1Институт геоэкологии РАН 101000, Россия, г. Москва, Уланский ппроезд, 13, стр. 2
292078, Франция, г. Париж, ул. Place Jean Millier, 2
3Институт геоэкологии Российской академии наук 101000, Россия, г. Москва, Уланский проезд, 13, стр. 2
4Институт прикладной механики Российской академии наук 125 040, Россия, г. Москва, ул. Ленинградский Проспект, 7
Развитие взрывных процессов в криолитозоне в связи с формированием Ямальского кратера
1Хименков Александр Николаевич
кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник
2Станиловская Юлия Викторовна Специалист по мёрзлым породам
3Сергеев Дмитрий Олегович
кандидат геолого-минералогических наук, заведующий
4Власов Александр Николаевич доктор технических наук, Директор
4Волков-Богородский Дмитрий Борисович
кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник
3Мерзляков Владимир Павлович
кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник
3Типенко Геннадий Сергеевич
кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник
Аннотация
взрывной многолетнемерзлый порода газовый
Предметом исследования являются естественные взрывные процессы в криолитозоны. Объектом исследования является Ямальский кратер. Авторами подробно рассматриваются группы естественных взрывных процессов на территории распространения многолетнемерзлых пород. Предложен новый подход в теории формирования воронок газового выброса. Он базируется на механизме миграции газовых флюидов из зоны диссоциации газогидратов в вышележащую толщу многолетнемёрзлых пород. Зона диссоциации формируется на участках локального прогрева за счёт поступления тепла сверху. Показана стадийность процессов подготовки взрывного процесса сформировавшего Ямальский кратер. Проведён расчёт давления выброса мёрзлой кровли при формировании Ямальского кратера. Выделены, и охарактеризованы 4 фазы подготовки естественных взрывных процессов. Рассмотрены различные сценарии подготовки естественных взрывных процессов в криолитозоне. Создание феноменологической модели процессов тепломассопереноса и напряженно-деформированного состояния в мёрзлых породах содержащих газовые гидраты при изменении температуры и давления. Экспериментальное и теоретическое исследование процессов разложения газогидратов Разработка подходов к оценке обеспечения устойчивости природно-технических систем Арктики, включающих мёрзлые породы содержащие газогидраты в условиях меняющегося климата и растущей техногенной нагрузки. Основными выводами проведённого исследования являются:взрывы гидролакколитов и образование воронок газового выброса относятся к одной группе процессов - физическим взрывам естественного происхождения;подготовка взрывных процессов в многолетнемёрзлвх породах, проходит через несколько стадий;при подготовке взрывов естественного происхождения в многолетнемёрзлых породах, большую роль играет миграция газовых флюидов
Ключевые слова: пластические деформации, стадийность, Ямальский кратер, воронка газового выброса, флюиды, диссоциация, газовые гидраты, криолитозона, физический взрыв, зона транзита
Abstract
The subject of this research is the natural explosive processes into cryolithic zones. The object of this research is the Yamal Crater. The authors meticulously examine the groups of the natural explosive processes in the territory of distribution of permafrost. A new approach towards the theory of the crater of gaseous discharge is proposed. It is based on the migration mechanism of gas fluids from the zones of gas hydrates disassociation into the overlying thickness of permafrost. The dissociation zone forms in segments of the local heatup through the heat input from the top. The authors demonstrate the gradualism of processes of preparing the explosive process that formed the Yamal Crater, as well as calculate the pressure of ejection of the frozen layer in emergence of the Yamal Crater. The work provides characteristic to the four phases of preparation of the natural explosive processes, considers various scenarios of such in cryolithic zone, as well as creation of the model of the heat and mass transfer processes alongside tense and distorted situation in permafrost that contain gas hydrated in terms of temperature variation and pressure. The following conclusions were made: the explosions of hydrolaccoliths and emergence of the craters of gaseous discharge belong to the same group of processes - physical explosions of natural origin; preparation of explosive processes in permafrost passes through several stages; in preparing explosions of natural origin in permafrost, a significant role is played by the migration of gas fluids.
