ФГБУН Институт проблем нефти и газа РАН, ФГБОУ ВО Российский государственный университет нефти и газа (Национальный исследовательский университет) имени И. М. Губкина
Газогидродинамика в кратерах выброса газа в арктике
В.И. Богоявленский
Москва, Российская Федерация
Аннотация
Дана характеристика и обоснован природный генезис образования Сеяхинского кратера выброса газа 2017 г. По данным дистанционного мониторинга из космоса состояния Антипаютинского кратера выброса газа в 2016-2017 гг. выявлено образование на поверхности кратерного озера нового объекта. С высокой вероятностью он соответствует новому бугру пучения, разорванному газогидродинамическим процессом. Это свидетельствует о продолжающейся активной газогидродинамике с возможными повторными выбросами и взрывами газа, которые могут произойти на многих потенциально опасных объектах и привести к чрезвычайно опасным природным, техногенным и экологическим ситуациям.
Ключевые слова: Арктика, выбросы газа, воронки, кратеры, вулканы, бугры пучения, мониторинг, дистанционное зондирование Земли, ДЗЗ, космоснимки.
Abstract
GAS-HYDRODYNAMICS IN THE ARCTIC CRATERS OF GAS BLOWOUT
Bogoyavlensky V. I.
Oil and Gas Research Institute of the Russian Academy of Sciences, Gubkin Russian State University of Oil and Gas (National Research University) (Moscow, Russian Federation)
The natural genesis of the formation of the Seyakhinsky crater of gas blowout in 2017 is given and grounded. According to the data of remote monitoring from space of the state of the Antipayutinsky crater of gas release in 2016-2017, revealed the formation on the surface of the crater lake new object. With high probability, it corresponds to a new a dome-shaped mound, destroyed by the gas-hydrodynamic emission. This testifies to the ongoing active gas-hydrodynamics with possible repeated emissions and gas explosions, which can occur in many potentially hazardous facilities and lead to extremely dangerous natural, technogenic and ecological situations.
Keywords: Arctic, gas blowout, gas emissions, funnels, craters, volcanoes, pingo, monitoring, remote sensing of the Earth, remote sensing, space images.
Введение
Более 10 лет в Институте проблем нефти и газа (ИПНГ) РАН проводятся сбор данных, анализ и мониторинг развития различных природных и природно-техногенных явлений, несущих угрозы жизнедеятельности человека и нередко имеющих прямые или косвенные причинно-следственные связи (землетрясения, стратовулканы, грязевые вулканы, сипы газа и нефти, газогидраты и др.) [1--7]. При этом используются данные аэрокосмического дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) и результаты наземных геолого-геофизических и геохимических экспедиционных исследований. Исходные и результирующие материалы загружаются в созданную геоинформа- ционную систему «Арктика и Мировой океан» (ГИС «АМО» [1 --3; 5; 6]), обновляются и дополняются.
Развитие исследований дегазации Земли на Ямале
В 2014--2017 гг. большой интерес мирового научного сообщества, особенно специализирующегося на исследованиях Арктики, вызвало образование на севере Ямало-Ненецкого автономного округа и Красноярского края гигантских воронок © Богоявленский В. И., 2018 (кратеров). В связи с ограниченным объемом фактических материалов в средствах массовой информации, включая центральное телевидение, излагались многочисленные гипотезы их образования, в том числе абсолютно фантастические.
Первые три научные публикации с обоснованием природы происхождения воронок -- кратеров за счет выбросов газа были опубликованы в сентябре- октябре 2014 г., в том числе в монографии [1--3]. Автор этих работ с удовлетворением констатирует, что за прошедшие три года большая часть опубликованных им заключений и положений нашла подтверждения в дальнейших исследованиях руководимого им коллектива, а также коллег из других организаций. В частности, о первых воронках (С1 и С3 в ГИС «АМО») мы говорили: «в недалеком будущем воронки будут полностью затоплены, что приведет к появлению новых озер в дополнение ко многим тысячам уже существующих на Ямале» [1, с. 14]. Это фактически произошло за два летних сезона 2014 и 2015 гг. В наших работах мы отмечали, что «воронки Ямала по своей сути подобны покмаркам, многие тысячи которых выявлены на акваториях Арктики и Мирового океана» ([1, с. 18]). Спустя три года с этими неоднократными утверждениями автора [1--3 и др.] согласились М. О. Лейбман с соавторами в своей работе [8, с. 118].
Рис. 1. Сеяхинский кратер выброса газа (фото автора из вертолета 2 июля 2017 г.)
В работе [1] была показана приуроченность первых двух Бованенковских воронок (С1 и С2) к зоне аномально высокого теплового потока. В 2015 г. в самом центре этой зоны был обнаружен еще один кратер (С9) [6]. В итоге можно констатировать, что к аномальной зоне теплового потока на суше полуострова Ямал приурочено аномально высокое количество кратеров (не считая кратеры на дне термокарстовых озер, которых сотни и тысячи).
