Для севера Западной Сибири, где были обнаружены кратеры газового выброса, данных о температурах субаквальных осадков нет. Отепляющее влияние озера на многолетнемёрзлые породы можно оценить анализируя температуры в скважинах пробуренных на хасыреях - днищах осушившихся озёр (рис. 14). Температуры, замеренные на поверхности хасыреев, на глубине 60-80м находятся в диапазоне: -3 - -2,5°С (рис.14а ) , для III морской террасы и --1,8 - -1,6°С для поймы (рис. 14б) [16]. Температуры многолетнемёрзлых пород вне зоны озёр на глубине 60-80м, находятся для III морской террасы и поймы в диапазоне -5,5 - -5°С [16].
а б
Рис. 14. Температура криогенной толщи под хасыреем на территории Бованенковского ГКМ а) III морская терраса; б) пойма [16]
Расчёты стационарного состояния температурного поля под дном озера радиусом 45 м, проведённые Г.С. Типенко, показали, что на глубине 60-80 м температура пород находится в диапазоне -2 - -2,5°С, что соответствует результатам натурных измерений.
Рис. 15. Стационарное температурное поле под дном озера радиусом 45 м.
Важно выяснить, не только, степень воздействия озёр на температуру грунтов, но и морфологию формирующейся под озером зоны отепления. На трёхмерной диаграмме сейсмического зондирования видно (рис. 16), что под озёрами формируются зоны пониженных скоростей в виде перевёрнутых конусов [34]. Пониженные скорости объясняются тем, что повышение температуры приводит к увеличению количества незамёрзшей воды, газовых пузырьков, а для засолённых грунтов появление свободной минерализованной воды (криопэгов). Интересно, что для небольших озёр иногда конусов не видно, но на срезах, проведённых через 100 м, выделяются округлые пятна. Это является свидетельством того, что даже небольшие озёра оказывают значительное отепляющее воздействие на многолетнемёрзлые породы.
Рис. 16. Трёхмерное распределение областей пониженных скоростей под озерами [34]
Рассмотренные материалы свидетельствуют, что в низкотемпературных мёрзлых породах под озёрами формируются зоны растепления, в которых температуры пород находятся в диапазоне -1 - -3°С. Мощность данных зон может превышать 100м. При повышении температуры в многолетнемёрзлых породах и льдах происходит уменьшение прочности, появление локальных дефектов, связанных с объёмными температурными напряжениями. Повышение температуры под озером изменяет структуру и свойства многолетнемёрзлых пород и льдов, формируя благоприятные условия для проникновения в них газовых флюидов.
Зона растепления, достигает глубины залегания гидратосодержащих мёрзлых пород , вызывая их диссоциацию и формируя область миграции газовых флюидов. При этом, диссоциация газогидратов и миграция флюидов происходит при отрицательной температуре.
Исследования экспедициии МГУ под руководством В.З. Хилимонюк показали [24], что на этой территории наиболее низкие температуры пород находятся в диапазоне от -1°С до -5°С. Наиболее низкие температуры (-4 - -5°С) формируются на водораздельных поверхностях III морской террасы в пределах ландшафтов кустарничково-моховой тундры. А под оз?рами и полосами стока, вследствие отепляющего влияния водных покровов с открытым зеркалом воды наблюдаются наиболее высокие среднегодовые температуры 0 - -1°С. На территории развиты несквозные талики. Георадарное зондирование выявило несквозной талик мощностью 2-3 м, сформировавшийся под дном современного термокарстового озера [24]. Таким образом, поверхностные условия, такие как наличие поверхностных водоёмов, подозёрных таликов благоприятствуют локальному прогреву ММП. Близкое залегание пластовых льдов на склонах, способствует развитию оползней и формированию в их тыловых частях озёр. Наличие пластовых залежей приводит к протаиванию и формированию небольших, но глубоких незамерзающих озёр.
Давление газов
Разложение газового гидрата вызывает рост давления, которое может значительно превышать не только гидростатическое, но и пластовое [7]. При температурах в диапазоне 268, 15 Т К (-5°С) ч 273, 15 Т К (0°С) равновесное давление в системе газ -- вода (лед) -- гидрат находится в диапазоне 2,57 - 2,17 МПа [27]. В области локального прогрева ММП под озёрами температуры многолетнемёрзлых пород находятся в диапазоне -1 - -3°С. При этих температурах, в мёрзлых породах и льдах развивается система дефектов, пор, ослабленных зон, а поровое давление соответствует гидростатическому. На глубине 60-80 м, где выделяется гидратосодержащий слой [18], гидростатическое давление составляет около 0,7 МПа. Из приведённых данных видно, что на этой глубине, в зоне разложения газогидратов, создаются давления, в три раза превышающие гидростатическое. Это обусловит фильтрацию газовых флюидов вверх.