Keywords: plastic deformations, staging, Yamal Crater, gas discharge funnel, fluids, dissociation, gas hydrates, permafrost, physical explosion, transit zone
В области распространения многолетнемёрзлых пород (ММП) есть группа процессов известных давно, но не привлекавших к себе особого внимания, поэтому слабо изученных. К ним относятся взрывы гидролакколитов и наледных бугров. В последние годы к ним прибавились сходные по внешним проявлениям образования связанные с газовыми выбросами.
Прежде всего, следует определить, можно ли объединить отмеченные процессы в одну группу. Мы считаем, что их все можно отнести к одной группе физических взрывов. Рассмотрим насколько понятие взрыв применимо к процессам, наблюдаемым в криолитозоне. Согласно ГОСТ Р 22.0.08-96, взрыв -- это «процесс выделения энергии за короткий промежуток времени, связанный с мгновенным физико-химическим изменением состояния вещества, приводящим к возникновению скачка давления или ударной волны, сопровождающейся образованием сжатых газов или паров, способных производить работу» [8].
Взрывные процессы, наблюдаемые в криолитозоне, относятся к физическим взрывам, связанным с возникновением внутреннего давления в полости, заполненной жидкостью или газом, превышающим предельно допустимые значения прочностных характеристик вмещающей среды. Физические взрывы чаще всего связаны с неконтролируемым высвобождением потенциальной энергии сжатых газов из замкнутых объемов [11]. К ним же следует отнести взрывы, формирующиеся при промерзании водного потока, или при всестороннем промерзании воды в замкнутом объеме, а так же взрывы сжатого газа содержащегося в грунтовом массиве вне зависимости от его генезиса. Основной причиной их образования является не химическая реакция, а физический процесс, обусловленный высвобождением внутренний энергии жидкости или газа за короткое время. Физические взрывы не сопровождаются химическими реакциями с выделением энергии, они являются следствием перехода запасенной потенциальной энергии в кинетическую энергию движения газов и жидкостей. После того когда замкнутая полость с содержащимся газообразным или жидким веществом при повышенном давлении разрушается, происходит выброс этого вещества с генерацией волн давления. При этом потенциальная энергия сжатого газа или жидкости переходит в энергию ударной волны.
Подготовка взрывов в естественных условиях сопровождается комплексом сменяющих друг друга процессов и образований. Предлагаемая статья посвящена выявлению общих закономерностей развития естественных взрывных процессов в криолитозоне.
Взрывы гидролакколитов
В геокриологии взрывные процессы в естественных условиях известны давно. Связаны они в большинстве случаев с взрывами гидролакколитов и наледных бугров. Образование и взрывы гидролакколитов обусловлено, как правило, промерзанием несквозных подозерных таликов и возникновением напорных подземных вод. В некоторых случаях такие взрывы наблюдались
и в сезонноталом слое. В 1930-х годах В.И. Андреев [2], проводивший исследования на Ямале, сообщал, что, по рассказам ненцев, в Байдарацкой тундре зимою со стороны бугра раздавался оглушительный треск (взрыв), после чего здесь находили надземную наледь. В связи с этим автор предположил, что подо льдом находится полость, наполненная водой, а, быть может, отчасти и газом, которые во время глубокого растрескивания бугров и выбрасываются на поверхность. О.