлой породы в сочетании с анализом морфологии и строения криогенных структур, образовавшихся при пластических и разрывных деформациях под воздействием высоких давлений. Анализируется роль внутригрунтового газа в трансформации мёрзлых толщ. Проводится выделения стадий развития локальной криогенной геосистемы, обуславливающей подготовку взрыва, формирующего воронку газового выброса.

Район исследования

В 2014 г. на Ямале в 30 км южнее Бованенковского НГКМ была обнаружена круглая воронка газового выброса (ВГВ) глубиной около 50 м. Непосредственно к воронке примыкал концентрический вал из выброшенной породы. К настоящему времени на севере Западной Сибири обнаружено 17 подобных образований ^[8], поэтому появилась возможность сравнить полученные ранее результаты и выводы с новыми данными. На рис. 1.1 приведена карта схема расположения некоторых наиболее известных воронок. Они неоднократно и подробно охарактеризованы в работах посвящённых изучению данных объектов, поэтому приведём лишь их основные показатели. Названия и обозначения воронок у разных авторов отличаются. Приводимая в работе нумерация воронок составлена с использование материалов различных исследователей ^{[9,3,10, 11]}.

Рис.1.1. Схема расположения ВГВ на севере Западной Сибири

GEC-1( центральный Ямал)

К настоящему времени наибольший объём данных о ВГВ получен при изучении воронки, обнаруженной в 2014 году и расположенной в 30 километрах к югу от Бованенковского ГКМ в 2014году (GEC – 1). Глубина воронки около 50, ширина около 30 м. Разбросанный вокруг грунт свидетельствовал о взрыве, сопровождавшем ее образование. Никаких следов хозяйственной деятельности вблизи воронки не обнаружено. Форма кратера — правильный эллиптический цилиндр, немного расширенный у поверхности. Измерения показали, что большая полуось воронки составляет около 20 м, малая — 14 м ^[12,13].

GEC -2 (центральный Ямал)

К западу от озера Нюдимдато (1,2 км) 21 июля 2013 г. обнаружено озеро, формирование которого некоторые исследователи связывают с газовым выбросом. Оно расположено в 20 км к северу от Ямальского кратера и 10 км к югу от Бованенковского ГКМ). В. И. Богоявленским, показал, что на месте озера в 2009—2010 гг. существовал крупный бугор пучения диаметром около 60—63 м и площадью около 3000 м2. В 2013 году на его месте уже располагается водоем размером 100 х 60 м и глубиной до 6 м, вокруг которого наблюдались многочисленные (более 35) небольшие озера округлой формы диаметром до 8 м с брустверами выброшенной породы ^[14].

GEC -3 (центральный Ямал)

Воронка расположена в 10 км западнее воронки Богоявленского в 1,6 км от железной дороги «Обская — Карская». Первоначально воронка была обнаружена пилотом С. А. Никитенко 27 апреля 2013 г. Судя по брустверу выброшенной породы и нескольким более мелким углублениям в почве от упавших кусков выброшенного льда, можно с предположить, что выброс газа произошел в летнее время 2012 г ^[14].

AntGEC(юго-запад Гыданскийого п-ва)

Воронка обнаружена оленеводами 27 сентября 2013 г в 90 км от Антипаюты, Тазовского района Ямала-Ненецкого автономного округа, её координаты 69,795° с.ш., 75,035° в.д. Территория расположена в южной части Гыданского п-ова в пределах Солетского-Ханавейского ГКМ. Антипаютинская воронка представляет собой круглое углубление диаметром 30 м. Образованию Антипаютинской воронки предшествовало существование бугра высотой около 2 м, диаметром основания около 20 м ^[15].

SeYkhGEC (Северо-восточный Ямал)

По свидетельству жителя посёлка Сеяхи Михаила Окотэтто Сеяхинская воронка образовалась 28 июня 2017г, примерно в 10.30 утра по местному времени. Она находится на расстоянии 34 километра на северо-запад от села Сеяха Ямальского района, в русле реки Морды-Яха. Координаты воронки - 70°с.ш. 72°в.д. Измерения эхолотом установили наибольшую глубину реки 2 - 3 метра. Прямые промеры глубины в центре воронки показали глубину более 20 метров. Подток газа из глубин продолжался и после взрыва, проявляясь в виде бурления воды на поверхности. По проведённым исследованиям выделяющийся газ является метаном Средний диаметр верхней затопленной части кратера (по уровню воды ниже бруствера) - 85 м, а его глу6ина - свыше 50 м ^[14]. Взрыв сопровождался возгорание вырвавшегося газа.

