Для понимания процессов происходящих при формировании вертикальной слоистости вокруг стенок Ямальского кратера воспользуемся результатами исследования вулканических процессов. Часто вокруг подводящих каналов в кратере вулканов формируются зоны узких вертикальных слоёв - кольцевых даек (рис. 14). Кольцевые дайковые серии обусловлены вертикально направленным движением, соответственно вызванным понижением или повышением давления в вулканическом очаге [15].
Рис. 14. Блок-диаграмма конических залежей (/) и взаимоотношение напряжений с коническими залежами и кольцевыми дайками (по Е. Ш. Хиллсу)
Подобные напряжения должны возникать при давлении, указанной стрелкой. Тонкие сплошные (а) и пунктирные (b) линии представляют собой траектории главных напряжений; (с). Сколовые трещины типа d, имеющие небольшое или даже обратное (е) падение [15].
Для анализа напряжений возникающих при движении пластической массы воспользуемся моделью вязко-пластического движения материала продавливаемого вверх через канал круглого сечения [16]. На рис. 15, 16 показаны результаты лабораторного моделирования движения вулканической массы через цилиндрический канал. На рис. 15 показана картина деформации первоначальной квадратной сетки линий в осевом сечении экспериментальной модели; на рис. 16 - ориентация осей главных пластических деформаций. На рис. 17. пунктирные линии указывают направление главных необратимых деформаций на последней стадии течения вулканической массы, когда она охладилась ниже температуры плавления и стала высоковязким пластическим телом [16].
Рис. 15. Деформация прямоугольной сетки линий после проведения эксперимента по определению направлений главных деформаций в медленно движущейся пластичной массе, продавливаемой через узкое отверстие [16]
Рис. 16. Ориентация направлений главных деформаций в пластической массе, продавливаемой через канал [16].
Рис. 17. Идеализированный разрез Драконовой горы на Рейне.
- - - - кривые, соединяющие наиболее предпочтительные направление главных необратимых деформаций [16]
Хорошо видно, что в пластичной массе, продавливаемой через цилиндрический канал, развиваются деформации, и формируются текстуры, аналогичные образованиям, сформированным в стенках Ямальского кратера. Проведённые В.И. Соломатиным эксперименты, в которых на массив льда оказывалось локальное ориентированное давление, при возможности бокового расширения, по нормали к действующему усилию, показали развитие структур, аналогичных описанным выше. Возникающее течение выдавливания формирует структуры макрофлюидального полосчатого сложения со слоистым расположением минеральных и газовых включений [17].
Формирование кольцевой слоистой структуры вокруг кратера обусловлено продавливание ледогрунта через сформированный в массиве многолетнемёрзлых пород цилиндрический канал. Структурно-текстурные особенности строения стенок кратера указывают на то, что перед взрывом на месте Ямальского кратера располагался газонасыщенный ледогрунтовый массив в виде штока. Шток, двигающийся вверх, неравномерно деформировал первичную слоистость вмещающей сильнольдистой породы (рис. 12, 13).
Моделирование взрывного процесса
Формирование и выпучивание дислоцированного газонасыщенного ледогрунтового штока заканчивается взрывом [9]. Для лучшего понимания процессов, происходящих при взрывном образовании воронок газового выброса, воспользуемся предложенной М. А. Алидибировым (1998) моделью вулканического взрыва как двухстадийного процесса. На стадии подготовки, в жерле вулкана формируется пористое газонасыщенное магматическое тело. Резкая декомпрессия, вызывает фрагментация (дробление) ледогрунта, высвобождение потенциальной энергии сжатых газов и выброс продуктов дробления в атмосферу. Взрывная волна разгрузки, постепенно продвигаясь вглубь массива, слой за слоем разрушает пористый материал. Расширение газа в сторону области низкого давления приводит к выбросу продуктов дробления в атмосферу. Причём, чем ниже будет зона разрушения, тем энергичнее будет дробиться материал и дальше выбрасываться обломки. При быстром сбросе внешнего давления процесс газоотделения не играет существенной роли. Время релаксации напряжений оказываются значительно больше чем время разрушения. Процесс послойного разрушения происходи в течении нескольких секунд. При этом, само разрушение магмы носит хрупкий характер [18].
Предложенный М. А. Алибердовым механизм взрыва можно проиллюстрировать результатами лабораторных опытов: на лавах (рис. 18) и рыхлых материалах (рис. 19). После резкого снятия давления формируется последовательно увеличивающаяся сеть горизонтально орииентированных пор, микро и макро трещин, последовательно проникающих вгрубь материала.