И. Баженова [3], рассматривая механизмы функционирования озерно-флювиальных систем Южного Забайкалья, приводит данные о взрывах гидролакколитов, сформировавшихся в озерных котловинах. Они имеют овальную форму, высоту 1.5-2.5 м, длину 50-100 м. Взрывы происходят не только зимой и весной, но и летом. Часто взрывы бугров сопровождаются сильным звуком, напоминающим орудийный выстрел, который слышен в радиусе 7-10 км. При этом возникают новые формы рельефа, представленные воронками -- кратерами взрыва. Диаметр воронок изменяется от 1 до 15-25 м, глубина составляет 2-5 м. Во время взрыва из воронок выбрасывается большой объем льда и грунта. В днище пади Арангот 24 мая 1964 г. в 14 ч по местному времени А.Н. Скляревская наблюдала взрыв крупного гидролакколита (размеры 30х50 м при высоте 2.5 м, лед залегал с глубины 0.35 м), который был слышен на расстоянии до 6 км. Во время взрыва из центральной части бугра было выброшено большое количество песчано-дресвяного материала с глыбами льда, размер которых достигал 2х1.5х0.7 м. В результате взрыва образовалась продолговатой формы воронка длиной 15 шириной 2-4 и глубиной около 2 м [4]. Н.С. Богомолов 20 июля 1964 г. наблюдал взрыв гидролакколита в долине р. Урейки (левый приток Акши). Ширина основания бугра 18-20 м, высота 0.8-1 м. Гидролакколит разорвался с грохотом, после которого последовало шумное извержение громадного количества воды в виде столба размером 3х2.5х1.7 м, с дебитом 12 м3/с, продолжавшееся 15 мин [4]. Размеры гидролакколитов изменяются в больших пределах: диаметр основания от 20 до 250 м, а высота -- от 2 до 70 м. Кровля бугров обычно состоит из переслаивающихся льдистых суглинков и супесей мощностью 2-10 м, под которыми залегает ледяное ядро мощностью в несколько десятков метров (до 60 м) [33]. Растущие гидролакколиты подстилаются талыми водоносными горизонтами, или водяными линзами мощностью до 2 м, обладающими гидравлическим напором (рис. 1).
Взрывы наледных бугров
Для Забайкалья имеются наблюдения взрывов наледных бугров. Так, 28 марта 1927 г. произошел взрыв наледного бугра в долине р. Онон, общий объем льдогрунтовой массы, выброшенной взрывом, составил 508 м3. Самая большая глыба льда с прослоями песка, гравия и галечника имела толщину 2 м, ширину 6-9 и длину 18 м [19]. Взрывом родникового бугра пучения вблизи д. Бырца 27 июля 1938 г. лед, песок и галечник были подняты на высоту 8-12 м и отброшены на расстояние 15 м. Фонтан воды высотой 2 м функционировал около 2 ч. В результате взрыва образовалась воронка диаметром 4.5 м и глубиной 4 м [21].
Общее для взрывов гидролакколитов и наледных бугров
Следует отметить, что непосредственно взрыву гидролакколита или наледного бугра предшествует длительный процесс подготовки. Всестороннее промерзание талика в основание гидролакколита или сужение водного потока в основании наледного бугра приволит к возрастанию гидравлического напора. Усиление давления на мёрзлую кровлю приводит к её пластической деформации выражающейся в формировании бугра пучения. После того как предел прочности мёрзлой кровли будет преодолён произойдёт её разрыв, сопровождающийся извержениями фонтанов воды или жидкой грязи в несколько метров высотой и разбросом обломков на десятки метров вокруг. Судя по приведенным Дж. Маккеем данным, давление в водяной линзе (по высоте столба воды) составляет около 2,5 МПа [33]. Несмотря на то, что взрывы гидролакколитов связаны с промерзанием водоносного горизонта, следует отметить, что в данном процессе всегда присутствует газовая составляющая. Это связано с тем, что при льдообразовании всегда выделяется газ, растворенный в воде.
