Результаты рекогносцировочного обследования необычного природного образования «воронка газового выброса» на Центральном Ямале

М.О.Лейбман (Институт криосферы Земли СО РАН и Тюменский государственный нефтегазовый университет, Тюмень)

А.И.Кизяков (Географический ф-т МГУ, Москва)

В.В.Оленченко (Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А.Трофимука СО РАН, Новосибирск)

В.А.Пушкарев (НП «Российский Центр освоения Арктики», Салехард)

Введение

Статья посвящена новому мерзлотному явлению, обнаруженному в тундре Центрального Ямала и названному воронкой газового выброса¹. Однако, рассмотрение основной темы мы начнем издалека, с общих вопросов динамики тундровых ландшафтов, связанной с существованием криолитозоны («зоны вечной мерзлоты») и её реакцией на колебания климата.

Тундровые ландшафты считаются крайне ранимыми, чувствительными к любым нарушениям, как техногенным, так и природным, и медленно восстанавливающимися. Давайте разберемся, как обстоят дела в реальности на примере Центрального Ямала.

Несмотря на кажущуюся однородность тундры, которая представляется сторонним наблюдателям сочетанием болот и кустарников, с основным признаком – отсутствием леса, тундровые ландшафты весьма неоднородны. И особенно это характерно как раз для Центрального Ямала, отличающегося расчлененным рельефом, разнообразным составом пород и их криогенным строением (формами включений льда в мерзлую породу). Неоднородность внутреннего геологического и криогенного (мерзлотного) строения приводит к неоднородностипочвенного и растительного покровов. А активно развивающиеся в естественных и техногенно-нарушенных условиях криогенные процессы существенно изменяют облик этих ландшафтов во времени. Однако, для разных ландшафтов это происходит в разной степени и даже в разном направлении, в том числе, в том, которое может восприниматься как положительное. Но тогда оценка ландшафтов как ранимых, имеющая заведомо негативный смысл, должна быть заменена на быстро или сильно меняющийся с уточнением – в каком направлении.

Перейдем к примерам. На Центральном Ямале близко и не очень близко к поверхности залегают подземные льды большой мощности (от нескольких до 2-3 десятков метров) и протяженности (от сотен метров до километров), так называемые пластовые льды. Также весьма распространены сильнольдистые горные породы, до 80% объема которых составляет лед. Именно высокое содержание льда близко к поверхности вызывает наибольшие риски в условиях климатического потепления. Его таяние приводит к образованию отрицательных форм рельефа, то есть, к коренному изменению ландшафта и в части слагающих его пород, и в части увлажнения, и в части смены растительных ассоциаций, не говоря уже о смене мерзлотных условий: льдистости, температуры пород и глубины сезонного протаивания.

Если рассматривать только ведущий признак современных факторов, приводящих к изменению тундрового мерзлотного ландшафта, а именно повышение температуры воздуха, то необходимо учесть следующее. Повышение температуры многолетнемерзлых пород, переход которой через 0^оС означает деградацию мерзлоты, отстает от повышения температуры воздуха. Это отставание определяется отсутствием однозначной линейной зависимости между этими параметрами. Снижение толщины снежного покрова и утолщение почвенного и напочвенного растительного покровов снижает температуру пород в отдельные годы, а в целом сокращает воздействие потепления климата.

Возможно, еще более важна зависимость глубины сезонного протаивания от динамики климата. Ведь именно увеличение этого параметра приводит к началу вытаивания подземного льда и формирования принципиально новых ландшафтов. Этот параметр характеризуется еще меньшей корреляцией с климатическими параметрами. Основное влияние на этот параметр оказывает летняя температура воздуха, в то время, как говоря о потеплении климата, учитывают изменение и зимних температур, повышение которых зачастую более значительно, чем повышение летних.. И что более важно, утолщение органогенного горизонта (мха, торфа, почвы), вызванное потеплением², снижает глубину сезонного протаивания, поскольку увеличивает слой теплоизоляции, снижая поступление тепла вглубь пород.

Вышесказанное не умаляет значения криогенных процессов в формировании новых тундровых мерзлотных ландшафтов, но лишь показывает их реальную роль и потенциальную опасность. Почему всё же процессы происходят и даже усиливаются в последние годы? Это можно объяснить тем, что на фоне общего повышения температуры пород и малой изменчивости глубины протаивания случаются годы экстремального повышения температуры воздуха, при котором уже наблюдаются и более значительное повышение температуры пород, и углубление сезонного протаивания выше средних значений. Ведь нарастание бронирующего мерзлоту растительного покрова длится годами и десятилетиями, а экстремумы наблюдаются раз в несколько лет и именно они «находят» слабые места на поверхности, где ландшафты на самом деле наиболее чувствительны к изменениям.

