Сейчас в Арктике:
Грибы/ягоды

Кратеры меняют ландшафт Арктики

Кратеры меняют ландшафт Арктики
14 Августа, 2019, 11:10
Комментарии
Поделиться в соцсетях
На краю кратера. Фото Ю.В. Станиловской.


Пять лет назад в российской арктической тундре произошло событие, которое вызвало большой не только сугубо научный, но и огромный «обывательский» интерес (да простят нам наши читатели такое определение). Всемирное внимание к России в этот момент можно было сравнить, пожалуй, с интересом, который вызвали в 1908 году Тунгусский феномен и в 2013 году Челябинский метеорит. И вызвало этот интерес обнаружение в 2013-2014 гг. на полуостровах Ямал, Гыданский и Таймырский уникальных своими размерами глубоких воронок. Среди них явным фаворитом сразу стала аномалия вблизи Бованенковского месторождения на полуострове Ямал, получившая в научной литературе и публицистике название «Ямальского кратера» благодаря своим значительным размерам (по максимальным оценкам – диаметром на поверхности до сорока метров и глубиной более пятидесяти метров). В геоинформационной системе, формируемой Институтом проблем нефти и газа РАН (ИПНГ РАН), кратеру был присвоен индекс В1.



Места обнаружения кратеров газового выброса в российской Арктике.
Фото из статьи (26.09.2015) http://vulkania.ru/interesnyie-fakty/gigantskie-krateryi-v-sibiri-vzryiv-metana-mozhet-proizoyti-v-lyuboy-moment.html

Но главное, почему именно Ямальская воронка привлекла такой интерес к уникальному геологическому явлению не только учёных, но и широких кругов общественности, представителей бизнеса и нефтегазовой промышленности – это её месторасположение в районе с относительно хорошо развитой инфраструктурой вблизи от уже действующего газового промысла Бованенковского месторождения (в 30 км южнее Бованенковского НГКМ и менее чем в 5 км от магистрального газопровода Бованенково–Ухта). Хотя подобные воронки обнаруживались и ранее, они не привлекали к себе внимания именно по причине значительной удалённости от мест хозяйственной деятельности человека и, соответственно, труднодоступности. А воронку вблизи Бованенковского ГКМ за несколько месяцев после её обнаружения в июле 2014 года посетили сотрудники около десятка научных учреждений, журналисты, телевидение; первые исследования начались спустя всего несколько дней после появления видеоролика, снятого с борта вертолёта «Ми-8» и распространения новости о столь необычном явлении в электронных и традиционных российских и мировых СМИ. И конечно же, пока учёные для изучения природы этого явления брали пробы пород, проводили замеры полости и сравнивали данные космических снимков на разные моменты времени, -- не дожидаясь выводов научных экспедиций, различные «знатоки и эксперты» в сети стали активно обсуждать множественные гипотезы о разнообразных вероятных внешних причинах возникновения полости. Это и ударно-космические версии (от метеоритного происхождения кратера до крушения инопланетного корабля), и техногенные версии о подземном испытании сверхсекретного оружия или катастрофе на газовом месторождении, подробности которых, естественно, властные структуры от народа «как обычно, скрывают». Но учёные практически сразу отказались от всех версий образования «Ямальского кратера» по причинам экзогенного характера — по полученным в первый же год данным, формирование воронки стали связывать с эндогенными факторами, а именно – естественными природными процессами в толще многолетнемёрзлых пород вблизи поверхности земли, что и повлекло за собой последующий выброс ледогрунтовой массы с образованием глубокого кратера, а движущей силой этого выброса был признан подземный газ, который мог по разным причинам накапливаться в верхних горизонтах мерзлоты.

Последующий мониторинг «самой знаменитой» воронки газового выброса на Ямале показал, что всего за несколько тёплых месяцев произошло его заполнение водой, обрушение стенок и расширение кратера в верхней части с уменьшением его глубины. В конечном итоге это привело к возникновению озера, подобного другим озёрам Ямала, которых сегодня насчитывается на полуострове более шестидесяти тысяч. Подобную эволюцию можно предполагать и у остальных новообразованных воронкообразных форм рельефа: за очень короткий срок (до двух-трёх лет) кратеры заполняются водой и превращаются в озёра, что, естественно, осложняет их обнаружение и изучение.