YeniGEC (восточная часть п-ва Гыдан)

Воронка расположена на юго-западном побережье Енисейского залива, на левом берегу р. Монгоче, поблизости от Дерябинского газового месторождения. По описаниям она находится на левом берегу реки Монгоче, в 10–15 км от устья, в 110 км по прямой от поселка Носок. Была обнаружена на Таймыре жителями поселка Носок Сергеем Лапсуем и Станиславом Яптунэ в апреле 2013 года. Диаметр обнаруженной воронки составляет около 4 м при глубине около 100 м.

ErkGEC (южный Ямал)

Воронка обнаружена группой исследователей под руководством А. Соколова летом 2017г, в пойме реки Ёркута Яха (рис. 24, 25), в 220 км на север от Салехарда и тридцати километрах восточнее Арктического научно-исследовательского стационара «Ёркута». Диаметр обнаруженной воронки на момент первого обследования составлял 8 метров и глубина около 20 м. Она расположена на обводнённой поверхности в непосредственной близости от старичного озера, в полосе кустарника ^[16].

Воронка Осокина (местоположение неизвестно).

Фотография данной воронки, была сделана А. Б. Осокиным из вертолёта 26 июня 2013 года, на п-ве Ямал. Точное её местоположение не установлено. Воронка размерами примерно 20 х 30 м и глубиной около 30-40 м, расположена в ложбине, выходящей к озёрной котловине. Непосредственно под моломощным заторфованным почвенным слоем залегает слоистая ледогрунтовая толща, в которой и сформирована воронка. Стенки воронки острые, неровные, не затронутые процессами термоденудации. В нижней части наблюдается расширение. Полость сухая. Вокруг воронки наблюдается минимум две серии концентрических трещин сформировавшихся, при оседании грунта после взрыва.

Последняя по времени воронка была зафиксирована летом 2020 года в центральной части полуострова Ямал. В 2020 году корреспондентами телевидения центральной части полуострова Ямал была обнаружена новая воронка газового выброса. Воронка расположена на поверхности третьей морской террасы, сложенной с поверхности льдистыми, засолёнными (засолённость 0,7 до 1,8%) верхнеплейстоценовыми глинами, мощностью до 30 м, которые подстилаются пластовыми льдами. Кратер данной воронки имеет круглую форму. По своему строению она похожа на Ямальский кратер. Верхняя часть представляет из себя конус, сложенный глинистыми осадками с сетчатыми криотекстурами, в которых преобладают вертикальные шлиры. С глубины около 10 м метров кратер представляет из себя цилиндр с вертикальными стенками состоящими из льда. Диаметр верхней, расширенной части кратера составляет около 50м, диаметр нижней цилиндрической части около 30м. Глубина кратеров достигает несколько десятков метров^{[2, 17]}.

Парагенезы криогенных образований на разных этапах подготовки газовых выбросов

В результате внешних воздействий (повышение температуры или давления) изменяются термодинамические условия, в результате чего локальный участок мёрзлой толщи выводится из стационарного состояния и трансформируется в газодинамическую геосистему, развитие которой приводят к многостадийной структурной трансформации первичного криогенного строения мёрзлой толщи. Формируется серия пластических и разрывных деформаций, по которым осуществляется интенсивный тепломассоперенос, перераспределяющий вещество в жидком, твёрдом и газообразном состоянии. В мёрзлых породах наиболее деформируемым компонентом является лёд, поэтому наибольшую информацию о процессах, предшествующих формированию воронок газового выброса, можно получить при изучении морфологии криогенных образований наблюдаемых в стенках образовавшихся кратеров, а также в нерастаявших обломков мёрзлых пород, выброшенных на поверхность. Изучение строения, обнаруженных к настоящему времени воронок, показывает, что они имеют некоторые общие черты своего строения. Как правило, в воронках обнаруживается нижняя расширенная часть, названная нами зоной каверн и гротов. Средняя, более узкая часть, иногда представляющая из себя цилиндр с вертикальными стенками. И расширенная, в виде опрокинутого конуса, часть воронки (рис.1.2).

Рис. 1.2. Схема строения воронок газового выброс

Морфология криогенных образований в воронках газового выброса.