Криогенные процессы, связанные с потеплением: термокарст и термоденудация

Термокарст и термоденудация – процессы, связанные с вытаиванием подземного льда. Термокарст протекает в бессточных условиях, сопряжен с накоплением воды, образовавшейся при протаивании мерзлых пород и льда и образованием озера. Термоденудация протекает на склонах и излишек образовавшейся воды вместе с переувлажненными протаявшими породами стекает вниз по склону, образуя в результате полузамкнутые вогнутые склоны, именуемые термоцирками, а также потоки разжиженных пород – криогенные оползни течения. Для обоих процессов необходимо, чтобы лед или сильнольдистые породы оказались в зоне протаивания, причем для начала термокарста необходимо, чтобы происходило многолетнее протаивание, то есть, средняя годовая температура пород перешла через 0^оС. На Центральном Ямале этот процесс имеет ограниченное распространение в естественных условиях, поскольку тренд потепления наложен на низкие температуры пород, характерные для этой территории. Другое дело – термоденудация. Этот процесс сопряжен с постоянным удалением протаявшего материала и потому выходом мерзлых пород и льда на поверхность. Поэтому для продолжающейся термоденудации достаточно сезонного увеличения глубины сезонного протаивания до значений, при которых неглубоко залегающие сильнольдистые породы или лед окажутся в зоне протаивания.

Итак, какие климатические процессы позволяют нам правильно оценить причины активизации криогенных процессов, связанных с вытаиванием подземного льда в последние годы на Центральном Ямале. Помимо многолетнего повышения температуры пород, которое по данным метеостанции Марре-Сале составило 2,3^оC за последние 14 лет, наблюдался и резкий экстремум повышения температуры в 2012 году. Именно в этом году активизировались процессы термоденудации и образовался ряд термоцирков, более характерных для морского побережья. В глубине суши эти процессы проявлялись до 2012 г. крайне ограниченно. Экстремальное повышение температуры воздуха и глубины сезонного протаивания запустило процесс термоденудации на Центральном Ямале, в связи с сильно расчлененным рельефом и преобладанием по площади склонов именно этот процесс явился наиболее ярким откликом тундровых ландшафтов на потепление.

Еще одно явление возникло как реакция на потепление климата и произошедшего с запозданием во времени повышения температуры пород. Это так называемая Ямальская воронка, а также другие воронки, обнаруженные примерно в то же время в разных районах севера Западной Сибири.

Обнаружение и первые результаты изучения Ямальской воронки

Осенью 2013 г. новое явление – так называемая «воронка газового выброса» появилась на Центральном Ямале. Это новый, ранее не наблюдавшийся процесс, который можно рассматривать как реакцию криолитозоны на изменение теплового состояния, приводящее к процессу высвобождения заключенного в верхних горизонтах мерзлоты газа, возможно, в форме реликтовых газогидратов, через участки развития специфических форм криогенного рельефа, таких как гидролакколиты (в Якутии известные как булгунняхи, на Аляске именуемые пинго), бугры, образованные при промерзании подозерных таликов, содержащие ледяное ядро.

Исследованная воронка расположена между побережьем Карского моря и долиной реки Морды-Яха, к югу от Бованенковского газоконденсатного месторождения. Она расположена в биоклиматической зоне тундры, подзоне типичных тундр, в 17 км к западу от долины р.Морды-Яха. Равнинная территория расчленена озерами и ручьями, невысокие холмы окружены пологими склонами, поросшими кустарником ивы высотой до 1,5 м. Район воронки относится к зоне сплошного распространения многолетнемерзлых пород («вечной мерзлоты») со средней годовой температурой пород до -7°С и глубиной сезонного протаивания до 1 м. В геологическом разрезе представлены дисперсные породы от супесей до глин, а также торф, в мерзлом состоянии, содержащие значительное количество льда, в том числе, мономинеральные прослои толщиной от нескольких до более 20 м.

Для изучения воронки были организованы рекогносцировочные исследования, в основном, при поддержке губернатора и правительства ЯНАО.

История изучения воронки на настоящий момент такова.

• 16 июля – первая рекогносцировка (несколько часов), в составе экспедиции 5 человек: журналистка, оператор, спасатель МЧС, археолог и мерзлотовед. Из оборудования только бытовые приборы – GPS-навигатор, газоанализатор, радиометр, рулетка, веревка и фото-видеооборудование. Осуществлено примерное измерение размеров. Определено повышенное содержание метана и нормальный радиационный фон³.