Также мы неоднократно предупреждали, что «при выбросах (выхлопах) газа в криолитозоне Арктики мы не исключаем возможности самовоспламенения газа, что нередко бывало при извержениях грязевых вулканов, выбросах газа в угольных шахтах и при строительных работах в Санкт-Петербурге», и «допускаем возможность самовоспламенения газа при образовании взрывоопасной смеси с воздухом (концентрация метана 5--16%)» [1, с. 18; 2, с. 6]. В 2017 г. были получены однозначные подтверждения очевидцев из коренного населения М. Н. Око- тэтто и Я. Б. Вэнго о выбросе, самовоспламенении и взрыве газа 28 июня в 33 км к северу от поселка Сеяха. В результате взрыва образовался «Сеяхинский» кратер (С11 в ГИС «АМО»), порвавший русло реки Мордыяха (рис. 1). М. Н. Окотэтто рассказал автору, что на месте взрыва была небольшая сопка, которая взорвалась, и после мощной краткосрочной вспышки (взрыва) газ продолжал гореть около одного-полутора часов, при этом «диаметр основания и высота пламени были с чум» (т. е. до 4--5 м). Столб сизого дыма с грибовидной вершиной поднялся выше облаков (имеется видеосъемка).
Во время первой экспедиции, состоявшейся при участии автора настоящей статьи через четыре дня после взрыва (2 июля) и организованной правительством Ямало-Ненецкого автономного округа и ОАО «Ямал СПГ» (генеральный директор Е. А. Кот), кратер был затоплен, так как его центр расположен прямо у береговой черты реки. Средний диаметр верхней затопленной части кратера (по уровню воды ниже бруствера) -- 85 м, а его глубина -- свыше 50 м. В эпицентре взрыва в районе жерла кратера наблюдалось сильное локальное «кипение воды» из-за выходящего газа, а на берегу и в русле реки лежали многочисленные тающие глыбы льда и песчано-суглинистой мерзлой породы (размеры самых крупных превышали 3--4 м -- см. рис. 1). Не вызывает сомнений природное происхождение Сеяхинского кратера, о чем свидетельствует отсутствие вблизи него скважин, по заколонному пространству которых возможны перетоки глубинного газа, и биогенный характер проб метанового газа, взятых 2 июля и проанализированных Ф. М. Ривкиным (ОАО «Ямал СПГ»).
В процессе почти четырехлетнего поиска подобных кратеров на территории Ямала по данным ДЗЗ и в ходе экспедиций в северо-западной части крупного (около 6,3 км2) термокарстового озера Сэрто, расположенного в 45 км к северу от поселка Сеяха, на локальной прибрежной возвышенности (бывшем бугре) нами обнаружено небольшое озеро правильной округлой формы диаметром около 105 м (рис. 2). Подобное озеро сформировалось на месте «Дерябинского» кратера выброса газа С4 [1--3 и др.]. М. Н. Окотэтто рассказал, что в районе озера Сэрто в 1950-х годах жители тундры наблюдали выброс и сильное многочасовое горение газа, которые, видимо, приурочены к данному небольшому озеру, образовавшемуся на месте «Сэртинского» кратера. Судя по информации, полученной А. А. Соколовым от коренного населения, самовоспламение газа произошло также при образовании зимой 2016-- 2017 гг. «Еркутинского» кратера выброса газа (С12 в ГИС «АМО»), а также в конце 1950-х годов на месте современного существования округлого озера.
Рис. 2. Космоснимок SPOT-7 4 августа 2016 г. вероятного кратера выброса газа на краю озера Сэрто
Отметим, что 50--60-е годы ХХ в. относятся к локальному периоду похолодания, а не потепления. Поэтому однозначно объяснять причины образования выявленных в 2014--2017 гг. кратеров выброса газа наблюдающимся в последнее два десятилетия потеплением климата не представляется обоснованным и корректным. На дне Мирового океана в условиях достаточно стабильных придонных температур дегазация Земли, формирующая рельеф с многочисленными покмарками (pockmarks), идет тысячелетия и даже миллионы лет.
Таким образом, первопричиной абсолютного большинства выбросов газа на Земле являются естественные процессы формирования (накапливания) в залежах верхней части геологического разреза (ВЧР) биогенного (in situ) и катагенетического (глубинного) газа в свободном и гидратном состояниях. Кроме того, существует и техногенная эмиссия газообразных и жидких углеводородов, возникающая, например, при миграции газа по заколонному пространству (Кумжинское и многие другие месторождения) [7]. Под действием пластовых давлений и гравитационного эффекта газ стремится вырваться на поверхность Земли, но многолетнемерзлые породы являются хорошим региональным флюи- доупором, мешающим его вертикальной миграции [1 --3 и др.]. За счет этого происходит миграция газа в субгоризонтальном направлении с последующим прорывом на поверхность земли или в водную толщу через ослабленные зоны (разломы, термокарстовые озера с таликами, бугры пучения).