Рис. 18. Система вытянутых пор, микро и макротрещин в гранитном расплаве, формирующихся при быстром сбросе давления, скорость сброса 2500 атм/сек. [19]
Рис. 19. Динамика слоя стеклянных шариков при быстром сбросе давления [20]
Процессы, наблюдаемые при формировании Ямальского кратера аналогичны, процессам при вулканических взрывах. При разрушении бугра пучения и декомпрессии в ледогрунтовом штоке насыщенным, находящимися под давлением, газовыми включениями начинается послойное разрушение и выброс материала. В результате в толще многолетнемёрзлых пород образуется цилиндрическая полость глубиной около 50 м. В нижней часть полости располагается зона каверн и гротов, соответствующая зоне диссоциации газогидратов. В верхней части Ямальского кратера формируется конусообразное расширение, соответствующее скалывающим напряжениям при первичном взрыве.
Природные условия, влияющие на формирование Ямальского кратера. Формирование растеплённых зон под поверхностными водоёмами
Низкотемпературные многолетнемёрзлые породы в естественных условиях газонепроницаемы. Тем не менее, в результате внешних воздействий и при определенных условиях в них могут формироваться газопроницаемые зоны. Одним из главных условий для этого является повышение температуры до значений близких к фазовым переходам. В природе наиболее эффективным "нагревателем" являются поверхностные водоёмы. Они обеспечивают как быстрый прогрев многолетнемёрзлых пород при своём появлении, так и быстрое возвращение в первоначальное температурное состояние при осушении. В случае формирования несквозного талика под водоёмом формируется двучленное строение температурного поля. Непосредственно под водоёмом породы имеют положительные температуры (талик), ниже залегают растеплённые высокотемпературные мёрзлые породы.
Приведём данные американских исследователей по температурам пород под озером Иллисарвик, расположенного в дельте р. Маккензи. Размер озера 300 х 600 с максимальной глубиной 4,5 метра. Среднегодовая температура мёрзлых пород в районе озера находится в диапазоне -8 - -10 °С. Мощность мерзлоты - 400 - 600м. В глубоководной части озера граница талых пород залегает на глубине около 24 м, ниже залегают мёрзлые породы температура которых понижается и глубине около 90 м достигает -3 °С [21].
Морфология растеплённых зон
Геофизические исследования таликовых зон показали, что под озёрами формируются зоны пониженных скоростей в виде перевёрнутых конусов. Они прослеживаются в глубину на сотни метров, то есть глубоко проникают в толщу многолетнемёрзлых пород. Пониженные скорости связываются авторами с увеличением содержания незамёрзшей воды, возрастанием количества газовых пузырьков, а для засолённых грунтов появлением свободной минерализованной воды (криопэгов) [22]. Очевидно, что все эти изменения характерны для всех многолетнемёрзлых пород, залегающих под поверхностными водоёмами в криолитозоне. При локальном прогреве поверхностным водоёмом в многолетнемерзлых породах начинают происходить объемные тепловые деформации с появлением трещин, возникают дефектные зоны по границам кристаллов, увеличивается содержание незамёрзшей воды, газовые включения, расширяясь, образуют каналы между собой. Прочность мерзлых пород и льдов уменьшается, увеличивается пористость, формируется достаточно развитая система фильтрационных каналов, связывающих между собой поры. Всё это увеличивается газопроницаемость многолетнемёрзлых пород. Локальный нагрев как бы "рыхлит" ранее газонепроницаемую толщу.В зоне растепления формируется «единое фильтрационное пространство», в котором поры и каналы соединены между собой. Данное пространство вложено в массив низкотемпературных газонепроницаемых многолетнемёрзлых пород. Таким образом, ещё до появления источника газа, в толще многолетнемёрзлых пород формируются локальные условия для образования газонасыщенной зоны. Зоны нагрева под водоёмами не только подготавливают мерзлые породы к возможности проникновения в них флюидов, но и обуславливают форму того пространства где возможны эти процессы. То есть канал цилиндрической формы с повышенными температурами мёрзлых пород, так же формируется зоной прогрева ещё до поступления газа.
Формирование зон аномально высокого давления в многолетнемёрзлых породах
Для метана, при температурах в диапазоне 268,15 К (-5 °С) ч 273,15 К (0 °С) равновесное давление в системе газ -- вода (лед) -- гидрат находится в диапазоне 2,2 - 2,6 МПа (рис. 20) [23].
Рис. 20. Линии трехфазного равновесия «метан - вода - гидрат» и «метан - лед - гидрат». Пунктирная линия - метастабильное равновесие «метан - переохлажденная вода - гидрат» [23].
В естественных условиях газ, содержащийся в субаквальных осадках, состоит в основном из метана с примесью диоксида углерода. Поэтому реальное равновесные значения будут отличаться (рис. 21).