• 25 августа – вторая рекогносцировка (несколько часов), в составе экспедиции альпинисты, журналисты, МЧС, оператор беспилотника, несколько специалистов. Проведены более точные измерения размеров. Определено, что уменьшилась глубина формы, на дне накопилась вода, сформировалось довольно глубокое озеро. Увеличился диаметр воронки за счет интенсивного протаивания пород стенок⁴.

• Начало октября (несколько дней) – геофизические исследования силами специалистов Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН. Установлено распределение геофизических полей, интерпретация которых позволяет судить о конфигурации пород вокруг воронки, о свойствах её дна, толщине воды и прослоев льда⁵.

• 8-9 ноября – исследование внутри воронки с применением альпинистского оборудования. Удалось забраться внутрь благодаря тому, что стенки замерзли, прекратилось таяние и обваливание верхнего козырька. Были проведены детальные измерения, геофизические исследования, проведен отбор образцов, которые в настоящее время находятся на исследовании в лаборатории⁶.

Результаты обследований можно представить следующим образом. Ямальская воронка на начало исследований представляла собой кратер, глубина которого намного больше диаметра, с почти вертикальными стенками. В стенках обнажались мерзлые породы с прослоями льда. Верхняя часть разреза представлена сильнольдистыми мерзлыми породами и льдом. Нижнюю часть разреза, которая была видна только во время первой рекогносцировки, удалось увидеть только с помощью видео- и фотосъемки. Там преобладали глины со значительными включениями льда.

Воронка в диаметре не превышала 30 м в верхней части и 25 м в основном стволе. Кратер окружен «бруствером», то есть является результатом выброса из недр на поверхность. Таким образом, она не является результатом термокарста (то есть, проседания). Поскольку на дне воронки скапливается вода, можно предположить, что она не имеет выхода в глубинные слои и предположение, что её источником является выброс газа с больших глубин маловероятно. Следов деятельности человека в окрестностях кратера найдено не было, соответственно, этот феномен чисто природного происхождения. Отсутствие повышенного радиационного фона и следов воздействия высокой температуры не позволяет предположить влияние внеземных объектов, типа метеорита, а также взрыва газа.

Бруствер представляет собой неравномерно наваленные холмики породы, состоящей из глины, суглинка, супеси и торфа с включениями обломков и следами ожелезнения по трещинам – следам вытаивания прослоев (шлиров) льда.

Верхняя наклонная часть воронки сложена высокольдистой толщей, представленной субвертикально ориентированными прослоями льда и суглинка. Ниже перегиба, в вертикальных и местами нависающих стенках цилиндрической нижней части вскрывается залежь льда с редкими вертикально ориентированными, облекающими стенки воронки прослоями минеральных включений алевритового состава.

На стенках в июле наблюдались сколы и проломы, которые к августу загладились при оттаивании стенок и обвале пород козырька, нависающего над воронкой. Стенки имеют неоднородное строение с «гротом» в нижней части. Хорошо видна зона ячеистого строения, отделенная от остальной части разреза трещиной со смещением и глинкой трения.

Обобщением данных измерений воронки за разные даты составлен сводный разрез динамики воронки. Верхняя часть, непосредственно освещенная солнцем, отступает с большей скоростью, при этом увеличивается наклон верхней части. Ниже уступа отступание стенок замедленно, поскольку нижняя часть большую часть времени находится в тени и при застаивании холодного воздуха. Основное отступание стенок определяется размывом потоков воды верхней части. Дно довольно быстро заполняется водой. По наблюдениям в ноябре 2014 г. воронка была частично заполнена снегом. Опыт зимних работ на Центральном Ямале показывает, что за зимний период 2014-2015 гг. воронка может полностью заполниться снегом за счет метелевого переноса. Отрыв и падение блоков пород с бровки воронки, таяние мерзлых пород и накопление летних и зимних атмосферных осадков приведет к быстрому (в течение 1,5-2 лет) заполнению воронки и превращению её в озеро. Вероятно, часть ямальских озер небольшого размера, правильной округлой формы и значительной глубины имеет аналогичное происхождение, относящееся к прошлым теплым периодам.