Новейшие газогидродинамические события в «Антипаютинском» кратере
Для получения ответа на один из ранее поставленных нами важных вопросов: «Являются ли воронки (покмарки) суши и акваторий Арктики результатом однократного выброса (выхлопа) газа или периодических (многократных) выхлопов из-за постоянного подтока газа из глубины по “газовым трубам” подобно грязевым вулканам?» [3, с. 144] требуются дополнительные сложные мониторинговые исследования. Вместе с тем, понимая геологию и физику происходящих процессов, мы прогнозировали, что «падающая на дно воронки глинистая порода запечатывает каналы подтока газа со дна, как это происходит с грязевыми вулканами, а рост давления газа через газоподводящие каналы приведет к очередному пневматическому взрыву -- выхлопу газа» [2, с. 6]. Говоря о выявленных на дне озер Ямала подводных кратерах газовых выбросов, мы не сомневались, что выбросы газа «могут быть краткосрочными разовыми и многоразовыми (подобно механизмам грязевого вулканизма и гейзеров), а также непрерывными (струйными)» [4, с. 8].
а б
Рис. 3. Антипаютинский кратер С3. Фотография из вертолета М. П. Лапсуя (а) и фрагмент видеокадра А. М. Лапсуя (б) 9 июля 2014 г.
В 2017 г. появились данные, подтверждающие сказанное выше. Одним из объектов постоянного мониторинга в ИПНГ РАН является Антипаютинский кратер (С3 в ГИС «АМО»), имеющий координаты 69,795° с. ш., 75,035° в. д. [1--5]. Он образовался при выбросе газа 27 сентября 2013 г. на Гыданском полуострове (дата зафиксирована населением поселка Антипаюта) в 3 км к западу от Солетского газового месторождения.
9 июля 2014 г. на кратере С3 побывали коренные жители М. П. Лапсуй, А. М. Лапсуй и Х. С. Окотетто, фото- и видеоматериалы которых зафиксировали важную информацию и были предоставлены автору (рис. 3). Форма наблюдаемого кратера С3 свидетельствует о его принципиальном сходстве с кратером С1: наблюдаются гладкие стенки и рваные зоны отрыва верхней части мерзлых пород, являющейся кровлей загазованного пространства (камеры). Внизу кратера С3, как и у С1, наблюдается боковая каверна -- грот, являющийся возможным каналом подтока газа (рис. 3б). Кратер С3, как и С1, имел преимущественно ледяной состав почти вертикальных стенок, внутренний диаметр 10--12 м (в 1,5 раза меньше С1), а глубина его в два-три раза меньше, чем на С1. До взрыва на месте С3 был сла- бовыраженный бугор на краю террасы (рис. 3а). За счет падения выброшенных из кратера С3 кусков льда и породы вокруг него в сезонно-оттаявшей почве образовались небольшие обводненные воронки, хорошо видимые на рис. 3а.
Объект С3 до и после взрыва хорошо изучен по данным ДЗЗ со спутников «WorldView» (WV) за период с 21 августа 2013 г. по 11 октября 2014 г. А. И. Кизяковым с соавторами [9]. Анализ стереопар космоснимков WV-2 показал наличие на месте С3 пологого бугра высотой около 2 м (в три-четыре раза меньше, чем на С1). 30 августа 2016 г. на кратере побывала группа мерзлотоведов (А. В. Хомутов и др.), выполнившая ряд исследований, включая батиметрические. Последние показали, что максимальная глубина озера не превышает 3,5 м.
Однако в последующий период на объекте С3 произошли особенно важные события. По космоснимкам WV-1, WV-3 и «Ресурс-П2» за период с 28 августа 2015 г. по 16 июля 2017 г. (рис. 4) можно отметить следующее. Кратер С3 почти полностью затоплен водой, диаметр озера в эти два года был стабильным и составлял около 35--37 м, что почти на 10 м больше диаметра верхней части кратера в зоне отрыва породы в 2013 г. По данным ДЗЗ, в период 28--31 августа 2015 г. в хорошо освещенных северной и северо-восточной частях наблюдаются обнажения песчано-суглинистой почвы белесого цвета у крутого берегового уступа (рис. 4а и 4б) и отмель, имеющая на рис. 4б голубой цвет. Темное пятно в южной части кратера -- тень от его стенки.
Самым важным является то, что в восточной части озера на снимке WV-1 16 июля 2017 г. (рис. 4г) появился объект, природа которого с высокой степенью вероятности нами интерпретируется как новый бугор пучения размером у уреза воды 18x22 м. Его поверхность разорвана в двух почти ортогональных направлениях (рис. 5), что характерно для бугров пучения [3], а в центральной части выделяется некоторое подобие вытянутого жерла размером 4x9 м.