Мы считаем, что основной причиной формирования Ямальского кратера является физический взрыв газа, образовавшегося при диссоциации газогидратов данного горизонта. Между выделением газа и взрывом проходит несколько этапов, со своим набором процессов и геологических образований. Для правильного понимания механизмов образования Ямальского кратера необходимо провести анализ строения слагающих его пород.
Формирование каверн и гротов в зоне разложения газогидратов
В нижней части кратера наблюдается серия каверн и гротов (рис. 4) размером от десятков сантиметров. По мере вытаивания, мелкие каверны сливаются, образуя большие гроты с гладкими стенками размером в несколько метров (рис. 6, 8). По примерным оценкам объём газогидрата метана сформировавшего Ямальский кратер составляет около 12,5 м3 гидрата [15]. Такой незначительный объём вполне соответствует зоне небольших каверн и пустот, наблюдаемых в основании кратера. Аналогичные образования обнаружены в зонах выбросов газа (за счёт разложения газогидратов) в окрестностях острова Беннетта (Новосибирские острова) и в Охотском море. Здесь, в районе газового фонтана, обнаружены характерные формы: провальные воронки, ямы, поддонные ниши и пещеры, образующих систему сообщающихся гротов [13]. Вероятно развитие системы замкнутых и соединённых между собой полостей, является типичным при диссоциации гидратонасыщенных пород.
Рис. 4. Каверны и гроты в зоне разложения газогидратов (июль 2014). Фото В. А. Пушкарева
Течение флюидов газов сквозь мёрзлую толщу
Новым явлением, которое было обнаружено при исследовании воронок связанных с диссоциацией газогидратов, является формирование газовых флюидов, и их миграция сквозь льдистую мёрзлую толщу. На фотографии, сделанной в ноябре 2014 года в нижней части Ямальского кратера (рис. 5) хорошо видны потоки газовых флюидов. Нижние их части совпадают с зоной каверн и гротов и соответствуют зоне залегания газогидратного слоя [29]. Верхние части газовых флюидов контактируют с залегающим выше, газонасыщенным ледогрунтом (рис. 6).
Рис. 5. Флюиды в нижней части Ямальского кратера (фото В.А. Пушкарёва)
Рис. 6. Связь газовых флюидов с ячеистыми образованиями на стенках Ямальского кратера (фото В.А. Пушкарёва)
Формирование штока газонасыщенного ледогрунта
Характерным элементом поверхности вертикальных стенок Ямальского кратера (рис. 3) являются многочисленные круглые ячейки ( рис. 6, 7, 8, 9). Они распределены неравномерно, местами образую изометричные скопления, иногда вытягиваются в вертикально ориентиррованные цепочки. Размер ячеек составляет от 2-3 см до 30-40см. В нижней части воронки они контактируют с зоной газовых флюидов (рис. 6). В верхней части кратера содержание газовых включений в ледогрунте увеличивается, здесь поверхность кратера становится похожей на сжатые соты (рис. 9). Наблюдаемые на стенках воронки ячейки представляют собой отпечатки газовых пузырей содержащихся в мёрзлой породе.
Другим элементом строения вертикальных стенок Ямальского кратера, являются многочисленные пластические и разрывные деформации (рис. 7, 8, 9, 10). По всей протяжённости видны признаки течения льда и ледогрунта.
Ещё одним структурным элементом рассматриваемого образования, является вертикальная ориентировка слоёв ледогрунта [17, 22]. Слой с вертикальной ориентировкой формирует краевые части ледогрунтового тела образуя своеобразную оболочку в виде слоистого стакана. Механизм формирования вертикальной слоистости пока не выяснен. Это может быть результатом деформации изначально горизонтальной слоистой ледогрунтовой толщи [22], или формированием слоистой контактной зоны между движущейся под давлением льдистой породы и окружающего массива мёрзлых пород [25]. В обоих случаях слой с вертикальной слоистостью, в стенках кратера сформирован в результате возникших избыточных давлений и деформаций. Данный слой соответствует границам кратера, он выделялся при исследованиях проводимых в 2014 году, к июлю 2015 года он вытаял и на его месте обнажились породы с субгоризонтальной слоистостью [22].