При разложении газогидратов соблюдается определенное равновесие между давлением и температурой. В случае неполного разложения при изменении термобарических условий происходит восстановление температуры или давления до равновесного значения [26]. В опытах Р. Ханта, моделирующих условия разложения газогидратов в керне, показано, что после каждого сброса давления оно возвращалось к значениям, соответствующим пластовому [23]. В случае Ямальского кратера давление, возникающее при диссоциации газогидратов, будет поддерживаться на всем протяжении формирования газонасыщенного льда. В зоне диссоциации давление, вследствие оттока газовых флюидов будет падать, но оно постоянно будет восстанавливаться до тех пор, пока здесь сохраняются термобарические условия или существуют сами газогидраты.
Оценим минимальное давление необходимое для взрыва, обусловившего формирование Ямальского кратера.
Предполагается, что газ под давлением выталкивает тело, составленное из конической и цилиндрической частей (рис. 17). Необходимая величина давления зависит от глубины выброса.
Рис. 17. Схема соотношения конической и цилиндрической частей Ямальского кратера
Конические стенки верхней части кратера несут следы разрыва породы под углом к горизонтали 400- 600, в то время, как почти вертикальные стенки нижней части воронки имеют вид гладкого мёрзлого грунта [6]. Поэтому представим приближенно верхнюю часть выброшенного тела в виде перевёрнутого усеченного конуса, нижний радиус которого равен , а верхний , высота равна .
Отрыв происходит под действием растягивающих напряжений , распределенных по боковой поверхности конуса. Для того, чтобы «сорвать» верхнюю часть выброшенного тела давлением с глубины следует преодолеть вертикальную силу сцепления боковой поверхности с грунтом , силу веса конуса и силу атмосферного давления, распределённого по внешней поверхности площадью . Т. о. критическое давление на глубине равно
, где , . (1)
Сила , , , где - предельно допустимое растягивающее напряжение, .
Зададим величины, входящие в вышеприведенные формулы, равными: , , , , . Тогда , , ,. Критическое давление . Наши данные близки к результатам расчётов В.И. Богоявленского и И.А. Гарагаша, определивших, что для разрушения мёрзлой кровли Ямальского кратера достаточно давления даже в 1,25 МПа [6].
Проведём расчёт давлений, определяющих выброс пород на разных глубинах. При глубине необходимо учесть вес цилиндрического тела и силу среза по боковым вертикальным стенкам . Считая приближенно цилиндрическое тело круговым, примем его радиус , а высоту, равной . В таком случае . Сила , , где - предельно допустимое касательное напряжение на срез. Тогда критическое давление равно
, (2)
где , , и . (3)
Задавая значение , величину , получим .
Зависимость критического давления от глубины представлена в таблице 1 и рис 18.
Таблица 1. Зависимость критического давления от глубины.
|
Глубина, |
8 |
18 |
28 |
38 |
60 |
|
|
Давление, |
1,74 |
3,49 |
5,25 |
7,01 |
10,88 |
Рис. 18. Зависимость критического давления от глубины
Как видно из проведённых расчёта, уже на глубине более 20м давления, создающиеся при разложении газогидратов, в диапазоне названных выше температур, не приведёт к выбросу кровли, тем более на глубине 60м. Рассмотренный выше процесс последовательного послойного разрушения газонасыщенных мерзлых пород позволяет преодолеть это несоответствие.
Сценарии возможного развития взрывных процессов в многолетнемёрзлых грунтах
Рассмотренный пример формирования Ямальского кратера, представляет лишь один из вариантов развития воронок газового выброса.
Различие природных условий, обуславливают различные сценарии подготовки взрывных процессов в многолетнемёрзлых грунтах.
При незначительном и кратковременном повышении температуры, диссоциация газогидратов может быстро остановиться. В результате в многолетнемёрзлых породах будет сформирована зона повышенной пористости за счет небольших газовых полостей.
Если озеро будет достаточно глубоким, а сформировавшийся под ним талик мощным, то высвободившийся при диссоциации газогидратов газ, будет выделяться со дна водоёма. Это наблюдается во многих озерах Ямала [20]. Выделение газа длится от нескольких месяцев до нескольких лет, но без взрыва, поскольку есть возможность свободного его выхода.
Если гидратосодержащие многолетнемёрзлые породы залегают на незначительной глубине (первые десятки метров), то давление газов, возникшее при разложении газогидратов, может вызвать взрыв, минуя стадию миграции флюидов. При этом, бугор пучения предшествующий взрыву, будет слабо выражен и даже отсутствовать.
