Феноменологическая модель формирования воронок газового выброса на примере Ямальского кратера
Хименков Александр Николаевич
кандидат геолого-минералогических наук
Станиловская Юлия Викторовна
Специалист по мёрзлым породам
Аннотация
Предметом исследования является воронка газового выброса (Ямальский кратер), расположенная в южной части Бованенковского месторождения на полуострове Ямал. Обобщение данных по строению слагающих кратер пород, природных условий и результатов лабораторных исследований, позволило построить феноменологическую модель формирования Ямальского кратера, с выделением различных стадий его развития. Причиной возникновения воронок газового выброса является образование в толще многолетнемёрзлых пород зон накопления подземного газа с аномально высоким давлением. Различные геологические и термодинамические условия обуславливают различные сценарии их развития. Основным методом исследования является рассмотрение различных структурных элементов Ямальского кратера, как феноменов, отражающих процессы его формирования. При выявлении процессов, формирующих воронки газового выброса использован метод аналогий. Основные выводы проведенного исследования. Воронки газового выброса являются результатом саморазвития флюидодинамических геосистем, представляющих из себя локальные, ледогрунтовые газонасыщенные образовании, находящиеся в неравновесном термодинамическом состоянии по отношению к вмещающим многолетнемёрзлым породам. Развитие выделенных геосистем определяется парагенетическими связями между процессами фильтрации газа и деформаций газонасыщенного ледогрунтового материала (от вязкопластического движения до хрупкого разрушения). Ямальский кратер, является частным примером, полного, законченного жизненного цикла развития выделенных геосистем, от начальной стадии - формирования условий для разложении газогидратов, до конечной стадии - взрыва и выброса ледогрунтового материала.
Ключевые слова: многолетнемёрзлые породы, пластические деформации, течение льда, диссоциация газогидратов, фильтрация газа, флюиды, флюидогеодинамика, ледогрунтовые газонасыщенные геосистемы, стадии развития, парагенетические связи
Abstract
The subject of this research is the gas emission crater (Yamal crater), located in the southern part of Bovanenkovo deposit on the Yamal Peninsula. Generalization of data on the structure of crater soils components, natural conditions and laboratory results, allowed building a phenomenological model of the Yamal crater, with identification of different stages of its development. The cause for the emergence of the gas emission craters is the formation within the subsurface of permafrost rocks of the underground gas accumulation zones with the abnormally high pressure. The diverse geological and thermodynamic factors substantiate the various scenarios of their development. The main research method lies in consideration of the different structural elements of the Yamal crater as the phenomena that reflect the processes of its formation. In determination of the processes that form the gas emission craters, the authors apply the method of analogies. The conclusion is made that the gas emission craters eventuate the self-development of the fluid dynamics geosystems, which are the local ice-surface gas-saturated formations in non-equilibrium thermodynamic state in relation to the enclosing permafrost rocks. The development of the selected geosystems is defined by paragenetic links between gas filtration processes and deformations of gas-saturated ice-surface material (from viscoplastic motion to brittle fracture). The Yamal crater is a particular example of a full and complete life cycle of the development of selected geosystems: from the initial stage - the formation of conditions for decomposition of gas hydrates, to the final stage - the explosion and release of ice-surface material.
Keywords:
ice ground saturated geosystems, fluid geodynamics, fluids, gas filtration, dissociation of gas hydrates, ice flow, plastic deformations, permafrost, stage of development,, paragenetic relationships
Введение
Несмотря на то, что образованию воронок газового выброса посвящены десятки, а может быть и сотни публикаций, проблема их происхождения ещё далека от своего разрешения. Причиной этого является неполнота исходных материалов, кратковременность истории изучения (исследования начались с 2014 г), отсутствие разработанной теории (или теорий). Такое положение усугубляется ещё и тем обстоятельством, что часто исследователи не утруждают себя необходимостью обосновывать свои предположения комплексом фактических материалов, а останавливаются на декларации своей позиции. Наша подход заключается в том, что при решении вопроса о генезисе данных образований, в первую очередь следует рассматривать фактические данные о их морфологии, составе, структуре, выявлять, процессы которые могли их сформировать, условия при которых реализуются эти процессы и только потом предлагать гипотезы происхождения воронок газового выброса. В условиях ограниченного знания об объекте, наиболее продуктивным направлением в выявлении формирующих его процессов, является построение феноменологической модели. Этот класс моделей базируется на описании фиксируемых внешних явлений (феноменов), проявляющихся в морфологии, тестурно-структурных особенностях, вещественном вещественном составе и др. Модель, построенная на фиксации данных показателей, является качественной и не позволяет производить расчёты, строить прогнозы, но с её помощью удаётся получить общие представления о внутренних связях объекта и истории его развития. Феноменологическая модель является хорошей основой для разработки полноценной гипотезы. Данная статья посвящена построению феноменологической модели наиболее изученной воронки газового выброса - Ямальского кратера. Для этого будут рассмотрены материалы исследований различных авторов, вне зависимости от того, какой гипотезы происхождения данных объектов они придерживаются. Мы не будем приводить описания Ямальского кратера, поскольку это уже сделано в многочисленных ранее опубликованных работах [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9].