Рис. 1. Сопоставление размеров структурных элементов растущего гидролакколита (пинго) на Севере Аляски [33] и Ямальского кратера [31]
Воронки газового выброса
В 2014 г. на Ямале, в 30 км южнее Бованенковского нефтегазоконденсатного месторождения (НГКМ) была обнаружена круглая воронка (рис. 2), глубиной около 50. Её диаметр в верхней части около 30 м, с глубины 8м, 15м (рис.3). Непосредственно к воронке примыкает концентрический вал из выброшенной породы (рис.13 ). Никаких следов хозяйственной деятельности поблизости не обнаружено. Позже на севере Западной Сибири было обнаружено еще несколько воронок, близких по строению. Большинство исследователей (Богоявленский, М.О. Лейбман, А.И. Кизяков, В.В. Оленченко, М.И. Эпов, И.Н. Ельцов и др.), изучавших данные образования, сходятся во мнении, что их формирование обусловлено выбросом га зов. Источник газа различен, диссоциация гидратосодержащих мерзлых пород [31, 14, 29, 18 и др.], или поступающих с больших глубин из подмерзлотных горизонтов [5, 6]. Это дало основание В.И. Богоявленскому первому выделить данные образования как воронки газового выброса [5]. Хотя это понятие закрепилось и широко используется, оно довольно неопределённо и позволяет широкое толкование. К выбросам, например, относят кратковременные или длительные поступления любых загрязняющих веществ или избыточного тепла из техногенных источников [10]. Морфология воронок и разброс пород вокруг, позволяют отнести процесс их формирования к физическому взрыву. В данной публикации не рассматриваются различные гипотезы происхождения газа, участвующего в образовании воронок. Это отдельная тема. Мы исходим из того, что подготовка физического взрыва в горной породе будь то вулкан, гейзер, газовый выброс в шахте или в многолетнемёрзлых грунтах, однотипна. В силу различных обстоятельств в породе формируется текучая субстанция (вода, газ, газонасыщенная лава), которая под воздействием под воздействием давления перераспределяется и накапливается в определённой зоне. В данной зоне повышается давление, вызывающее пластические деформации во вмещающей породе. После превышения предела прочности происходит физический взрыв (газовый выброс) с образованием специфических форм.
При формировании гидролакколитов и воронок газового выброса наблюдаются схожие процессы и явления. В обоих случаях в мёрзлых породах возникает повышенное давление, приводящее к росту многолетних бугров, и выбросов ледогрунтового материала. Для гидролакколитов зафиксированы значения свыше 2 МПа [33], для воронок газового выброса, наши расчёты (смотри ниже) и расчёты других авторов [6] показали близкие к этому значения. Тем не менее, несмотря на сходство между этими типами криогенных образований существует значительные различия. Рассмотренные выше материалы показывают, что для гидролакколитов горизонтальные размеры связанных с ними таликов на много превосходят вертикальные. Бугры высотой 10-15м и шириной от 30 до 300 м имеют площадь водосбора (талика) до 700 м в поперечнике [32]. В случае воронок газового выброса горизонтальные размеры полости в разы меньше вертикальных. Данные морфологические различия (рис. 1) связаны с различными движущими силами. В случае гидролакколитов это преимущественно вода, перемещающаяся в талой породе. В воронке газового выброса газ, движущийся в мерзлой льдистой породе.
Анализ имеющихся материалов
К настоящему времени наибольший объём информации о строении воронок газового выброса получен при изучении воронки, расположенной в 30 километрах к югу от Бованенковского ГКМ. Морфология данного образования, расширенная коническая верхняя часть и суженная цилиндрическая нижняя часть очень похожа на вулканический кратер. Как будет показано ниже, процессы формирующие воронку так же сходны с вулканическими процессами. Поэтому для рассматриваемого данного объекта мы используем название Ямальский кратер, предложенное новосибирскими исследователями [29].
Рис. 2. Ямальский кратер. Фото В.В. Оленченко, 2014 г. [29]
Форма Ямальского кратера - правильный эллиптический цилиндр, немного расширенный у поверхности (рис. 3). Глубина сезонно талого слоя по периметру равна 0,8 м. Материал, выброшенный из воронки, распределён равномерно во всех направлениях. Наибольшая концентрация обломков была обнаружена по окружности на расстоянии 140 м от центра воронки, а отдельные обломки разлетались на расстояние более 180 м. Разрез кратера сложен практически чистым льдом. В выброшенном материале обнаружены камни - окатанные песчаники, сланцы [29].
Рис. 3. Принципиальная схема строения Ямальского кратера 1 - вода озера на дне кратера [14]
Особенностью геологического строения участка расположения Ямальского кратера является наличие горизонта газогидратов на глубине 60-80 м, выделенного по геофизическим данным [18].