Традиционно принято было считать, что озёра в арктической тундре имеют главным образом термокарстовый генезис и их образование связано с вытаиванием мощных залежей подземного льда. 

Термокарст (Тhermokarst от греческого Therme – тепло и немецкого Karst — карст (по названию плоскогорья в Альпах – совокупность явлений, возникающих в растворимых водой горных породах с образованием в них пещер, пустот, впадин и т.п.) – вытаивание подземных льдов, сопровождающееся просадками поверхности Земли и появлением отрицательных форм рельефа.

Однако новые данные позволяют взглянуть на происхождение арктических озёр под другим углом. Вероятно, газовые выбросы в криолитозоне наряду с термокарстовыми процессами могли стать стартовым механизмом формирования новых озёр. Иными словами, часть глубоких озёр округлой формы в арктической тундре, которые ранее считались чисто термокарстовыми, могут включать «в свою родословную» кратеры газового выброса в настоящее время заполненные водой. Судя по всему, возникновение подобных кратеров является далеко не новым явлением, а лишь недостаточно изученным. Ведь даже сегодня обнаружение воронок взрыва происходит в известной степени случайно, например, с борта пролетавшего вертолёта или местными оленеводами и охотниками при перемещениях по своим маршрутам с хозяйственными целями.


Круглые озера – типичная картина Ямальского района ЯНАО. Изображение Google Maps

 

Также случайно сравнительно недавно был обнаружен и так называемый «Еркутинский кратер», образовавшийся в южной части полуострова Ямал. Новый кратер, однако, не вызвал столь пристального внимания журналистов и бурного обсуждения в прессе, как его знаменитый предшественник, поскольку возник не на столь «обжитом месте» и имел более скромные размеры. Но это и делает его более типичным явлением арктической тундры и, следовательно, не менее, если не более интересным для учёных именно с точки зрения изучения обычного природного явления, а не сенсационной аномалии, вызывающей нездоровое внимание при нашей неукротимой страсти к гигантомании и конспирологическим гипотезам. Кратер был обнаружен в июне 2017 г. в тридцати километрах восточнее научного стационара «Еркута» сотрудниками этого центра. Данный участок попадает в поле зрения биологов Арктического научно-исследовательского стационара ИЭРиЖ УрО РАН, поскольку рядом гнездятся их подопечные сапсаны. На момент обнаружения кратера его диаметр был около десяти метров, а глубина в районе двадцати метров, и он являлся самым южным из всех известных к тому времени. «Еркутинской воронке» был присвоен индекс В12.

По словам учёных, регулярно навещавших гнездовья сапсанов, ещё за два года до обнаружения кратера в 2017 году там была абсолютно ровная местность. Однако в 2016 г. биологи отметили выпучивание прежде ровного участка и зафиксировали надломы на поверхности почвы. Также учёные рассказали, что уже после обнаружения кратера они слышали от ненцев, что зимой (точнее сказать ненцы не могли – в январе, а может, в марте или апреле) – в общем, когда был снег, поверхность земли взорвалась и там был огонь.

Так каким же предстал новый кратер перед своими первыми исследователями? Учёные, прибывшие на место новой воронки, отметили, что внутренняя полость Еркутинского кратера имела форму цилиндра с достаточно ровными стенками. При этом первоначальный бугор пучения был разрушен не полностью, а на склонах этого бугра и вокруг него в радиусе десятков метров наблюдались отложения дисперсного материала супесчано-суглинистого состава, очевидно, выброшенного газовым взрывом. Общая картина была сходна с той, что была уже ранее описана на «Ямальском кратере», образовавшемся в 2014 году, и ему подобных. 


Еркутинский кратер (лето 2017 года). Общий вид и фрагмент внутренней стенки кратера (фото А.А. Соколова)


Ещё один визит учёных на Еркутинский кратер состоялся в декабре 2017 г., когда туда была направлена научная экспедиция исследователей из Сколковского института науки и технологий (Сколтеха) при поддержке и участии представителей компании Тоталь (Франция) и Департамента по науке и инновациям Ямало-Ненецкого автономного округа.

