Что таят в себе бугры на поверхности тундры?

Фотография отсюда. 

Бугры и с начинкой и без

Что мы обычно называем бугром? Любую положительную форму рельефа на поверхности Земли. Но между буграми, если начать их внимательно изучать, сразу можно отметить существенные различия. Бугры могут различаться по форме, размерам, скоростям роста, а также длительности существования на поверхности Земли (в рамках цикла образование-развитие-исчезновение). Но для арктической тундры, на наш взгляд, главное различие между буграми на её поверхности будет состоять немного в другом – в том, что можно назвать их содержимым (или своеобразной «начинкой»).

Прежде всего отметим, что бугры в тундре могут быть не только с «начинкой», но и без неё. Бугры без «начинки» – это прежде всего так называемые останцы: каменные глыбы или холмы из дисперсного материала (например, песка и гальки), оставшиеся после разрушения осадочных пород, окружающих останцы. Форма глыб из камня может быть причудлива и очень разнообразна, некоторые из них весьма высоки и представляют собой уникальные природные образования. Внешний вид бугров из дисперсного материала преимущественно конусообразный, они не так сильно выделяются в рельефе своей высотой и достаточно часто являются результатом «блуждания» рек и движения водных потоков.

Каменные останцы в тундре (https://dorofeich.livejournal.com/74695.html и https://kiowa-mike.livejournal.com/1404344.html.)

 Останцы из дисперсных пород в Ямальской тундре (фото Чувилина Е.М.)

А вот бугры «с начинкой» - типичные бугры пучения - формируются иначе. Причина их возникновения часто скрыта в глубине мёрзлых толщ, а от состава «начинки» зависит динамика роста и последующая судьба такого бугра. Но обо всём по порядку.

Что представляет из себя бугор пучения, встречающийся во многих местах в тех регионах (и не только в России), где распространены многолетнемёрзлые породы? Это формы криогенного (мерзлотного) рельефа округлой и выпуклой формы, высотой от нескольких десятков сантиметров (20-40 см) до нескольких десятков метров (30-50 м), при этом в диаметре от нескольких метров до 100 – 200 м. Встречаются бугры пучения как однолетние (сезонные), так и многолетние. Однолетние бугры пучения возникают при промерзании деятельного слоя (сезонно-талого или сезонно-мерзлого) и разрушаются в следующий сезон при его протаивании. Многолетние бугры пучения развиваются в процессе многолетнего промерзания горных пород, как правило сильно увлажнённых или контактирующих с водоносным горизонтом. Интересно, что возраст отдельных бугров пучения на севере Западной Сибири и Канады достигает нескольких тысяч лет, а начало их формирования приходится на голоценовый период похолоданий.

Что внутри бугра?

А теперь рассмотрим, из чего же может состоять «начинка» бугра пучения и как она влияет на его развитие? Образование классических бугров пучения, содержащих внутри себя ледяное ядро и возникающих за счёт притока влаги, достаточно хорошо изучено и описано в научной литературе. А вот по поводу положительных форм рельефа, возникающих при накоплении в толщах мёрзлых пород газовых флюидов различного генезиса, дискуссия в научном мире продолжается и по сей день. Так в чём же разница?

Классические бугры пучения с ледяным ядром могут возникать при промерзании горных пород как в условиях свободной миграции влаги (открытая система), так и при промерзании замкнутых водонасыщенных областей горных пород, со всех сторон окружённых многолетнемёрзлыми породами (закрытая система). Обычно непромёрзшие зоны (талики) в условиях криолитозоны существуют под озёрами, при этом они подразделяются на талики сквозные (под которыми мёрзлые породы отсутствуют) и несквозные (подстилающиеся мёрзлыми породами).

При промерзании тонкодисперсных грунтов в условиях открытой системы при свободном подтоке влаги, например, из нижележащих водоносных горизонтов, в центре будущих бугров пучения возникают линзы сегрегационного льда на месте разрыва пород, а образующиеся в результате этого бугры называют миграционными (или сегрегационными). Динамика роста таких бугров определяется возможностью дальнейшего поступления влаги, однако при полном промерзании водоносного горизонта рост бугров может совсем прекратиться, а сами бугры перейдут в реликтовое состояние. Локализованы бугры пучения подобного генезиса обычно вблизи южной границы распространения многолетнемёрзлых пород там, где могут существовать сквозные талики, обеспечивающие их длительное существование и рост.

