С самого начала исследований, было установлено повышенное содержание метана в озере, образовавшемся в кратере [3]. Изотопный состав метана в воде озера приуроченного к кратеру свидетельствует о его бактериальном происхождении [30]. По данным М.О. Лейбман, И.Д.Стрелецкой и др., [30, 6] в отложениях слагающих его стенки также отмечается высокое содержание метана. В последующие 3 года наблюдений содержание метана в воде остается высоким, намного превышающим показатели окружающих озёр [30]. Изучение содержания метана в различных геолого-генетических типах мерзлых четвертичных отложений Западного Ямала (где располагается Ямальский кратер) показало, что наибольшее содержание метана характерно для глинистых глубоководных поздненеплейстоценовых отложений морского генезиса (до 6,7 мл/кг) и в пластовых льдах (до 10, 2 мл/кг) [31]. В верхнем 6 - 8 метровом слое пород Ямальского кратера наблюдается повышенное содержание углекислого газа [25, 32]. Можно предположить, что наличие этого горизонта связано с формированием подозёрного талика, впоследствии промёрзшего.
Феноменологическая модель формирования Ямальского кратера
Рассмотренные выше материалы позволили авторам сформулировать общее представление об истории развития Ямальского кратера. Данное образование является конечным этапом саморазвития флюидодинамической геосистемы, сформировавшейся при совместном действии процессов напорной фильтрации газа и пластического течении ледогрунта [8, 9, 33]. Приведём основные положения предлагаемой концепции.
1. Исходной точкой, вызвавшей все последующие события, является локальный прогрев толщи многолетнемёрзлых пород. Под поверхностным водоёмом формируется талик и зона растепления мёрзлых пород с более высокими отрицательными температурами, чем в окружающих многолетнемёрзлых породах. Под действие локального нагрева под поверхностным водоёмом в мерзлых породах, происходит повышение температуры в пределах отрицательных значений. В области локального прогрева ММП под озёрами температуры многолетнемёрзлых пород находятся в диапазоне -1 - -3 °С.
2. После того, как температуры в слое газогидратов залегающих на глубине 60-80 м [5], превысят значения, обеспечивающие их устойчивое состояние, начинается процесс диссоциации с выделением метана. с начальным давлением 2,2 - 2,6 МПа [23]. Изучение в лабораторных условиях разложения газогидрата при повышении температуры показало что в мерзлых засоленных глинистых грунтах массовое разложение метастабильных гидратов может происходить даже при незначительных повышениях температуры (-6,75 до - -6,57 оС т.е. всего на 0,04 оС) [34].
3. Газ, находящийся под давлением, начинает фильтроваться в наименее прочные мёрзлые породы высокотемпературной зоны, одновременно деформируя. Между фильтрацией газов и пластическими деформациями устанавливается парагенетическая связь, обуславливающая саморазвитие геосистемы. Газ под давлением проникает в мёрзлую породу, что значительно ослабляет её прочность и вызывает пластическим деформациям льда. Появившиеся трещины и дислокации ускоряют фильтрацию газа. Отвод газа (за счет фильтрации) стимулирует процесс диссоциации газогидратов и выравнивает давления газа до прежнего уровня. Данный процесс поддерживает высокое давление в фильтрующихся газовых пузырьках. Постепенно, в области единого фильтрационного пространства формируется ледогрунтовый газонасыщенный шток пронизывающий массив многолетнемёрзлых пород. По всей высоте штока давление в пузырьках газа будет соответствовать значения, наблюдающимся в зоне диссоциации. Высокое давление в массиве многолетнемёрзлых пород с одновременным давлением снизу приведёт к движению ледогрунтового штока. При этом, как в штоке, так и в контактирующих слоях вмещающих пород формируются зона кольцевых трещин, ориентированных параллельно потоку. Данная зона является дополнительным каналом поступления газа в верхние горизонты.