Формирование воронки газового выброса начинается на глубине, в зоне появления локальной газонасыщенной зоны с повышенным давлением газа. Постепенно процесс захватывает вышележащие горизонты мёрзлых пород и заключительная фаза реализуется в поверхностном слое, который частично выбрасывается вверх и в стороны, а частично осыпается в образовавшееся углубление. В такой же последовательности будут рассмотрены морфология криогенных образований формирующих воронки газового выброса. Анализзакономерностей строения воронок газового выброса, базировался на материалах, полученных при изучении Ямальского кратера, с добавление данных из других объектов. В работе использованы многочисленные сведения, опубликованные в научных статьях, материалах конференций, интервью, а также находящихся в свободном доступе в интернете.

Зона каверн и гротов

Ямальский кратер

В нижней части Ямальского кратера обнаружена серия гротов и каверн (рис. 1.3). На момент обнаружения в июле 2014 года они представляли из себя скопления округлых углублений в нижней части стенки кратера размером от 20-30 см до 2-3 м, разделённые ледогрунтовыми перегородками (рис. 1.3). Уже к концу лета 2014, года вследствие протаивания перегородок мелкие гроты слились и образовали обширные единые полости (гроты) (рис. 1.4). Над зоной каверн и гротов, породы и криогенные текстуры деформированы. Здесь первичная слоистость образует куполообразную облекающую структуру, в которой наблюдаются многочисленные пластические и разрывные деформации (рис. 1.4, 1.5). Наиболее вероятной причиной деформирования слоистости над гротами является воздействие области высокого давления, появление которой логично связать с разложением газовых гидратов. Зона каверн и гротов приурочена к газогидратному слою ^{[8, 18]} и разуплотнённому слою выветрелых пород ^[19]. Следует отметить, что образования аналогичные зоне каверн и гротов Ямальского кратера, обнаружены на участках выбросов газа (за счет разложения газогидратов) в окрестностях острова Беннетта (Новосибирские острова) и в Охотском море. Здесь, в районе газового фонтана, исследованы характерные формы: провальные воронки, ямы, поддонные ниши и пещеры, образующие систему сообщающихся гротов ^[20].

Рис. 1.3. Зона каверн и гротов в нижней части Ямальского кратер Красной линией выделена верхняя часть зоны сотового льда. Ямальский кратер, июль 2014г. Фото В. В. Оленченко

Рис. 1.4. Нижняя часть воронки газового выброса.

Крупные гроты, сформировавшиеся за счёт слияния серии мелких,

ноябрь 2014г. Фото В. А. Пушкарева

Рис. 1.5. Деформация первичной слоистости над зоной каверн и гротов. Пластические деформации ледяных слоёв показывает, что давление осуществлялось в мерзлой, а не в оттаявшей породе. Фото В. В. Оленченко

Антипаютинская воронка (AntGEC)

В нижней части зоны гротов и каверн Антипаютинского кратера (рис. 1.6) прослеживаются многочисленные деформации пластового льда. По всему видимому слою пластового льда наблюдается пластические деформации первичной слоистости. Наблюдается внедрение отдельных блоков льда в вышележащий массив (рис. 6 а, б), сам блок приобрёл клиновидную форму, лёд в нём сильно деформирован и приобрёл чешуйчатую структуру. В массиве льда перед блоком слой деформировался в складку, вышележащие слои изогнуты. Морфология данного блока и его взаимодействия с вмещающим массивом очень похожи на аналогичный блок в Ямальском кратере, при том, что последний расположен в верхней части цилиндрической части воронки (рис.1.14). Местами массив пластового льда разорван на отдельные блоки (рис. 1.6 в), лед в которых разбит трещинами и смят в складки, которые могут приобретать спиралевидную форму. Деформации в нижней части зоны каверн и гротов Антипаютинской воронки свидетельствуют о мощных локальных давлениях направленных как снизу вверх, так и в боковом направлении. Массив пластового льда оказался разорванным, наблюдаются пластические деформации, течение льда, скручивание отдельных блоков льда и внедрению их в основной массив. На фотографии видно, что в нижней части воронки прослеживаются отдельные небольшие гроты (рис. 1.6 а,б,в).

Рис. 1.6. Зона гротов и каверн в нижней части Антипаютинской воронки. Фото Михаила Лапсуя

а – общий вид; б – внедрение ледяного блока в вышележащий массив; в – разрывы и пластические деформации пластового льда.