Рис. 21. Линии трехфазного равновесия «газ - вода (лед) - гидрат структуры I» для метана, диоксида углерода и их смесей. Состав газовой фазы: I - 100% CH4, II - 75% CH4 + 25% CO2, III - 50% CH4 + 50% CO2, IV - 25% CH4 + 75% CO2, V - 100% CO2. Точки на линиях - четырехфазное равновесие «газ - вода - лед - гидрат» [23]
Из графика видно, что промерзание в замкнутых условиях максимально возможное давление составляет около 2,6 МПа, и оно ограничивается началом процесса гидратообразования [23]. Приведённые данные позволяют оценивать давления, возникающие при диссоциации газогидратов разного состава в случае нарушения равновесных условий.
В современных морях газоназонасыщенные осадки широко распространены. Свободный газ в отложениях верхней части разреза современных морских отложений имеет в основном биогенную природу. По составу это преимущественно (более 95%) метан с примесью СО2 и других газов. Иногда в морских осадках формируются мини-ловушки, которые представляют собой прослои песчаного состава, перекрытые сверху и снизу слабопроницаемыми глинисто-суглинистыми образованиями. В этих зонах скопления газа могут находиться под давлением в диапазоне 0,5-3,0 МПа. При снижении внешнего давления и/или повышении температуры газ, скопившийся в «мини-ловушках» или связанный в газогидратных залежах, расширяется. Это вызывает смятие и выжимание к поверхности вмещающих и вышележащих отложений. При бурении наблюдаются выбросы газо-водяной смеси, насыщенной взвешенными грунтовыми частицами. В большинстве случаев выбросы происходят в диапазоне глубин от 20 до 50 м ниже поверхности дна [24, 25]. При промерзании неконсолидированных засолённых газонасыщенных морских отложений создаются условия для формирования в них скоплений газогидратов. По оценкам Булдовича давление 1,5 МПа и температур ниже -1,4 єС достаточно для образования стабильных углекислых газогидратов [26].
При промерзании морских отложений формируются незамёрзшие линзы минерализованных вод (криопэги) имеющие гидравлический напор (таблица)
Таблица 1. Обобщённые характеристики криопэгов в пределах Харасавэйского и Бованенковского ГКМ [27].
Криопэги преимущественно приурочены к песчаным горизонтам. Но песчаные слои в глинистой толще являются одновременно зоной накопления газов. Таким образом, на небольших глубинах (до 100 м) в промерзающих водонасыщенных осадках формируются зоны, где присутствуют газы (в основном метан и углекислый газ бактериального происхождения) вода и создаются достаточно высокие давления, обеспечивающие формирование газогидратов при эпигенетическом промерзании осадков или в криопэгах. Если учесть, что песчаные горизонты играют значительную роль в формировании внутригрунтовых пластовых залежей подземного льда, то становится понятной парагенетическая связь залежей газогидратов, пластовых льдов и криопэгов, отмечаемая для Ямальского кратера [6]. Приведённые материалы показывают, что обратный процесс - локальный прогрев многолетнемёрзлых пород, может приводить к диссоциации газогидратов и обеспечивает возможность формирования необходимых давлений для образования газовых флюидов, а также пластических деформаций и течения ледогрунтов.
Формирование единого фильтрационного пространства
Область, включающая в себя зону разогрева многолетнемёрзлых пород под поверхностным водоёмом, и зону диссоциации газогидратов формирует область «единого фильтрационного пространства», резко отличающуюся от окружающих низкотемпературныз многолетнемёрзлых пород. Газ появляется и заполняет «единое фильтрационное пространство» в том случае, когда в зоне теплового воздействия оказываются гидратосодержащие многолетнемёрзлые породы и нагрев достигает значений, выводящих их из устойчивого термодинамического состояния. В гидратосодержащих многолетнемёрзлых породах при диссоциации наблюдается увеличение порового пространства, в результате чего ранее практически непроницаемые породы могут становиться проницаемыми. В этом случае начинается диссоциация газогидратов с выделением большого объёма газа и запускаются рассмотренные выше процессы. После начала диссоциации газогидратов формируется непрерывный фильтрационный поток, в котором газовый флюид из области с большим давлением (зона диссоциации), по зоне нагрева фильтруется в область с меньшим давлением (как правило, по направлению к поверхности). Неустановившееся «единое фильтрационное пространство» неоднородно, в различных его частях возникают градиенты давления, обеспечивающие фильтрационный массоперенос в мёрзлой породе. Проникновение газа, находящегося под давлением, в зону высокотемпературных многолетнемёрзлых льдистых пород, вызовет их неравномерную деформацию и выдавливание вверх. Проникая в трещины газовый флюид оказывает силовое воздействие на стенки, что приводит к их расширению [28]. В лабораторных условиях в образцах с высокой гидрато- и льдонасыщенностью в результате диссоциации газопроницаемость возрастает на порядок [29]. Состав газов в Ямальском кратере.