Строение Ямальского кратера
Наибольшей трудностью при изучении Ямальского кратера является практически полное отсутствие материала (за исключение небольших фрагментов), составляющего его центральную часть. В этих условиях, наиболее информативным является изучение строения его стенок. Установлено, что стенки слагают слоистые ледогрунтовые породы с субвертикальной ориентировкой слоистости (рис. 1) [4, 6]. Толщина слоистого ледогрунтового слоя, окаймляющего кратер около 2-3 м.
а
б
Рис. 1. Ямальский кратер, вид сверху. Штриховкой обозначено направление субвертикальных слоёв в зоне, прилегающей к стенкам кратера, сплошной линией нижняя граница деятельного слоя: а) Фото В. В. Оленченко, июль 2014 г.; б - июль 2015 (скриншот с видео) [10], 26 июля 2015.
На рис. 2 изображена слоистость льда в стенке кратера в месте перегиба от воронкообразной верхней части к вертикальной цилиндрической.
Рис. 2. Субвертикальная слоистость льда окаймляющего Ямальский кратер. Скриншот с видео. [11] июль 2014 г.
Образцы льда, отобранные в зоне слоистого льда и проанализированные Э.И. Галеевой с соавторами [12], показали, что слоистость обусловлена вязкопластическим течением льда. Деформации сдвига приводят к деформации льда пластовой залежи, формированию вертикального штока с многочисленными складками, вторичной слоистости (кливажа) ориентированной под углом до 60°к горизонтально залегающей первичной слоистости. Изучение структуры слоистого льда Ямальского кратера показала чёткое деление льда на слои толщиной около 1,5 см, Кристаллы в слоях удлинённые, ориентированы длинной стороной в направлении общей слоистости (рис. 3) [12].
Рис. 3. Структура зоны слоистого льда окаймляющего Ямальский кратер: слева - структура слоистости; справа - то же, в поляризованном свете [12]
Следует учесть, что на месте Ямальского кратера перед взрывом сформировался бугор пучения высотой около 7 м, возраст которого по дендрологическим данным составляет около 70 лет. Таким образом, можно определённо утверждать, что в субстрате, подстилающем бугор, возникали напряжения, приводящие к его перемещению по направлению к земной поверхности (рис. 13). Строение стенок кратера указывает на то, что материал перераспределялся преимущественно в результате пластических деформаций и течения льда и ледогрунта. На фоне общего движения вверх, на локальных участках, вследствие неравномерности нагрузок, происходило изменение давлений, скоростей перераспределения и направления движения материала и как следствие развитие пластических и разрывных деформаций (рис.4, 5, 6, 7, 13).
Рис. 4. Пластические деформация мерзлых пород в средней части зоны вертикально ориентированной слоистости. Ямальская воронка июль 2014. Фрагмент фотографии М. О. Лейбман [3]
феноменологическая модель воронка кратер
Рис. 5. Пластические деформации льда в нижней части зоны с ветрикальной слоистостью. Фото В.В. Оленченко июль 2014 г.
Свидетельством значительных нагрузок в породах, слагающих стенки кратера являются зоны хрупких разрушений с образованием оперяющих трещин по которым проникали газовые включения (рис. 6) обнаруженных А.И. Кизяковым при исследовании стенок кратера в ноябре 2014 г.
Рис. 6. Стенка кратера. Лед разбит трещинами с грунтовыми и газовыми включениями. От основной трещины (сплошная красная линия), расходится серия оперяющих трещин (штриховые красные линии) [13]. Фото. А. И. Кизякова
Иногда пластические и разрывные деформации встречаются вместе (рис. 7).
Рис. 7. Пластические и разрывные деформации в верхней части Ямальского кратера. Фото А. В. Лупачёва
Значительные деформации льда были обнаружкны не только в стенках кратера, но и поблизости от него. В скважине расположенной в 5 м севернее стенки кратера (рис. 8, 9), с глубины 5.8 м и до 17м был вскрыт пластовый лед, имеющий слабо выраженную субвертикально ориентированную слоистость, образованную прослоями разных оттенков за счет гуминовых кислот, с множеством газовых включений (см. рис. 8, 9). Кристаллы льда деформированы, разбиты многочисленными трещинами. По отношению к оси керна угол наклона сло?в составляет около 80о, и стабильно выдержан по глубине разреза. Кроме большого содержания газа, лед включает в себя ксенолиты дисперсных горных пород в виде небольших агрегатов и з?рен. Криогенное строение в непосредственной близости от стенки Ямальского кратера свидетельствует о том, что здесь льдонасыщенная порода подвергалась значительным нагрузкам, а также внедрениям газа и минеральных частиц по трещинам [7].