Воронка обнаруженная в 2020г.

В слое пластового льда, залегающего в основании воронки хорошо видны пластические деформации. Над льдонасыщенной зоной наблюдается слой деформированного первичного криогенного строения. В основании льдистой толщи видны гроты, сходные по морфологии гротам Ямальского кратера. Хорошо видна поверхность газонасыщенного льда (крупные округлые газовые пузыри), перекрытая слоем деформированного первичных криотекстур, переходящий выше в первичные сетчаты, с преобладанием вертикальных шлиров, криогенные текстуры (рис. 1.7). Прослеживается зависимость деформированности пластовой залежи от приуроченности к локальным гротам. В правой нижней части рис. 1.7, от засыпанного грота, сформировавшегося на месте газонасыщенной зоны, отходят узкие каналы, переходящие в зону сотовых криотекстур. Именно здесь наблюдается наибольшая деформированность пластовой залежи, выражающаяся в образовании куполовидной складки.

Рис. 1.7. Деформации в пластовом льду и перекрывающих отложениях. Воронка обнаруженная в 2020г. Фото Василия Богоявленского ^[8].

Газовые струи, приуроченные трещинам в стенках гротов (Ямальский кратер)

В ледяных стенках каверн и гротов наблюдается густая сеть изгибающихся, ветвящихся лент, соответствующих каналам газовых флюидов, направленных по углом 60-70º к центру кратера. Здесь же встречаются шарообразные образования с повышенным содержанием газовых включений. В большинстве случаев ленты обтекают шарообразные газовые образования, при этом формируются разнообразные складчатые формы (рис. 1.8). Газовые флюиды подходят к вертикальным стенкам, где соединяются с серией ячеек неравномерно распределённых по всей поверхности кратера (рис. 1.8, 6 а).

а

б

Рис. 1.8. Газовые флюиды в стенках грота в нижней части Ямальского кратера.

а) зона контакта газовых флюидов с ячеистой структурой на стенке кратера;

б) строение газовых флюидов (стенка грота). Фото В. Пушкарёва (ноябрь 2014г).

Зоны каверн и гротов и приуроченная к ним сеть газовых флюидов соответствует формированию стадии первичного накопления газа, находящегося под высоким давлением. Судя по рассмотренным материалам, в толще мёрзлых пород формировалась зона газонасыщенных очагов с повыщенным давлением газа. Неравномерные нагрузки приводили к локальным разрывам и пластическим деформациям монолитного массива, выражавшимся в формировании локальных куполовидных структур (рис. 1.5, 1.6, 1.7). Все это в свою очередь вызывало объединение полостей и выравниванию давлений в них. Газ, находящийся под высоким давлением не мог выдавить всю сцементированную льдом вышележащую толщу мёрзлых пород. Возникшие нагрузки приводили к локальным деформациям ледогрунтового массива. Над зоной каверн и гротов формировалась меньшая по сечению зона пластических и разрывных деформаций. Вертикальные размеры данной зоны в различных воронках отличаются. Наибольших размеров, среди исследованных воронок, данная зона наблюдается в Ямальском кратере, здесь она составляет около 20 м (рис. 1.3, 1.4, 1.17), в других случаях не превышает нескольких метров (рис. 1.6, 1.7).

Зона пластических и разрывных деформаций мёрзлых пород, слагающих стенки воронок выше зоны каверн и гротов

Строение стенок Ямальского кратера выше зоны каверн и гротов, в частности извилистые ледогрунтовые слои переменной толщины, смятые в складки, многочисленные следы течения льда, разрывы, выклинивания, указывают на то, что на локальных участках, вследствие неравномерности нагрузок, происходило изменение направление и скорости перераспределения движения ледогрунтового материала (рис. 1.9, 1.10).

Рис. 1.9. Пластические деформация и следы течения мерзлых пород в средней части зоны вертикально ориентированной слоистости. Ямальская воронка июль 2014. Фрагмент фотографии М. О. Лейбман ^[21].

По всей поверхности Ямальского кратера наблюдаются многочисленные субвертикальные и субгоризонтальные волнистые ветвящиеся трещины заполненные газонасыщенным льдом (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Пластические и разрывные деформации стенок Ямальского кратера. Фото В. В. Оленченко

Свидетельством значительных нагрузок в породах, слагающих стенки кратера являются зоны хрупких разрушений с образованием оперяющих трещин по которым проникали газовые включения (рис. 1.11) обнаруженных А.И. Кизяковым при иссдедовании стенок кратера в ноябре 2014г.