Формирование бугра пучения с ледяным ядром (https://elementy.ru/kartinka_dnya/393).

При всестороннем промерзании закрытых водонасыщенных систем (несквозных таликов), существующих, как правило, в более северных районах, влага отжимается к центру промерзающего участка, где при дальнейшем понижении температуры в конце концов замерзает с увеличением объёма. Расположенный выше этого ледяного ядра мёрзлый грунт выгибается, образуя бугор пучения, который, как правило, в результате исчерпания источника влаги стабилизируется в своём развитии на длительное время. Также при промерзании закрытых систем могут возникать так называемые инъекционные (или интрузивные) бугры пучения, когда жидкость из непромёрзших горизонтов под криогенным напором внедряется в мёрзлую толщу по ослабленным (проницаемым, трещиноватым) зонам и замерзает там в виде ледяного ядра – гидролакколита.

Типичный бугор пучения с ледяным ядром (в разрезе).

В природе также встречаются бугры пучения со смешанным типом льдообразования – инъекционно-сегрегационные.

Бугор, пинго, булгуннях

Помимо термина «бугор пучения» в научной литературе и обиходе используется ряд других устоявшихся терминов. К ним можно отнести термин «пинго» (pingo), описывающий широко распространённые в Канадской Арктике и на Аляске и хорошо изученные бугры с ледяным ядром, а также термин «булгуннях» (от якутского слова, обозначающего «холм», «вершину», «курган»), являющийся синонимом «пинго» в русскоязычной научной литературе. И все эти термины описывают возвышенности в зоне распространения многолетнемёрзлых пород, по умолчанию подразумевая в этих «буграх», «пинго» и «булгунняхах» в виде «начинки» именно ледяное ядро.

Разрушающийся  «пинго» в дельте реки Маккензи (https://en.wikipedia.org/wiki/File:Mackenzie_Delta,_Pingo,_Tuktoyaktuk_(4).jpg).

Иногда ледяная или ледогрунтовая «начинка» бугров пучения под действием различных процессов может прорываться наружу, образуя водные или водогрязевые потоки, напоминающие извержение лавы из вулкана. Сходство с вулканом разрушающемуся бугру пучения придаёт и кратероподобное образование на месте вытаивания ядра. Нивелирование бугра пучения и образование в дальнейшем на его месте отрицательной формы рельефа может привести к последующему возникновению озера или болота. С течением времени, при осушении водоёма, цикл может повториться, и на дне осушенной котловины начнётся рост нового бугра пучения.

Взрывающаяся начинка

Однако бугор пучения может быть «начинён» не только ледяным ядром, но и гораздо более опасным содержимым, выброс которого сквозь мёрзлую кровлю бугра пучения может привести к большим разрушениям, сопоставимым с настоящим взрывом. Этой «начинкой» является природный газ, преимущественно метан, имеющий в ряде случаев примеси двуокиси углерода и глубинных газов (гомологов метана).

Образование и рост на поверхности тундры бугров, имеющих газовую «начинку», связывают с локальным накоплением газа в верхних горизонтах мерзлоты. Газ накапливается в таликовых зонах и замкнутых полостях, постепенно концентрируется, что приводит к нарастанию газового (или газожидкостного) давления в закрытом пространстве. В дальнейшем, при достижения этим давлением некоторых критических величин, может произойти взрывообразный выход газа, который мгновенно разрушит слои мёрзлых пород, расположенные выше газонасыщенной полости и выгнутые в виде бугра пучения. Эта «мёрзлая покрышка» до поры сдерживала нарастающее в глубине давление газа и маскировала бугор пучения с газовой «начинкой» внутри под многолетний бугор пучения с ледяным ядром, описанный нами выше и известный как пинго или булгуннях. В результате пневматического (или газо-гидровзрывного) разрушения бугра пучения с газовой «начинкой» происходит выброс вышележащих мёрзлых грунтов с образованием кратера с характерным бруствером. Дальность разброса обломков мёрзлого грунта при этом может достигать 300 м и более, а сам кратер – нескольких десятков метров (до 50 м) в диаметре и по глубине.