Рис. 8. Пластовый лед вблизи стенки кратера на разрезе перпендикулярном оси керна. Повышенное содержание пузырьков газа и минеральных включений приурочено к трещинам. Фото В. З. Хилимонюк [7]
Рис. 9. Лёд сильно деформирован вертикально ориентированные трещины за счёт газовых и минеральных включений. Прослеживаются цепочки вытянутые в вертикальном направлении. Иллюстрация к докладу. Фото В. Хилимонюк [7]
Летом 2015 года окрестности Ямальского кратера были обследованы экспедицией МГУ, возглавляемой В.З. Хилимонюк. Вблизи кратера были пробурены 7 скважин глубиной от 10 до 17 м, находящихся на различном расстоянии от кратера. В скважинах, отстоящих на некотором расстоянии от кратера, криогенное строение значительно отличается. Для скважины расположенной в 30 м от кратера на хасырее характерна слоистая и линзовидно-слоистая криогенная текстура с прослоями ледогрунтов с атакситовой и брекчиевидной криогенной текстурами. Высокая льдистость практически не изменяется по разрезу скважины. Авторы делают вывод о сингенетическом типе формирования криогенных пород на хасырее. Для скважины пробуренной в 40 метрах от кратера на склоне криогенное строение типично для эпигенетически промерзающих суглинистых водонасыщенных пород и представляет из себя чередование сетчатых и слоистосетчатых криотекстур [7]. Материалы исследований В. Хилимонюк показывают, что криогенное строение мёрзлых пород вблизи кратера резко отличаются от строение сопредельных участков. Возникает вопрос, что же обусловило формирование на локальном участке газонасыщенного ледогрунтового тела с вертикальной слоистостью, и со следами многочисленных пластических и разрывных деформаций. Исходя из особенностей рассмотренного криогенного строения пород слагающих стенки кратера и близлежащих участков к источником силового воздействия может быть отнесён поступающий снизу газ, находящийся под значительным давлением. Вопросы связанные с выделением газа в многолетнемёрзлых породах будут рассмотрены ниже. Здесь же мы проанализируем материалы, указывающие на наличие газовых потоков (рис. 10). В нижней части кратера обнаружена серия гротов, в ледяных стенках которых наблюдается густая сеть изгибающихся, ветвящихся лент, соответствующих каналам газовых флюидов, направленных по углом 60-70є к центру кратера. Здесь же встречаются шарообразные образования с повышенным содержанием газовых включений. В большинстве случаев ленты обтекают шарообразные образования, образуя разнообразные складчатые формы (рис. 10 в). Газовые флюиды подходят к вертикальным стенкам, где соединяются с серией ячеек неравномерно распределёееых по всей поверхности кратера (рис. 10 б).
а
б
в
Рис. 10. Газовые флюиды в стенках грота в нижней части Ямальского кратера. а) общий вид кратера и грота; б) зона контакта газовых флюидов с ячеистой структурой на стенке кратера; особенности строения газовых флюидов (стенка грота). Фото В. Пушкарёва (ноябрь 2014 г).
Газовые образования в мерзлых породах, слагающих стенки кратера, имеют разную морфологию в зависимости от местоположения. В нижней части кратера газовые они реализуются преимущественно в виде отдельных изгибающихся и ветвящихся струй. Выше они переходят в серии отдельных плоских газовых пузырей, залегающих согласно вертикальной слоистости. Следы газовых пузырей неравномерно распространены по всей поверхности стенок кратера (рис. 10 а). На протвоположной стенке наблюдается аналогичное распределение (рис. 11). Следы газовых пузырей образуют вертикально ориентированные цепочки или изометричные скопления. Оставшийся после взрыва, и поэтому доступный для изучения, слой газонасыщенного слоистого ледогрунта, имеет небольшую мощность (первые метры). Если в 2014 году он прослеживается практически на всей поверхность кратера (рис. 10а, 11), то к середине лета 2015 произошло его практически полное оттаивание (рис. 12). Лишь на одном участке сохранился фрагмент газонасыщенного деформированного льда соответствующего центральной части кратера (рис. 13). Это свидетельствует о том, что зона газонасыщенного ледогрунта лишь незначительно превышает границы кратера. Стенки кратера, являются периферией существовавшего до взрыва геологическое тело. Можно обоснованно предположить, что само тело, представляет из себя газонасыщенный, сильно дислоцированный ледогрунтовый шток диаметром около 15 метров и высотой около 50 м.
Рис. 11. Ячеистый лёд в стенке Ямальского кратера. Фотография сделана в июле 2014 г. Фото В. И. Богоявленского[14]
Рис. 12. Тот же участок кратера, что и на рис.. Деформация первичных пород, вмещающих Ямальский кратер. Июль 2015 Скриншот с видео. [10] 26 июля 2015 г.
На рис. 13 показано строение мёрзлых пород на оставшемся после взрыва участке бугра пучения. В центральной части фотографии виден фрагмент газонасыщенного ледогрунтового штока, деформирующего первичную слоистость перекрывающих мёрзлых пород.
Рис. 13. Куполовидная деформация первичной слоистости над газонасыщенным ледогрунтовым штоком. Скриншот с видео «тайна Ямальского кратера» [10] 26 июля 2015 г.
Обзор работ по лабораторному моделированию процессов аналогичных процессам, протекающим при формировании Ямальского кратера. Моделирование вязкопластичного движения.