Рис. 1.11. Стенка кратера. Лед разбит трещинами с грунтовыми и газовыми включениями. От основной трещины (сплошная красная линия), расходится серия оперяющих трещин (штриховые красные линии) Фото. А. И. Кизякова ^[22].

В скважине, пробуренной специалистами Кафедры геокриологии МГУ им. М. В. Ломоносова, в непосредственной близости от Ямальского кратера, был обнаружен слой газонасыщенного льда со следами многочисленных трещини пластических деформаций. (рис. 1.12) ^[23]. Местами лёд представляет зоны дробления, где отдельные изометричные блоки со следами, пластических деформаций окружены округлыми каналами более чистого льда.

Рис. 1.12. Газонасыщенный лёд разбитый трещинами ( штриховкой показана ориентировка трещин в массиве льда) ^[23]. Фото В. Хилимонюк.

Рис. 1.13. Фрагмент рис. 12. Газонасыщенный лёд, разбитый трещинами на отдельные блоки

Часто пластические и разрывные деформации встречаются вместе. На рис. 1.14 показано

внедрением газонасыщенного льда поконтакту перекрывающей кровли и газонасыщенной зоны. Внедряющийся фрагмент представляет собой деформированное изометричное образование, являющимся ядром жёсткости, продавливаемым сквозь мёрзлую породу. Оно вдавлено в вмещающий слоистый ледогрунт. О силе вдавливания можно судить по трещинам образующим клиновидный рисунок. Трещины также прослеживаются по нижней и верхней границы ядра жёсткости. Наблюдается резкое несогласие слоёв, образующихся при движении ядра жёсткости и вмещающих слоёв, они прорваны и деформированы. Вдоль зоны движения прослеживаются режеляционные ленты сильно деформированного льда. Данный процесс соответствует заключительной стадии формирования локальной газодинамической геосистемы. Наблюдается значительное давление газа способное в локальных зонах приводить к литодинамическим эффектам, выражающимся в деформациях и внедрениях отдельных ледяных фрагментов в мёрзлые массивы. В этом случае формируются разрывные и пластические деформации, способствующие фильтрации газа сквозь мёрзлый массив, но для разрыва кровли данного давления ещё недостаточно.

Рис. 1.14. Деформированный газонасыщенный лёд, вдвинутый в слоистый ледогрунтовый массив, июль 2015. Фото А. В. Лупачёва

Подобные структуры внедрения наблюдаются и на других воронках газового выброса. Например, на Сеяхинской воронке ледогрунтовые блоки внедряются в вышележащую песчаную толщу. На рис. 1.15 изображены поверхностные пески, подвергшиеся пластическим деформациям под воздействием давления нижележащих газонасыщенных ледогрунтов.

Рис. 1.15. Пластические деформации песчаных пород под воздействием нижезалегающих газонасыщенных ледогрунтов ^[24]

В воронке обнаруженной в 2020г, наблюдается зона деформации первичного криогенного строения, примыкающая к стенке цилиндрической части кратера (рис. 1.7, 1.16).

Рис. 1.16. Криогенное строение контактной зоны мёрзлых слоистых суглинков, вмещающих ворону, обнаруженную в 2020г. Вид сверху. а) первичные сетчатые криотекстуры с преобладанием вертикальных шлиров; б) зона деформации первичных криотекстур, примыкающая к стенке воронки ^[25].

Рассмотренные материалы свидетельствуют о том, что стадия формирования первичной полости, заполненной находящимся под высоким давлением газом, переходит в стадию формирования множества разнообразных деформаций, реализующихся в виде трещин, каналов, ослабленных зон. Они пронизывают мёрзлые породы, перекрывающие зону каверн и гротов, и обеспечивают движение по ним газовых флюидов.

Морфология газонасыщенных криогенных образований в воронках газового выброса

Мёрзлые породы и льды, в местах формирования воронок газового выброса отличаются большим разнообразием форм газонасыщенных образований. Это и газовые каналы в виде волнистых и разделяющихся лент и связанных с ними изометричных газовых скоплений (рис. 1.8а,б). И широкое распространение газовых пузырей, проявляющихся в виде округлых ячеек размером от нескольких сантиметров до десятков сантиметров и глубиной до 5-10 см (рис. 1.4, 1.6, 1.10). Распределение ячеек по поверхности стенок неравномерно, они могут образовывать изометричные скопления или выстраиваться в цепочки субвертикальной ориентировки (рис. 1.17).