В ходе этой экспедиции были зафиксированы определённые изменения, которые произошли с воронкой за полгода со времени её обнаружения. К моменту осмотра южный край кратера обвалился, а диаметр увеличился на несколько метров -- до 17,5 метров. При этом воронка частично была заполнена водой, мощность водного столба в воронке достигала восьми метров, а мощность ледяного покрова озера, образовавшегося внутри воронки, составляла около одного метра. Сверху озёрный лёд был перекрыт слоем снега толщиной около 80 см. 


Еркутинский кратер (декабрь 2017 года, фото Е.М.Чувилина).

 

Ещё через полгода (в июне 2018 года) были получены новые данные внешнего осмотра кратера с использованием квадрокоптера. Они показали дальнейшее разрушение стенок кратера и практически полное его заполнение водой. 


Еркутинский кратер (лето 2018 года, фото А.А. Соколова).


На том месте, где была за год до этого обнаружена глубокая воронка, теперь фиксировалась поверхность озера, окружённая с стороны старицы небольшим валом из остаточного склона бугра пучения. Его высота достигала в отдельных местах 2-3 метров. Остаточный склон с внешний стороны имел следы термоэрозии и оползневых процессов. При этом с внутренней стороны, обращённой к озеру, он оставался практически вертикальным. 

Что же произошло? Всего за год воронка газового выброса эволюционировала в другую геоморфологическую форму рельефа и, по сути, превратилась в обычное озеро. Вероятно, ещё несколько лет – и склоны бывшего бугра пучения окончательно размоет дождями, и тогда исчезнут последние следы, говорящие о том, что здесь когда-то произошёл разрыв мёрзлых толщ с выбросом газа, грунта и льда, а не простое проседание земной поверхности в результате вытаивания подземных ледяных пластов.Но те данные, которые успели получить исследователи, сфотографировав и описав, а затем отобрав образцы грунта, пластового льда и газа для дальнейшего изучения в лабораториях, позволяют не только сохранить память о так недолго существовавшей Еркутинской воронке, но также, при сравнении с данными других исследований, попробовать реконструировать историю её зарождения и развития. 

Сейчас уже можно предположить, что Еркутинская воронка представляет собой кратер газового выброса, который, по-видимому, сформировался в результате промерзания таликовой зоны и возникновения при этом критических давлений, приведших к резкому снятию напряжений в остаточной таликовой зоне. Как мы уже говорили, по свидетельствам очевидцев, формированию воронки предшествовало образование быстрорастущего бугра (в течение 1‒2 лет). Наличие характерных трещин на стенках кратера, частично заполненных льдом, также указывает на возникновение в теле промерзающего талика напряжений и на их частичную разгрузку. Источниками газа, который спровоцировал газовый выброс в промерзающей таликовой зоне, могли быть биогенный газ, образовавшийся в результате микробиального разложения органического материала, а также глубинный газ, который мог поступать в промерзающую таликовую зону. На вклад глубинного газа в формирование кратера газового выброса указывает высокое содержание гомологов метана в отобранных образцах.

Если сравнить эти данные с теми, которые были получены при наблюдении за другими воронками взрыва в арктической тундре, то можно отметить, что в качестве причин газовых выбросов исследователи предлагают рассматривать схожие причины: накопление газа в мёрзлой толще в результате разложения захороненных растительных остатков, диссоциации газовых гидратов или миграции газа с больших глубин. В основном всё можно свести к двум основным моделям. Первая – промерзание несквозного (остаточного) талика под спущенным или высохшим озером за счёт внешнего потока холода (охлаждение сверху). Вторая – образование воронки взрыва вызвано причинами эндогенного характера за счёт потока тепла из недр Земли (локальный разогрев снизу).

В данной статье мы не будем рассматривать вторую модель, поскольку специальные исследования в этом направлении в районе Еркутенского кратера не проводилось, а сосредоточимся на первой, поскольку полученные нами данные позволяют предложить модель формирования кратеров газового выброса в результате экзогенных процессов (при промерзании замкнутого талика под спущенным или высохшим озером за счёт внешнего потока холода), которая в общих чертах сходна с моделью «криовулкана», описанной для Ямальского кратера группой исследователей из МГУ.