Применение дистанционных методов изучения Ямальской воронки и полученные результаты

Важный вопрос — когда возникла воронка. Дату возникновения воронки можно определить с помощью анализа космических снимков за разные даты. Полевые наблюдения июля 2014 г. позволили предположить, что воронка образовалась не ранее осени 2013 года. Это следовало из характера растительности в зоне выброса (свежие листья ивы пробивались через комья супеси, покрывавшей ветви), состояния пород бруствера (остроугольные «обломки» суглинка и глины не были размыты дождями) и состояния стенок воронки (были заметны заколы и трещины, еще не сглаженные потоками, козырек из дернины вокруг воронки в значительной степени сохранился и нависал над отверстием). Это дало основание сузить диапазон дат для отслеживания времени образования воронки до осенне-зимнего периода 2013-2014 гг. На космических снимках до 09.10.2013 на месте нынешней воронки находился бугор. Первый доступный снимок, на котором появляется отверстие на месте бугра, получен 1 ноября 2013 г. Таким образом, по результатам анализа космических снимков установлено, что воронка образовалась в интервале с 09.10.2013 по 01.11.2013.

Применение геофизических методов исследования и полученные результаты

Экспедиция Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН (Новосибирск) при участии ООО «Газпром ВНИИГАЗ» состоявшаяся в сентябре 2014 г., провела комплексные геолого-геофизические и геохимические исследования на Ямальской воронке. Прямые инструментальные измерения в сентябре показали, что больший диаметр воронки составляет около 40 м, малый – 28 м, глубина до поверхности воды донного озера около 25 м.⁷ Глубина намного меньше, чем в июле (более 50 м) и 25 августа (около 35 м), а ширина больше (в июле 20-25 м в основном стволе и около 30 м по бровке, в августе 25 м в основном стволе, 37 м по бровке и около 35 м глубина до поверхности воды в озере⁸).

Геофизиками выдвинута гипотеза о выбросе метана в узле пересечения тектонических разломов. Основанием для выдвижения такой гипотезы являлось следующее. Территория, на которой образовался кратер, находится в области пониженного магнитного поля, интерпретируемой как узел пересечения разломов северо-восточного и северо-западного простирания. Сам кратер (воронка) приурочен к отрицательной кольцевой аномалии магнитного поля, которая возможно связана с проекцией на дневную поверхность канала миграции углеводородных газов. По данным электромагнитных зондирований методом становления поля (ЗСБ) установлено, что картер возник на стыке геоэлектрических структур, интерпретируемом как разлом, что согласуется с геоморфологическими признаками и данными магниторазведки. В разрезе на глубине 60-80 м выделен слой с аномально высоким удельным электрическим сопротивлением. Предполагается, что этот слой связан с горизонтом-коллектором газогидратов. Косвенно этот вывод подтверждают геологические исследования газопроявлений верхней части разреза на территории Бованенковского нефтегазоконденсатного месторождения⁹.

Заключение

Осенью 2013 г. образовалось новое явление, связанное с изменением теплового состояния мерзлоты – так называемая «воронка газового выброса». Это новый ранее не наблюдавшийся процесс, который можно рассматривать как реакцию криолитозоны на изменение теплового состояния, приводящее к процессу высвобождения заключенного в верхних горизонтах мерзлоты газа, возможно, в форме реликтовых газогидратов, через участки развития специфических форм криогенного рельефа, таких как гидролакколиты (булгунняхи, пинго).

На наш взгляд особую роль в формировании воронки сыграл не только, а может и не столько тренд повышения температуры пород, сколько экстремум 2012 г. Поскольку есть основания полагать, что этот экстремум не последний, то образование подобных воронок может распространиться на другие территории и тем самым должно рассматриваться как геориск.

Дистанционные материалы и полевые наблюдения свидетельствуют о возникновении воронки на вершине булгунняха на периферии частично спущенного озера. Наличие этой формы способствует если не механизму, то локализации воронки. На топокартах Центрального Ямала не редки булгунняхи высотой в первые метры и диаметром первые десятки метров. Видимо, эти участки могут считаться наиболее опасными и служить объектами первоочередного исследования.

В связи с широким распространением подземного пластового льда, газосодержащих пород, и встречаемостью специфических форм криогенного рельефа, воронки газового выброса будут возникать на соответствующих участках тундрового ландшафта и могут быть предсказаны и закартированы при условии, что их исследование будет вестись на высоком научном уровне.

Подрисуночные подписи

Рисунок 1. Картографическая модель распространения и мощности пластового льда в районе Бованенковского месторождения на основе анализа карт и аэрофотоснимков, и калиброванная по данным бурения (слева, автор А.В.Хомутов в «Хомутов А.В., Лейбман М.О., Андреева М.В. Методика картографирования пластовых льдов Центрального Ямала // Вестник Тюменского Государственного Университета, №7, 2012, Науки о Земле, С. 76–84») и реальный разрез через Бованенковское месторождение (справа, в «Стрелецкая И.Д., Лейбман М.О. Криогеохимическая взаимосвязь пластовых льдов, криопэгов и вмещающих их отложений Центрального Ямала // Криосфера Земли, 2002, т. VI, № 3, с. 15–24»).