4. При общей вертикально ориентированной слоистости в строении стенок кратера наблюдается повсеместное присутствие различного рода деформаций, свидетельствующих о неоднородных и разнонаправленных локальных процессах, формирующих структуры выдавливания, течения, внедрения и др. (рис. 4, 5, 7, 10, 11). П.А. Шумский такое строение связывает с «течением выдавливания во льду», возникающим под влиянием ориентированного давления с возможностью бокового расширения. «… оно сопровождается интенсивным складкообразованием с возникновением макрофлюидального полосатого сложения, заметного обычно только по расположению прослоек минеральных включений или воздушных пузырьков» [35, с. 367] Данная особенность строения стенок кратера связана с общей спецификой вязкопластического течения льда, при котором периодически накапливаются напряжения, превышающие его упругость, в результате возникают локальные срывы, вдоль которых отдельные слойки льда проскальзывают по соседним. Такие послойно-дифференцированные пластические течения местами сопровождаются скачкообразным изменением скорости движения. [36]
5. Широкое распространение вогнутых округлых углублений, формирующих вертикально ориентированные цепочки (рис.11) или большие изометричные скопления (ячеистий лёд) (рис. 10 а, 11), связаны со спецификой деформации газовых включений в мерзлых грунтах при ориентированном давлении. В этом случае наблюдается сплющивание воздушных пузырьков, которые приобретают форму дисков, ориентированных перпендикулярно направлению давления [35]. В движущемся льде происходит миграция и слияние отдельных газовых пузырьков. [17]. Зона повышенного давления, формирующаяся в движущемся ледогрунтовом газонасыщенном штоке, формирует слоистую кольцевую структуру, являющуюся каналом проникновения газа. Сплющенные пузырьки газа мигрируют по слоям вверх, объединяются и в итоге формируют наблюдаемое в стенках кратера распределение форм следов газовых ячеек.
6. Движение газонасыщенной ледогрунтовой массы вверх приводит к пластическим деформациям верхнего слоя талых пород, его выпучиванию и промерзанию. В результате формируется низкотемпературный газонепроницаемый, прочный 6-8 метровый слой перекрывающий растущий бугор пучения.
7. После того, как пластические деформации мерзлой кровли достигнут определённого предела, происходит её разрыв и снятие давления (декомпрессия) в верхней части штока. Давление в газовых включениях насыщающих ледогрунт значительно превосходит атмосферное, но недостаточно, для того чтобы выбросить ледогрунтовый материал за пределы кратера с глубины 60 м [9]. Поэтому взрывной процесс начинается с верхней части штока, и последовательно, но быстро, слой за слоем проникает вниз. Окружающие многолетнемёрзлые низкотемпературные породы, не подвергшиеся растеплению, и обладающие большей прочностью, в данный процесс, включены не будут.
9. В ходе формирование Ямальского кратера наблюдается серия сменяющих друг друга стадий (рис. 22), каждая из которых отличается индивидуальным набором парагенетических процессов и присущих им образований. Особенности развития геосистемы на каждой из стадий, подготавливает и во многом определяет её эволюционирование на следующей.
I стадия Появление озера над многолетнее мёрзлыми породами, содержащими пластовую залежь подземного льда. Под озером формируется талик мощностью около 6-8 м [7]. Ниже располагаются льдистые породы и пластовая залежь подземного льда. Температура многолетнемёрзлых пород, залегающих под поверхностным водоёмом и таликом находится в диапазоне -1 - -3 єС, что выше, чем в окружающих толщах, В растеплённой зоне увеличивается газопроницаемость, уменьшаются прочностные характеристики, увеличивается пористость, появляются многочисленные дефекты сплошности. Поровое давление здесь соответствует гидростатическому.
II стадия Зона растепления в многолетнемёрзлых породах достигает слоя газогидратов, залегающий на глубине свыше 60 м (поровое давление около 0,7 МПа). При нагревании газогидратов начинает развиваться процесс их диссоциации сопровождающегося выделением газа (метана), находящегося под давлением около 2 - 3 МПа. В этих условиях выделившийся газ, находящийся под таким давлением, не может выбросить перекрывающую толщу мёрзлых пород, но может фильтроваться сквозь неё.
Газовые флюиды в виде отдельных струй газа начинают проникать в наименее прочную область, каковой является зона высокотемпературных многолетнемёрзлых пород (пластовых льдов). Отжатие газа из зоны диссоциации приводит к понижению давление в ней с последующим восстановлением за счёт продолжающегося разложения газогидатов.
III стадия В результате воздействия газа, находящегося под давлением в зоне высокотемпературных многолетнемёрзлых пород (пластового льда) реализуется два парагенетически связанных процесса: фильтрация газа, и вязкопластическое течение льда и ледогрунта. Общее направление движение газа и льда ориентировано вверх. Неравномерные напряжения вызывают локальные изменения направлений фильтрации газа, а также пластических и разрывных деформаций во льду. Это определяет наличие преобладающей вертикальной слоистости и локальных разнонаправленных дислокаций. В результате фильтрации газа и течения льда в мёрзлой породе, формируется шток, состоящий из слоистого сильно деформированного газонасыщенного льда. Давление в газовых включениях пронизывающих шток соответствует давлению, развиваемому в зоне диссоциации газогидратов. Высота образовавшегося штока около 50 м, диаметр около 15 м. Формирующийся ледовогазовый шток выпучивает вышележащий талый слой грунта, который по мере обмеления водоема промерзает и формирует слой низкотемпературной газонепроницаемой кровли. В дальнейшем, над газонасыщенным ледяным штоком образуется бугор пучения.