Предлагаемая нами модель, представленная ниже в виде последовательного ряда схематических рисунков, призвана проиллюстрировать представления и рассуждения об этапах (или стадиях) формирования воронок Ямальского типа на примере Еркутинского кратера.


Модель формирования кратера газового выброса при промерзании замкнутого талика

I - стадия промерзания талика в замкнутых условиях, формирования криогенного давления в талике и начала формирования бугра пучения;

II - стадия дифференцирования газа воды и грунта в остаточном промерзающем талике и роста бугра пучения;

III - стадия газового выброса перекрывающего талик мёрзлого слоя;

IV - стадия активного извержения газоводогрунтовой массы начала образование кратера;

V - стадия завершения извержения газоводогрунтовой массы и образования кратера

VI – стадия заполнения кратера водой и образование озера


На схеме I показана стадия промерзания талика в замкнутых условиях, формирования криогенного давления в талике и начала формирования бугра пучения. Это начальная стадия развития нового геокриологического образования в том месте, где в будущем возможен газовый выброс. Этой стадии предшествовал период существования термокарстового озера, которое периодически (в летний период) насыщалось органическим материалом. В дальнейшем этот материал подвергался микробиальной переработке с выделением газа в качестве продукта жизнедеятельности микробов (в зимний период) с активной разгрузкой в атмосферу в весенние месяцы. Ещё одним источником газа в подозерном талике могло служить разложение реликтовых газовых гидратов, ранее попавших в зону оттепляющего влияния талика. Также нельзя исключить и возможную миграцию глубинного газа в талик по системе трещин и разломов в земной коре.

При обезвоживании термокарстового озера с последующим промерзанием как сверху, так снизу и с боков талых подозерных отложений, происходит криогенное концентрирование газа и возникновение напряжений в промерзающем замкнутом талике, что сопровождается формированием на поверхности бугра пучения. Льдистые породы со всех сторон окружают и сжимают сохранившиеся пока ещё в немёрзлом состоянии газосодержащие талые отложения – остатки подозёрного талика. Стрелками на схеме показано направление отжатия газа (стрелки направлены внутрь талой зоны). На этой стадии в остаточном талике формируется область повышенного давления, которое при превышении литостатического давления впоследствии может привести к пластическим деформациям расположенных выше мёрзлых пород (так называемой «мёрзлой покрышки») и росту бугра пучения на поверхности. На этой стадии также возможен процесс дифференцирования в остаточном промерзающем талике газа, воды и грунта. Точками внутри талой зоны условно показаны формирующиеся внутри грунтовой массы обособленные скопления газа и воды. 

На схеме II представлена стадия, на которой уже произошло дифференцирование газа, воды и грунта в остаточном промерзающем талике, что схематично изображено как расположение снизу вверх по разрезу горизонтов с преобладающим содержанием грунта, воды и газа, от более тяжёлых и плотных к более лёгким и летучим. На схеме вся талая зона обозначена единым цветом с разделением пунктирной линией на горизонты с условным преобладанием того или иного компонента, поскольку абсолютное разделение грунтовой массы невозможно и в каждом горизонте содержится то или иное количество других компонентов в виде примесей к основному. Также на схеме представлено дальнейшее развитие бугра пучения с характерным выражением этого процесса в изменении формы рельефа поверхности. Следует отметить, что если скорость нарастания давления небольшая и мёрзлая кровля успевает пластически деформироваться, то формируются бугры пучения, ярко выраженные в рельефе на протяжении продолжительного времени. При быстром возрастании давления область пластических деформаций может не возникать, и разгрузка подземного давления происходит без видимого на поверхности подготовительного периода. В случае Еркутинского кратера разгрузка глубинного давления произошла достаточно быстро (как ранее указывалось, за два года до взрыва на месте кратера было ровное место).