Стадийность в подготовке взрывных процессов
Несмотря на разнообразие естественных взрывных процессов в криолитозоне, разнообразия сценариев и условий их подготовки можно выделить некоторые общие, присущие для всех черты. Прежде всего обязательно наличие флюида (fluidus -- текучий ). В качестве флюида может выступать любое вещество, поведение которого при деформации может быть описано законами механики жидкостей. В геологических процессах флюидами могут выступать газы, водные растворы, нефть, илы, магма, и даже "твёрдые" вещества [8]. В нашем случае мы рассматриваем в роли флюидов воду, газ и их сочетание.
Анализ материалов по строению гидролакколитов, наледных бугров пучения, воронок газового выброса позволил выработать общую схему развития взрывных процессов в криолитозоне (рис. 19) .
Рис. 19. Общая структура взрывных образований в ММП 1 - зона формирования флюидов; 2 - зона транзита флюидов; 3 - зона накопления флюидов; 4 - зона пластических деформаций
Разнообразие условий реализации взрывных процессов выражается в многообразии сценариев их развития.
Первой фазой подготовки взрывного процесса является формирование области возникновения флюида. Для деятельного слоя, это непромёрзшая зона. Флюиды также формируются на участках многолетнемёрзлых пород подвергшихся протаиванию. При промерзании таких участков водонасыщенные талые породы оказываются в замкнутом состоянии при постоянно увеличивающемся давлении. Для массива гидратосодержащих мёрзлых пород это области повышения температуры, где возможна диссоциация газогидратов. Для области распространения криопэгов это зоны, где возникает дополнительное давление (возможно при понижении температуры и частичном промерзании криопэга), обуславливающее их миграцию и перераспределение в многолетнемёрзлых породах. Как, уже отмечалось выше, существует предположение, что взрывные процессы в криолитозоне могут происходить за счёт проникновения подмерзлотных газовых флюидов. Хотя таких выходов, в местах воронок газового выброса, не обнаружено, следует рассмотреть возможность и условия их развития. В начальной фазе на границе мёрзлых и талых пород должно сформироваться зона повышенного давления газа или повышение температуры.
Вторая фаза связана с перераспределением флюида в область меньшего давления. При этом формируется зона транзита. Для промерзающих талых пород поток грунтовых вод, направлен в сторону растущих бугров пучения(сезонных или многолетних). Для области распространения криопэгов зона транзита обеспечивает отжимание засолённых вод в области с меньшим давлением. Для гидратосодержащих пород, это участки высокотемпературных многолетнемёрзлых пород в качестве флюида выступает выделившийся при диссоциации газогидратов газ, возможно, какую-то роль играет переохлаждённая вода. Участки проникновения флюдов, из под слоя многолетнемёрзлых пород, приурочены к зонам повышенных тепловых потоков.
Третья фаза связана с формированием зоны накопления флюида. Чаще всего эта зона локализуется на небольшой глубине, под кровлей низкотемпературных или льдонасыщенных многолетнемёрзлых пород. Данный слой является экраном, препятствующим выход флюида на поверхность. Линзы воды прослеживаются в основании бугров пучения. Наиболее благоприятными зонами для накопления газа являются льдистые и низкотемпературные мёрзлые породы.
Четвертая фаза связана с возникновение пластических деформаций газо- и водонепроницаемой кровли, при повышении давления в области накопления флюида. Внешне области пластических деформаций проявляются в виде бугров пучения. После того как давление преодолеет прочность кровли происходит взрыв.
Выделенные фазы отражают общую последовательность событий, подготовки естественных взрывных процессов, но не пространственное расположение зон, соответствующих разным фазам. Например, при промерзании внутригрунтового водного потока 1, 2 и 3 фазы располагаются в пределах одной зоны. При промерзании талика 1 и 2 фазы расположены в одних границах. При быстром нарастании давления 4 фаза может быть слабовыраженной.
Возникает вопрос, как соотносятся наши взгляды о роли флюидов в естественных взрывных процессах в криолитозоне с представлением о инъекционном механизмом льдообразования? Согласно П. А. Шумскому, инъекционные льды формируются при промерзании воды или водонасыщенного грунта внедрившегося под напором в горную породу [Шумский, 1955]. То есть, инъекционное льдообразование включает в себя только один механизм напорных процессов, реализующийся в том случае, когда давление в водоносном горизонте превышает предел прочности породы и происходит её гидроразрыв. Это лишь один процесс, завершающий серию процессов обеспечивающих напорную миграцию грунтовых вод. При этом газовая составляющая и её перераспределение, механизмом инъекционного льдообразования не рассматриваются.