Норвежские геологи построили модель образования воронок в вечной мерзлоте

Ученые из Университета Осло предложили новую гипотезу о происхождении гигантских воронок на севере Западной Сибири, в то время как российские геологи ранее представили несколько своих моделей.

Статья в РИА Новости рассказывает о возможных способах образования ямальских кратеров. В 2014 году на полуострове Ямал, рядом с Бованенковским газовым месторождением, была обнаружена воронка с вертикальными стенками диаметром 40 метров и глубиной около 50 метров. Затем на территориях полуостровов Ямал и Гыдан было обнаружено несколько похожих структур.

В течение прошлых лет ученые предложили несколько гипотез о происхождении ямальских кратеров, все они связаны с выбросами метана, происходящими взрывообразно. Зона многолетнемерзлых пород, занимающая две трети территории России, является огромным резервуаром этого газа. В результате потепления и постепенного разрушения вечной мерзлоты метан, находящийся в глубине, высвобождается и стремится к поверхности. Заместитель директора по науке Института проблем нефти и газа (ИПНГ) РАН, член-корреспондент РАН Василий Богоявленский, который изучает ямальские кратеры с момента их открытия, связывает появление этих структур с процессами, аналогичными тем, которые происходят при грязевых или криовулканических извержениях.

Газ из природных зон разломов проникает к поверхности, вызывая высокое давление в толще многолетнемерзлых пород. Это приводит к частичному плавлению льда и образованию полостей. При наполнении газом, эти полости начинают давить на верхние слои пород, вызывая их деформацию и появление характерных бугров. Если процесс продолжается, кровля ледяной полости трескается и разрушается, что может привести к пневматическому выхлопу, самовоспламенению и взрыву газа.

Исследователи Института нефтегазовой геологии и геофизики РАН обнаружили множество объектов на севере Ямало-Ненецкого автономного округа и Красноярского края, которые также могут быть кратерами выброса газа. Большинство из них находятся в Южно-Карском регионе, который славится своими запасами углеводородов, и часто расположены рядом или прямо на территории нефтегазовых месторождений.

Многие объекты, которые исследователи наблюдают уже долгое время, характеризуются повторяющимися взрывными событиями, что подтверждает вулканическую природу образования кратеров. В летом 2017 года биологи, занимающиеся исследованием гнездовий птиц на Ямале, обнаружили новый кратер газового выброса в пойме реки Еркутаяха. Этот кратер отличался от предыдущих тем, что образовался на месте высохшего озера. В течение двух лет ученые из Сколтеха и коллеги из департамента по науке и инновациям и Научного центра изучения Арктики Ямало-Ненецкого автономного округа исследовали Еркутинский кратер и предложили модель его образования. Это было под руководством Евгения Чувилина, ведущего научного сотрудника Центра науки и технологий добычи углеводородов.

Во время существования озера, под ним находился участок незамерзающей породы, окруженный мерзлотой. Метан просачивался на поверхность через эту породу и дно озера, а также из газовых залежей, которые обильно расположены в этом регионе. Известно, что при таянии метаногидраты разлагаются на газ и воду.

После того, как озеро высохло, участок незамерзающей породы начал замерзать постепенно. Газ, не имея выхода, собирался в верхней части этого участка. Когда напряжение в куполе участка превысило давление от окружающих пород, произошел взрыв и обрушилась кровля.

Однако большинство кратеров не связано с озерами, и их стенки состоят не из талика, а из грунтового льда, который обычно располагается на значительном расстоянии от кратера. Ученые из Сколтеха предложили другую модель для объяснения их образования. Геологи, работающие в этом регионе на поиске нефти и газа, часто обнаруживают под слоем грунтового льда криопеги - подземные резервуары с высоко минерализованной водой, которая замерзает при отрицательной температуре.

Вместе с соавторами Чувилин утверждает, что газ, который идет из глубины и залежей метаногидратов, не может проникнуть сквозь толщу многолетней мерзлоты. Вместо этого он скапливается в купольной части криопэгов, в открытых полостях, которые возникают из-за разницы в объемах льда и воды при плавлении мерзлоты. Как и в предыдущих моделях, газ прорывается с образованием кратера, когда достигается предельное давление.

Норвежские геологи провели сравнительный анализ гипотез образования ямальских кратеров и опубликовали результаты в статье на сервере препринтов EarthArXiv.

Авторы отмечают, что все ранее предложенные модели имеют свои преимущества и недостатки. Например, модель криопэгов наглядно объясняет наличие каверн на ледяных стенках кратеров, что свидетельствует о том, что до взрыва происходило открытое таяние льда. Однако площадной прогрев вечной мерзлоты, о котором говорят все исследователи, должен приводить к расширению криопэгов, уменьшению плотности их рассолов из-за разбавления талой водой, а также к снижению, а не увеличению давления в газовой фазе. Кроме того, расчеты авторов показали, что давление должно быть одинаковым во всем криопэге, что исключает возможность образования вертикального выступа в его верхней части.

При создании альтернативной модели, норвежские ученые учитывали, что объяснение ямальских кратеров следует искать в их особом сосредоточении на ограниченной территории на севере Западной Сибири, между полуостровами Ямал и Гыдан. Вне этой зоны, в Арктической зоне, где также присутствуют все необходимые факторы (вечная мерзлота, газогидратные залежи, криопэги), подобных образований нет. Особое условие, которое исследователи считают важным, - это наличие куполообразной структуры под полуостровом Ямал с близко расположенными к поверхности и значительными по объему скоплениями природного газа, которые создают избыточное давление.

Согласно предыдущим исследованиям, в течение голоцена (после окончания последнего ледникового периода около 11 тысяч лет назад) этой структуре был свойственен повышенный тепловой поток. Температуры на Ямале и Гыдане превышали средние значения для данных широт на два-четыре градуса Цельсия. Исследователи считают, что это привело к утоньшению мерзлотного слоя и появлению открытых зон проницаемости и таликов, через которые газ выходил наружу. Во время так называемого малого ледникового периода, достигшего своего пика примерно 200 лет назад, талики замерзли, и в их верхнем слое начал накапливаться газ.

После окончания холодного периода наступило новое потепление, которое вызвало одновременное нагревание поверхности и протаивание ледяного слоя снизу. В результате этого газовые полости начали подниматься к поверхности. Авторы отмечают, что толщина многолетнемерзлых пород в регионе очень неравномерна и составляет от нескольких десятков до 500 метров. Прорыв газа происходил в наиболее тонких и прогретых местах, в основном над зонами разломов, которые служили каналами для глубинных газов.

Обычно после прорыва кратера он быстро заполняется водой и осадочными отложениями. Однако, через некоторое время может начаться повторная активизация кратера, связанная с поступлением газа из глубин или окружающих тел метаногидратов, которые разлагаются при снижении давления. Новый прорыв произойдет, когда объем газа, поступающего из глубин, превысит скорость его выброса на поверхность, например, из озера, образовавшегося в кратере. Норвежские геологи отмечают, что их модель отличается от предыдущих тем, что она уделяет особое внимание повышенному локальному нагреву в районе скопления кратеров, что привело к уменьшению толщи многолетнемерзлых пород.

Кроме того, этот прогрев произошел задолго до того, как началось так называемое глобальное потепление.

Источник и фото: https://ria.ru