Общий вид (с вертолёта и с поверхности земли) кратера, обнаруженного на полуострове Ямал в 2020 г. (фото Чувилина Е.М.).

На сегодняшний день обнаружено и с разной степенью детальности описано около двух десятков подобных образований. Учёными предложено несколько гипотез, в которых даётся объяснение причин возникновения подобных мерзлотно-геологических явлений и механизмов реализации процесса газового выброса. По мнению большинства исследователей, катастрофическим выбросам газа из верхних горизонтов мерзлоты, следствием которых является образование гигантских кратеров, должен предшествовать процесс выпучивания поверхности над формирующимся газовым скоплением.

Здесь нам хотелось бы обратить внимание на то, что бугры пучения с газовой «начинкой» не такое распространённое явление, как обычные пинго (или булгунняхи) с ледяным ядром внутри. И это к лучшему, поскольку стремительное разрушение бугров пучения с газовым ядром может привести к катастрофическим последствиям, если произойдёт вблизи населённых пунктов, промышленных или инфраструктурных объектов в Арктике. А стопроцентно диагностировать «начинку» бугра пучения при полевом осмотре по внешним признакам или по космоснимкам учёные ещё не научились. Пока только специальные исследования с привлечением бурения могут дать подобную информацию, а десятки тысяч бугров в арктической тундре не пробуришь!

Как образуются "взрывоопасные" бугры?

Но здесь мы хотим всех немного успокоить. Кратеры газового выброса, предшественниками которых являются бугры пучения с газовым ядром, являются на сегодняшний день уникальными геологическими образованиями, которые, по нашему мнению, могут возникнуть в арктической мерзлоте только при определённом сочетании нескольких мерзлотно-геологических факторов, определяющихся специфическими условиями формирования и строения криолитозоны. К таким факторам можно отнести высокую газонасыщенность мёрзлых толщ, наличие мощных пластов подземных льдов, линз внутримерзлотных и подмерзлотных охлаждённых вод (криопэгов), а также существование в регионе крупных месторождений углеводородов и связанных с ними восходящих потоков газоводных флюидов. Вся совокупность подобных факторов отмечается в настоящее время лишь в ряде районов севера Западной Сибири (преимущественно, на Ямале). В других арктических регионах Евразии и Северной Америки весь набор перечисленных факторов присутствует далеко не всегда, что не позволяет говорить о масштабном проявлении подобных газовзрывных процессов в пределах криолитозоны. А «спусковым механизмом», приводящим к взрывообразному разрушению бугров пучения с газовым ядром, сегодня, скорее всего, являются климатические изменения (потепление температуры воздуха в Арктике), наблюдающиеся на протяжении последних десятков лет. Даже незначительное растепление верхних горизонтов мерзлоты ослабляет «мёрзлую покрышку», что облегчает прорыв газов, скопившихся в глубине под буграми пучения. В геологическом прошлом на территории севера Западной Сибири уже были периоды потепления (например, голоценовый оптимум с тепловым максимумом около 8000 лет назад), когда также предположительно могла происходить активизация газовых выбросов с образованием кратеров, которые впоследствии заполнялись водой. Так могли образоваться некоторые аномально глубокие озера округлой формы, которые фиксируются в настоящее время на Ямале.

Исходя из нашей концепции о необходимости определённого сочетания нескольких мерзлотно-геологических факторов для образования бугров пучения с газовым ядром и его последующего разрушения с формированием кратера, предлагаем вашему вниманию краткое описание модели этого процесса, которая более подробно изложена в статье в журнале Geosciences (DOI:10.3390/geosciences11090393).    

                                                    I                               

    

                                                      II


                                                        III


Модель развития бугра пучения с газовым ядром.