Рассмотренные материалы позволяют предположить, что над зоной диссоциации газогидратов в льдистой мёрзлой толще, под давлением газовых флюидов сформировался газонасыщенный ледогрунтовый шток цилиндрической формы. В силу неоднородности возникающих давлений здесь происходило интенсивная перестройка первоначального строения, сопровождающаяся пластическими и разрывными деформациями мёрзлого субстрата [25].
Рис. 7. Газонасыщенный лёд над зоной разложения газогидратов июль 2014 (Фото В.И. Богоявленского)
Рис. 8 Газонасыщенный лёд над зоной разложения газогидратов ноябрь 2014 ( Фото В.А. Пушкарёва)
Рис. 9. Верхняя часть газонасышенного ледогрунта Газонасыщенный лёд над зоной разложения газогидратов июль 2014 (Фото В.В. Оленченко)
Пластические деформации кровли мёрзлых пород
Формирование газонасыщенного ледогрунтового штока вызвало выдавливание перекрывающих пород. Поверхностный слой многолетнемерзлых пород, имея низкие отрицательные температуры, является непроницаемым экраном для поступающих снизу газовых флюидов. Вследствие этого, на границе экрана формируется область повышенного давления. Это приводит к пластическим деформациям многолетнемёрзлых пород и формированию бугра пучения на поверхности. На рис 10. показано строение мёрзлых пород верхней части кратера, образовавшегося после взрыва разрушившего многолетний бугор пучения. В центральной части фотографии виден фрагмент газонасыщенного ледогрунтового штока, и облекающей его слоистой мёрзлой породы, слагающей остатки бугра пучения.
Рис. 10. Деформация кровли слоистых суглинков над областью диссоциации газовых гидратов, июль 2015. (Фото В.И. Богоявленского)
Стадия взрыва
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. На стадии развития взрыва, вызываемой резкой декомпрессией, происходит фрагментация (дробление) этого тела, высвобождение потенциальной энергии сжатых газов и выброс продуктов дробления (пирокластики) в атмосферу. Взрывная волна разгрузки, постепенно продвигаясь вглубь массива, слой за слоем разрушает пористый материал. Расширение газа в сторону области низкого давления приведет к выбросу продуктов дробления в атмосферу. При быстром сбросе внешнего давления процесс газоотделения не играет существенной роли. Время релаксации напряжений оказываются значительно больше чем время разрушения. При этом, само разрушение магмы носит хрупкий характер [1].
Аналогичные процессы наблюдаются и при формировании Ямальского кратера. В результате проникновения газовых флюидов, образующихся при диссоциации газогидратов, формируется газонасыщенное ледогрунтовое тело, перекрытое газонепроницаемой деформируемой кровлей. Давление в газовых включениях значительно превосходит атмосферное. Продвигаясь вглубь массива, взрывная волна слой за слоем будет выбрасывать ледогрунтовый материал. Причём чем ниже будет зона разрушения, тем энергичнее будет дробиться материал и дальше выбрасываться обломки. Данный процесс захватит только растеплённые участки мёрзлых пород, находящихся над областью разложения газогидратов. Окружающие многолетнемёрзлые низкотемпературные породы в рассматриваемые процессы включены не будут. Процесс послойного разрушения происходи в течении нескольких секунд. В результате в земле образуется круглая полость глубиной около 60 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.
Стадийность формирования Ямальского кратера
Изучение структуры пород, слагающих Ямальский кратер, позволило выделить последовательность сформировавших его процессов.
I стадия
Формирование озера над многолетнее мёрзлыми породами, содержащими пластовую залежь подземного льда. Под озером формируется чаша протаивания и зона повышенной, по сравнению с окружающими породами, температурой.
II стадия
Зона повышения температуры в многолетнемёрзлых породах достигает слоя газогидратов. Начинается процесс диссоциации газогидратов с выделением газа и переохлаждённой воды. Газововодяные флюиды под воздействием давления начинают мигрировать в наименее прочную область, каковой является зона повышенной температуры под озером и насыщать первичный ледогрунтовый субстрат газом.