Рисунок 2. Формирование термокарстового озера на полигоне Васькины Дачи на Центральном Ямале (фото М.О.Лейбман).

Рисунок 3. Термоцирк, образовавшийся в 2012 г. на полигоне Васькины Дачи на Центральном Ямале при вытаивании пластового подземного льда (фото М.О.Лейбман).

Рисунок 4. Термоцирк с бизко к поверхности залегающим пластовым льдом на полигоне Васькины Дачи на Центральном Ямале (фото Ю.А.Дворникова).

Рисунок 5. Температура воздуха за последние 14 лет и изменение средних, максимальных и минимальных глубин сезонного протаивания за те же годы по данным мониторинга на полевом геокриологическом полигоне Васькины Дачи (Центральный Ямал).

Рисунок 6. Расположение воронки газового выброса между побережьем Карского моря и долиной реки Морды-Яха, к югу от Бованенковского газоконденсатного месторождения.

Рисунок 7. Видеосъемка дна воронки 16 июля 2014 г. (стоп-кадр). В левой части снимка видно озеро на дне воронки. В правой части снимка видна неровность в стенке.

Рисунок 8. Бруствер представляет собой неравномерные вывалы породы: холмики глины, суглинка, супеси, торфа и пластов дернины.

Рисунок 9. Верхняя часть разреза стенки кратера со слоистыми отложениями (слева снимок 16 июля). На снимке справа (от 25 августа) видно, что слои ориентированы субвертикально, а макрольдистость (объемное содержание видимого льда) превышает 50% (фото М.О.Лейбман).

Рисунок 10. Фото стенки воронки крупным планом. В вогнутых ячейках видна вертикальная слоистость и вскрываются вертикальные прослои льда (фото М.О.Лейбман).

Рисунок 11. Трещины и сколы в верхней части воронки (фото М.О.Лейбман).

Рисунок 12. Грот в нижней части воронки по состоянию на 25 августа 2014 г. (фото М.О.Лейбман). В гротах как и в ячейках хорошо видно, что слоистость пород в стенках ориентирована вертикально и облекает стенки.

Рисунок 13. В стенке видны прослой пузырчатого льда, белого цвета (1), зона ячеистости (2), отделенная от гладкой зоны трещиной (3) (фото М.О.Лейбман).

Рисунок 14. Принципиальная схема воронки в развитии на разные даты наблюдений (составил А.И Кизяков в «Кизяков А.И., Сонюшкин А.В., Лейбман М.О., Зимин М.В., Хомутов А.В. Геоморфологические условия образования воронки газового выброса и динамика этой формы на Центральном Ямале. Криосфера Земли, 2015, №2, в печати».

Рисунок 15. Воронка постепенно заполняется снегом (фото А.И.Кизякова).

Рисунок 16. Ямальские озера небольшого размера, правильной округлой формы и значительной глубины, вероятно, являются заполненными водой воронками газового выброса.

Рисунок 17. Последовательность космических снимков участка воронки до и после (показано стрелкой) её образования, начиная с 01.11.2013 г. Красной линией оконтурен бруствер воронки, желтой – зона обнаружения выброшенного из воронки материала, по разным данным от 120 до 160 м (составил А.И Кизяков в «Кизяков А.И., Сонюшкин А.В., Лейбман М.О., Зимин М.В., Хомутов А.В. Геоморфологические условия образования воронки газового выброса и динамика этой формы на Центральном Ямале. Криосфера Земли, 2015, №2, в печати».

Рисунок 18. Геологический разрез, пересекающий воронку. Построен по результатам зондирования: 1- супесь серая массивной криотекстуры с включениями пластового льда; 2 — суглинок серый массивной криотекстуры, в интервале 55-80 м с прослоями песка пылеватого с включениями газогидратного льда; 3- прослои песка, насыщенные газогидратным льдом; 4 — удельное электрическое сопротивление пород, Ом∙м; 5- оси тектонических нарушений; 6 — граница фазовых переходов вода-лёд (вероятно, подошва многолетнемерзлых пород); 7 — пункты зондирования. Внутри воронки интерпретируются промерзшие осадки (серым цветом) и вода донного озера (голубым).