Рис. 1.17. Ячеистый лёд в стенке Ямальского кратера. Фрагмент фотографии сделанной в июле 2014г. Фото В. И. Богоявленского^[26].

Многие ячейки имеют вытянутую в вертикальном направлении форму с утолщением в верхней части, что придаёт им каплевидную форму (рис. 1.4, 1.6, 1.7, 1.10). Газовые включенияя в виде цепочек округлой формы приурочены к трещинам разнообразной формы, разбивающим массивы мёрзлых пород и льдов (рис. 1.10, 1.11, 1.12). В слое льда обнаруженного в воронке газового выброса в долине реки Еркута Яха газ распределён в виде гроздьев мелких воздушных пузырьков (рис. 1.18) приуроченных к трещинам.

Рис. 1.18. Газовые скопления в виде гроздьев, лёд в массиве льда воронки газового выброса на реке Еркутаяха (Южный Ямал) Фото Ю. Станиловской.

Также широко распространены слои газонасыщенного льда толщиной от 2-3 см до нескольких метров распространённые в стенках различных воронок (рис. 1.3, 1.6, 1.7, 1.10, 1.19). Глыбы льда выброшенные из воронки, расположенной в районе р Се Яха на северо-востоке полуострова Ямал состоят из чередующихся слоёв белого газонасыщенного льда и ледогрунта (рис. 1.19. )

Рис. 1.19. Глыбы газонасыщенного льда выброшенного при образовании воронки газового выброса в районе р. Сеяха (северо восток п-ва Ямал) Фото А. Синицкого.

Здесь в отдельных ледяных обломках видно рыхлое ячеистое строение, по форме похожее на строение гидратосодержащих льдов (рис. 1. 20).

Рис. 1.20. Обломок газонасыщенного пористого льда выброшенного при образовании воронки газового выброса в районе р. Сеяха (северо-восток п-ва Ямал) Фото А. Синицкого.

Сотовые льды

Особой формой газонасыщенных льдов, обнаруженных в воронках газового выброса, являются сотовые льды. Данные образования впервые были выделены М. О. Лейбман и А. И. Кизяковым при изучении Ямальского кратера ^[4]. Слой льда со структурой, напоминающей пчелиные соты залегает в виде слоя переменной толщины (от 1 м до 5 – 10 см), который отделяет внутреннюю часть воронки от вмещающих пород (рис. 1.3, 1.21, 1.22). Строение газонасыщенного слоя неоднородно, а сами ячейки распределены неравномерно. На небольшом участке размером 3 х 4м неравномерное вытаивание слоя с сотовой структурой льда сформировало срез в двух плоскостях сотовая (рис. 1.21, 1.22.). Это дало возможность наблюдать его его строение в объёме. Вытянутые вверх ячейки похожи на сдавленные пчелиные соты. Контакт с мёрзлой породой резкий со следами деформаций. Между поверхностью кратера и сотами наблюдается слой белого слоистого льда переменной толщины от 2 – 3 см до 20 – 30 см и длиной до 2 -3 м. Лёд с сотовой структурой довольно быстро вытаивает. Если в июле 2014 года он формирует значительную вертикальной части воронки (рис. 1.3), то к июлю 2015 остался лишь небольшой сильно дислоцированный фрагмент, вдвинутый в слоистый ледогрунтовый массив (рис. 1.14).

Рис. 1.21. Слой Ячеистого льда толщиной около 0,5м, формирующий часть стенки кратера. Фото В.В. Оленченко июль 2014г.

Рис. 1.22. Фрагменты рисунка 4.66. Строение слоя ячеистого льда в верхней части кратера : а – вертикальный срез зоны ячеистого льда; б – горизонтальная поверхность зоны ячеистого льда. Фото Оленченко июль 2014 г.