Схема I представляет миграцию глубинных газовых флюидов по зонам повышенной проницаемости, возникших в толщах многолетнемёрзлых пород в результате их эволюции и растепления, а также начало образования газонаполненной полости в массивном подземном льду. Образование полости в пластовом льду может происходить, например, при подплавлении льда за счёт взаимодействия с криопэгами (высокоминерализованными низкотемпературными растворами, образовавшимися на более ранних этапах формирования многолетнемёрзлых толщ и существующими в их недрах на различных глубинах). В ходе плавления пластового льда солевым раствором из-за разницы объёмов льда и образовавшейся при этом жидкой фазы возникает свободное пространство, в котором постепенно накапливается мигрирующий газ. Этот газ может поступать как из глубин подмерзлотных горизонтов, так и образовываться непосредственно в мёрзлых породах при разложении реликтовых газогидратных скоплений. Разложение газогидратов (особых льдоподобных образований, состоящих их молекул воды и газа) становится возможным при их растеплении за счёт повышения температуры верхних горизонтов мерзлоты, а также в результате взаимодействия газогидратов с криопэгами. Следует отметить, что при разложении газовых гидратов выделяется огромное количество свободного газа, преимущественно метана, почти в двести раз превышающего объём исходного гидрата.

На схеме II показано, как при дальнейшем растеплении мерзлоты происходит трансформация газонасыщенной полости с изменением её формы и размеров под воздействием возрастающего газового давления в полости и возникновения вязкопластических деформаций в ледяном массиве. Продолжающаяся аккумуляция газа и повышение газового давления приводит к локальному выгибанию мёрзлых пород, расположенных выше ледяного массива. Вот тут-то на поверхности земли и отмечается рост бугра пучения с газовой «начинкой», который по внешнему виду пока ничем не отличается от обычного бугра пучения с ледяным ядром. Скорость роста бугра пучения над газонасыщенной полостью будет зависеть от объёма и скорости поступления газа, а также от прочностных характеристик мёрзлых пород, перекрывающих сверху газовое скопление. 

На схеме III показана заключительная стадия развития бугра пучения с газовым ядром. На этой стадии под давлением газов, накопившихся в полости, сформировавшейся в ледяном массиве, происходит проламывание и разрушение «мёрзлой покрышки» с характерным для газового выброса разбросом обломков мёрзлой породы и льда, в результате чего на поверхности тундры возникает кратер впечатляющих размеров. К счастью, этой стадии достигают не все бугры пучения с газовой «начинкой», поскольку для её реализации важно совпадение целого ряда необходимых условий. Но, к сожалению, к их числу относится снижение прочности «мёрзлой покрышки», а в последнее десятилетие это условие стало всё чаще и легче достигаться за счёт растепления мерзлоты, вызванного климатическими изменениями.

Сколько в тундре бугров пучения?

Что касается количества бугров пучения в арктической тундре, то тут многое зависит от способа подсчёта. Так, группа исследователей под руководством В.И. Богоявленского, изучающая поверхность Земли на основе дистанционного зондирования из космоса, выявила на полуострове Ямал более семи тысяч возвышенностей (бугров), которые можно классифицировать, как существующие в течение нескольких лет (или многолетние). Иные способы подсчёта бугров пучения, основанные на данных топографических карт начиная с 60-х годов XX века, показывают гораздо меньшее их количество, что, тем не менее, представляет значительную величину в несколько сотен задокументированных объектов. Но независимо от способа подсчёта бугров пучения как характерных положительных форм арктического рельефа, при освоении территорий всегда следует учитывать, что безобидное с виду привычное возвышение на поверхности тундры вблизи хозяйственного объекта потенциально может иметь весьма опасное содержимое, которое в самый неподходящий момент способно прийти в движение. А закончиться всё может или излиянием грязе-водных потоков с образованием наледей и проседанием грунта на большой площади, или газовым выбросом с образованием огромного кратера на месте возвышенности – но это уже будет зависеть от «начинки» каждого конкретного бугра пучения. Относительно стабильны и безопасны могут быть только «останцы»!

  Фотографии сделаны много лет тому назад (1979 г) на Тазовском полуострове, когда один из авторов статьи (Е.М. Чувилин) был студентом и проходил там практику. Нижнее фото –с помощью мотобура, автор в центре.

Авторы: Чувилин Е.М., Соколова Н.С., Центр добычи углеводородов Сколтеха.