В дальнейшем (схема III) формирование избыточного давления в грунтовом массиве, содержащем свободную воду и газ, может привести к его естественной разрядке путём проламывания «мёрзлой крышки». Это явление в геокриологии получило название «криовулканизма». Под криовулканизмом понимается извержение массы какого-либо вещества (воды, водного раствора, разжиженного грунта), возникающее в результате промерзания замкнутой или открытой водоносной системы. Если в ядре талика присутствует небольшое количество газа, то разрушение бугра пучения, скорее всего, приведёт к выбросу жидкой фазы (воды, грязи) в виде излияния или умеренного фонтанирования, но не к взрыву. Если же количество газа достаточно велико, присутствует своеобразный «газовый пузырь», то выброс содержимого талика, скорее всего, произойдёт в виде взрыва с более широким разбросом талой газонасыщенной водогрунтовой массы и мёрзлых обломков льдогрунтовой «покрышки».

На схемах IV и V представлено дальнейшее развитие процесса «криоизвержения». Причём промежуток времени между условно выделенными стадиями на схемах III, IV и V очень непродолжительный, от нескольких часов до суток.

Так, на схеме IV показана стадия активного извержения газоводогрунтовой массы и начала образование кратера, когда, в результате прорыва «мёрзлой покрышки» толщиной в несколько метров, слагавшие её породы взрывом были разбросаны по территории вокруг жерла «криовулкана», причём часть выброшенного материала, которая осела на поверхности земли вблизи кратера, образовала по периметру воронки взрыва краевые валы (брустверы). При этом, очевидно, некоторая часть «мёрзлой покрышки» после взрывного выброса газа могла упасть обратно в воронку и постепенно опуститься на дно кратера.

На схеме показано, что обломки мёрзлой «покрышки» сверху перекрываются талыми породами, которые в течении ещё какого-то времени продолжают «извергаться» из «криовулкана». В процессе извержения в жерле «криовулкана» происходит перемешивание содержимого талой зоны, ранее дифференцированного в процессе сжатия талика, что на схеме обозначено отсутствием условных границ. В процессе выброса газо-водо-грунтовой смеси происходит постепенное снижение её уровня в кратере, начинают обнажаться стенки воронки.

На схеме V показана стадия завершения извержения газоводогрунтовой массы и образования кратера. В результате выброса образуется воронка, диаметр которой соответствует размерам остаточного талика. По краям воронки, а также на некотором расстоянии вокруг нее, находится выброшенный ледогрунт «мёрзлой покрышки» и содержимого талика. На дне воронки остаётся какое-то количество талого грунта и упавшие туда обломки «мёрзлой покрышки».

Вслед за этой стадией наступает период постепенной трансформации кратера в озеро (схема VI). Выброшенные на поверхность мёрзлые отложения «покрышки», если они были сложены дисперсными льдонасыщенными породами, оттаивают и оплывают. В большинстве случаев в течение нескольких последующих месяцев или лет кратер постепенно заполняется водой и на его месте формируется озеро округлой формы, имеющее вокруг на некотором расстоянии различного размера останцы выброшенного грунта, которые будут из года в год продолжать нивелироваться под влиянием термоэрозионных процессов. То есть происходит геоморфологическое преобразование рельефа в области кратера взрыва с возникновением нового элемента ландшафта – озера, которое теперь будет дальше существовать и развиваться уже по своим законам.

В заключение ещё раз хотелось подчеркнуть, что для исследователей уже вполне очевидным становится факт того, что возникновение воронок газового взрыва – явление не такое уж редкое, как в геологическом, так и в реальном масштабе времени. В ряде случаев место будущего выброса можно предположительно картировать по быстро растущему бугру пучения. Но здесь важно научиться отличать бугры пучения классической природы от бугров пучения, образованных в результате концентрирования газов. Чтобы ответить на существующие и всё возникающие во множестве вопросы, необходимо проводить комплексные геолого-геофизические исследования в пределах уже сформировавшихся и зафиксированных воронок (кратеров взрыва), бугров пучения и сверхглубоких озёр, проводить глубокое бурение с отбором керна льда и грунтов для дальнейшего всестороннего анализа. Возможно, в будущем какой-то из выявленных факторов, недостаточно учитываемый или невольно игнорируемый в настоящее время, станет ключом к пониманию природы, механизма и закономерностей развития взрывных процессов в криолитозоне.

В Еркутинском кратере

В кратере. Автор фото М.Ю. Спасенных.


Авторы: Чувилин Е.М., Соколова Н.С. 

Сколковский институт науки и технологий.


Комментарии