IV стадия После того, как предел прочности мёрзлой кровли будет преодолён, происходит её разрыв и резкий сброс давления. Расширение газа в газонасыщенном дислоцированном штоке, приводит к послойному выбросу ледогрунтового материала (механизм описан выше).
Последовательность смены стадий развития Ямальского кратера приведена на рис 22.
Рис. 22. Стадии развития Ямальского кратера (I, II, III, IV)
1 -- покровный горизонт; 2 -- слой льда между талыми и мёрзлыми породами; 3 -- мерзлый газонасыщенный ледогрунт со следами пластических деформаций; 4 --инфильтрационно-сегрегационный лёд; 5 -- газонепроницаемая кровля ММП; 6 -- зона повышения температуры в ММП под озером; 7 -- ММП вне отепляющего воздействия озера; 8 -- слой гидратосодержащих ММП; 9 -- зона разуплотнения в слое гидратосодержащих ММП, примыкающая к кратеру; 10 -- направление движения флюидов; 11 -- газовые флюиды; 12 -- гроты и каверны в нижней части кратера; 13 -- озеро; 14 -- кратер, сформировавшийся после выброса газонасыщенного ледогрунта; 15 -- талик; 16 - субвертикальная слоистость в мёрзлой породе и льде. (оформление Д. Волкова)
Заключение
Ямальский кратер, является примером полного законченного жизненного цикла саморазвития геосистемы, представляющей из себя локальную, газонасыщенную зону многолетнемёрзлых пород. Прослежены все стадии её развития, от подготовки условий, выражающихся в повышении температуры многолетнемёрзлых пород под поверхностным водоёмом и нарушения термодинамического равновесия в зоне залегания газогдратов, до конечного разрушения и выброса пород при взрыве. Выделены границы геосистемы, рассмотрены её морфология, строение, процессы, обуславливающие её развитие.
Рассмотренная феноменологическая модель формирования Ямальского кратера является лишь частным случаем, отражающим конкретные условия развития воронок газового выброса. Газ, содержащийся в многолетнемёрзлых породах может отличаться по генезису: подмерзлотные глубинные катагенетические газы, биохимические газы, образующиеся в результате жизнедеятельности в талых и мёрзлых породах, газы образующие при диссоциации газогидратов и др.). Различаются причины, обуславливающие развитие аномально высоких давлений газа, такие как: климатический разогрев многолетнемёрзлых пород; промерзание замкнутых таликов, локальный прогрев многолетнемёрзлых пород под поверхностными водоёмами; движение под напором глубинных газовых флюидов и др. Разнообразные геологические условия (состав, строение, условия и глубина залегания и др.) обусловливают строение формирующихся геосистем, динамику, стадии и жизненный цикл их развития.
В каждом отдельном случае следует рассматривать отдельный сценарий развития геосистемы приводящей к формированию (или не приводящей) воронки газового выброса. Для примера рассмотрим несколько сценариев, связанных с разложением газовых гидратов. Один и тот же процесс в различных природных условиях приведёт к различным результатам.
При незначительном и кратковременном повышении температуры, диссоциация газогидратов может быстро закончиться в результате самоконсервации. В результате в ММП может сформироваться зона повышенной пористости за счёт небольших газовых полостей.
При достаточной глубине и ширине озера газ выделившийся при диссоциации может не накапливаться в ММП а выделяться из подозёрного талика. Это наблюдается на многих озёрах Ямала [37]. Выделение газа наблюдается от нескольких месяцев до нескольких лет, но без взрыва, поскольку есть возможность свободного выхода газа.
Если скорость нарастания давления небольшая и кровля успевает деформироваться, то формируются бугры пучения, выраженные в рельефе. При быстром возрастании давления область пластических деформаций может быть слабо выраженной;
Рост давления при диссоциации газовых гидратов может возрастать быстро. После того как давление в полости превысит прочность кровли происходит выброс, особенно если газогидратный слой залегает на небольшой глубине (20-30 м). При этом возможны различные варианты: от небольшого взрыва без образования бугра пучения до образования большого многолетнего бугра, предшествующего пневматическому выбросу мерзлой кровли. Наличие бугров пучения определяется скоростью происходящих внутригрунтовых процессов. Если давление будет возрастать достаточно быстро, то бугра может и не быть. В конечной фазе миграции сквозь многолетнемёрзлые породы газ или высачивается в атмосферу, преимущественно через таликовые зоны и поверхностные водоёмы или накапливается под приповерхностными низкотемпературными газонепроницаемыми мёрзлыми породами. Во втором случае повышение давление выше предела прочности пород вызывает взрыв сжатого газа. Разброс обломков породы достигает десятки, а иногда и сотни метров. Если взрыв сжатого газа сопровождается его возгоранием (а такие случаи отмечены), то сила взрыва многократно усиливается.