III стадия
Разложение метастабильного газового гидрата вызывает рост давления, которое в значительно превышает пластовое. В результате происходит движение флюидов, направленное вверх и сопровождающееся пластическими и разрывными деформациями. В мёрзлой породе, представленной слоистой ледогрунтовой пластовой залежью за счёт насыщения флюидами, постепенно формируется шток, который состоит из слоистого газонасыщенного льда, с многочисленными ячейками различных размеров. Высота образовавшегося штока около 40 м, диаметр около 15 м. Формирующийся ледовогазовый шток выпучивает вышележащий слой. По мере обмеления водоема и начала промерзания талика на нижней границе талика за счёт миграции формируется инфильтрационно-сегрегационные льды. Переход из субаквального состояния в субаэральное понижает температуру верхнего слоя грунта, что увеличивает его прочность. При этом образуется мёрзлый газонепроницаемый экран, деформация которого формирует бугор пучения.
IV стадия После того, как предел прочности кровли будет преодолён, происходит разрыв мёрзлой кровли и резкий сброс давления. Расширение газа в верхнем слое газонасыщенного ледогрунта приводит к взрыву. Механизм взрыва описан выше. В первую очередь будет разрушен сформировавшийся бугор пучения. Его фрагменты в виде концентрического вала расположены непосредственно вблизи кратера (рис. 2, 3). Последовательность смены стадий развития Ямальского кратера приведена на рис 11.
Рис. 11. Стадии развития Ямальского кратера (I, II, III, IV) [25] Обозначения: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 (оформление Д. Волкова)
Факторы, повлиявшие на формирование Ямальского кратера
Климатические изменения
Следует отметить данные по температурам многолетнемёрзлых пород, имеющиеся для Ямала показали недостаточность возмущающих воздействий климатических изменений для возможности разложения газовых гидратов на глубинах, соответствующих глубине воронки (около 60 м). Температуры пород в скважинах геокриологического стационара Марре - Сале ВСЕГИНГЕО показывают, что с 2001 по 20015 практически не изменились и колеблются в диапазоне -5-6°С [12]. На глубинах от 20 до 60м наблюдается интервал безградиентного распределения температур (рис. 15). Вероятно, это связано с тем, что в засолённых грунтах широко распространённых на Ямале фазовые переходы происходят в области более низких температур. Незначительные колебания температурного поля будут сглаживаться фазовыми переходами. Приведённые данные показывают недостаточность возмущающих воздействий климатических изменений для возможности разложения газовых гидратов на глубинах, соответствующих глубине воронки (около 60 м) (рис. 12). Что позволяет усомниться в утверждениях некоторых авторов о ведущей роли резкого повышения летних температур в течении нескольких лет, предшествующих образованию Ямальского кратера [17, 14]. Климатические изменения последних десятилетий могли значительно изменить температуру многолетнемёрзлых пород только в верхнем 10-20 метровом горизонте.
Рис. 12. Температура пород в скважинах геокриологического стационара Марре-Сале ВСЕГИНГЕО [12]
Повышение температуры многолетнемёрзлых пород под воздействием поверхностного водоёма
Поверхностные водоёмы являются наиболее сильным отепляющим фактором в криолитозоне. Поэтому необходимо рассмотреть материалы по формированию температурного поля в многолетнемёрзлых породах под поверхностными водоёмами.
Существуют лишь единичные измерения температурного поля в субаквальных озёрных осадках криолитозоны. Рассмотрим данные по исследованию озера Иллисарвик, расположенного в дельте р. Маккензи. В озере размером 300 х 600 м с максимальной глубиной 4,5 м. Среднегодовая температура мёрзлых пород в районе озера находится в диапазоне - -8 - -10°С. Мощность мерзлоты - 400 - 600м. В глубоководной части озера кровля мёрзлых пород залегает на глубине 20 - 30 м. Температура мёрзлых пород на глубине около 60 м ниже дна озера составляет около - 2°С , а на глубине 90 м около - 3°С [30] (рис. 13).
Рис. 13. Температурный профиль, в субаквальных осадках центральной, глубоководной части озера Иллисарвик (глубина 4,5 м) [30]