Рассмотрим возможный механизм формирования сотовых структур. На рис. 1.8а. показан контакт газового флюида,отходящего из зоны каверн и гротов, с ячеистой структурой на стенке кратера. Хорошо видно, что газовый флюид играет непосредственную роль в формировании ячейки. Кстати, здесь сгущение ячеек формирует локальную сотовую структуру, ещё не деформированную воздействием боковых нагрузок. Близкие по строению структуры прослеживаются в воронке газового выброса, обнаруженной в 2020 г. (рис. 1.7). Здесь так же структуры подобные сотовым Ямальского кратера, приурочены к каналам (вероятнее всего газовым), связанным с зоной каверн и гротов. Механизм формирование данных криогенных структур ещё не получили объяснения в рамках геокриологии, поэтому воспользуемся материалами из других областей геологии, где наблюдаются сходные процессы истечения газа из толщи пород. Приуроченность газонасыщенных зон к контактам стенок воронки с вмещающими породами можно проиллюстрировать результатами численного моделирования фильтрации метана в зоне влияния шахтной выработки при помощи метода конечных элементов, с учетом напряженно-деформированного состояния, сделанного для угольных массивов при возникновении внезапных выбросов метана в шахтах (рис. 1.23).

Рис. 1.23. Распределение расходов метана ^[27].

Хорошо видно, что зоны скопления метана приурочены к границам области фильтрации, где наблюдается наибольшее микрорастрескивание породы. Здесь, по контуру свода, у границ области фильтрации, метан из газоносных пород выделяется с наибольшей скоростью и в наибольших объёмах ^[27]. Результаты данного моделирования проясняют наличие зон повышенного содержания газа в воронках газового выброса. Сотовый лёд на контакте газонасыщенного деформированного льда и вмещающей толщей. Из подстилающего слоя каверн и гротов, находящийся под давлением газ, фильтруется в верхние слои. У границ области фильтрации со вмещающими породами газ выделяется с наибольшей скоростью и в наибольших объёмах (согласно приведённым расчётам). Здесь и формируются сотовые структуры. Вытянутые в вертикальном направлении и сплющенные в горизонтальном ячейки свидетельствуют о движении газовых пузырей снизу вверх при одновременном сжатии, за счёт того, что внутри области фильтрации газ также находится под давлением. В конечном итоге движение газа в вертикальном направлении и сжатие в горизонтальном формируют наблюдаемую сотовую. структуру на контакте зоны фильтрации и вмещающей толщей мерзлых пород. Высокая температура льдистых многолетнемёрзлых пород (об этом будет сказано в обсуждении результатов во 2 части), определяющая их незначительную прочность в сочетании с значительным насыщением газом, находящимся под большим давлением создают условия формирование сотовых структур. Лед в данном случае играет роль вязкой, движущейся расслаивающейся массы, через которую под напором фильтруется газ. Косвенным подтверждением предложенного механизма является пример вдавливание фрагмента газонасыщенного льда в слоистую ледогрунтовую толщу (рис. 1.14). Данный лёд является остаточным, сильно дислоцированным фрагментом сотового льда. Видно, что на него оказывалось значительное давление снизу, которое обусловило полностью перестройку структуры и образование характерных конических трещин перед двигающимся ледяным блоком.

Рассмотрение морфологии газонасыщенных образований в стенках воронок газового выброса показало, что большинство из них формировалось в напорных условиях и приурочено к пластическим и разрывным деформациям в мёрзлых породах. Рассмотренные в статье примеры далеко не исчерпывают объекты, встречающиеся в природе. Это тема отдельного самостоятельного исследования. Но даже немногочисленные проанализированные структуры показывают, что газовая компонента является неотъемлемым и важным элементом комплекса парагенетических процессов и образований, связанных с подготовкой взрывов, формирующих воронки газового выброса.

Обсуждение результатов

Рассмотрение строения мёрзлых пород, слагающих стенки воронок, обнаруженных на севере Западной Сибири, показало, что они подверглись значительным напорным воздействиям снизу, выразившимся в локальных внутригрунтовых деформациях первичной слоистости, многочисленных пластических и разрывных деформациях, зон дробления льда, признаков течения льда, проявлений вдавливания блоков льда в окружающий мёрзлый массив. Не менее многочисленны свидетельства об участии в данных напорных процессах газовой составляющей. Это и серии каверн и гротов в основании воронок, и газовые флюиды в виде лент, по трещинам проникающие к стенкам воронок и связанные с ними изометричные газовые скопления, и многочисленные газовые пузыри образующие субвертикально ориентированные полосы или разнообразные скопления, и сотовые льды, формирующие слои на границе воронки с вмещающими породами. Все эти данные полностью согласуются основным положением, к которому пришли все исследователи, данные образования являются результатом воздействия внутригрунтового газа, находящегося под большим давлением. Ещё одним фактором, благоприятствующем взрывным процессам является повышение температуры мёрзлых пород, уменьшающее их прочностные и деформационные свойства. Согласно М. О. Лейбман и А. И. Кзякова ^[4] это происходит за счёт климатического фактора, А.Н. Хименкова и Ю.В. Станиловской ландшафтного ^[28], В. И. Богоявленского за счёт теплового потока снизу ^[8].

В общем виде механизм подготовки взрыва представляется в следующей последовательности. Газ, находящийся под давлением, начинает фильтроваться в наименее прочные мёрзлые породы высокотемпературной зоны, одновременно деформируя их. Проникновение газа под давлением в мёрзлую породу значительно ослабляет её прочность и вызывает пластические и разрывные деформации. Появившиеся трещины и дислокации ускоряют фильтрацию газа. Формируется фильтрационный поток, в котором газовый флюид из области с большим давлением, по зоне нагрева фильтруется в область с меньшим давлением (как правило, по направлению к поверхности). Установившееся «единое фильтрационное пространство» неоднородно, в различных его частях возникают градиенты давления, обеспечивающие локальную изменчивость деформаций и распределение газа в мёрзлой породе. Совокупность данных процессов, определяемый нами как фильтрационно - деформационный механизм фильтрации газа ^[29] позволяет газовым флюидам проникать вглубь льдистого мёрзлого массива и перераспределять давления, характерные для зоны каверн и гротов, на более высокие уровни, тем самым подготавливая возможность реализации взрывных процессов. В «традиционных», хорошо изученных криогенных геосистемах, каковыми являются инъекционные бугры пучения можно найти аналогичную последовательность событий. Формирование ледяного ядра булгуняха Песцовое, изучавшегося Ю.К. Васильчуком с коллегами, также происходило в несколько стадий. Нижняя часть ядра, сформировалась при постоянном пополнении линз воды под бугром, т. е. в условиях полузакрытой системы, что соответствует образование газовой полости в основании воронки газового выброса. Верхняя часть его ледяного ядра образовалась при последовательном промерзании сверху замкнутого объема воды. Данная стадия соответствует формированию газонасыщенной зоны под газонепроницаемой мёрзлой покрышкой. На заключительной стадии (верхние 5-6 м) ледяное ядро ядра достраивалось за счёт локальных инъекционных процессов, что также соответствует локальным деформациям в газонасыщенном ледогрунтовом теле, при формировании воронок ^[30]

Заключение

Проведённый анализ деформационных и газонасыщенных образований воронок газового выброса позволил сделать вывод, что они представляют из себя комплекс структурных парагенезов, сформировавшихся в близких динамических условиях. Взрывные процессы являются конечным итогом саморазвития локальных криогенных газодинамических геосистем, сформировавшихся в толще мёрзлых пород и находящихся в неравновесном термодинамическом состоянии. Развитие данных геосистем определяется парагенетическими связями между процессами фильтрации газа и деформаций газонасыщенного ледогрунтового материала (от вязкопластического движения до хрупкого разрушения). Сходство структурных парагенезов для разных воронок, отличающихся и по геологическому строению и по условиям залегания и по темпам развития свидетельствует об общих закономерностях развития данных геосистем.

Рассмотренные воронки, являются частными случаями, полного, законченного жизненного цикла развития выделенных геосистем, в различных природных условиях, от начальной стадии – формирования газовых полостей в толще многолетнемёрзлых пород до конечной стадии – взрыва и выброса ледогрунтового материала.

Следует различать факторы, влияющие на возникновение локальных газодинамических геосистем и факторы обуславливающие их развитие. Первые могут быть не связанными с криогенным фактором, вторые целиком им определяются. Газ в мёрзлом массиве может накапливаться по разным причинам: фильтрация по разлому с глубины, разложение газогидратов, криогенная концентрация свободного газа, накопление свободного газа в литологически обусловленном "газовом кармане" (песчаная линза в глинистой толще и др. При этом ничего не будет происходить, если он будет запечатан. Необходим комплекс процессов в мёрзлых породах, чтобы не только сам газ пришёл в движение, но и мёрзлая порода трансформировалась. Судя по буграм пучения вырастающим на месте будущих взрывов, эта трансформация может занимать от нескольких, до десятков, а может и сотен лет.