Дырки в тундре

Так при взгляде с вертолета выглядела дыра на Ямале летом 2014 года. Фото Правительства ЯНАО

Три воронки-2014

Летом 2014 года в Сети появился ролик, снятый с борта вертолета: на полуострове ямал в грунте внезапно образовалась дыра диаметром и глубиной в несколько десятков метров. Этот необычный объект привлек внимание публики — ролик просмотрело более 8 млн человек, потом про ямальскую дыру сделали телевизионные репортажи.

Обычно такие провалы грунта списывают на человеческую деятельность — обрушение сводов шахт или других подземных сооружений. Однако в районе ямальской дыры человеческой деятельности практически нет — лишь в нескольких километрах проходит газопровод, транспортирующий газ с Бованенковского нефтегазоконденсатного месторождения, расположенного к северу от места события. Такая близость, в свою очередь, обеспокоила специалистов: дыра, несомненно, образовалась в результате взрыва, а если бы он случился под газопроводом или рядом с железной дорогой? Поэтому изучением дыры озаботились и местные власти, и газовики, организовавшие к объекту несколько экспедиций. как оказалось, зимой 2014 года образовалось три дыры – бованенковская на Ямале, в районе Антипаюты на Гыданском полуострове, что лежит напротив Ямала за Обской губой, и еще одна, по описанию очевидца, диаметром 4 м и глубиной 60 м, — на Таймыре в устье Енисея в районе поселка Носок.

Кратер удивительной красоты

Сразу же после обнаружения кратера, а именно в июле, экспедицию к нему организовал Российский центр освоения Арктики, созданный в 2014 году по распоряжению В.В.Путина в Салехарде на базе нескольких институтов. Затем в конце августа по инициативе губернатора ЯНАО Д.Н.Кобылкина была организована вторая, с более основательным обследованием загадочного объекта. К тому времени и выброшенный взрывом лед, и его пласты, открывшиеся в стенах кратера, стал активно таять, наполняя водой образовавшуюся дырку в земле. Спустя два года она заполнилась, превратившись в озеро, и стены кратера стали малодоступны для исследования – не удивительно, что ученые торопились изучить явление по горячим следам. Вот что вспоминает участник второй экспедиции, член-корреспондент РАН В.И.Богоявленский из Института проблем нефти и газа РАН.

«…В эмоциональном плане вид воронки с вертолета и ее краевых частей, а также непрерывное падение воды и обрушающейся на ее дно породы со значительным шумом и гулом, напоминающим удаленные взрывы, произвели неизгладимо сильное впечатление... Проведенные замеры показали следующие параметры: по внешнему краю диаметр воронки около 37 м, по внутреннему — не больше 25 м, а глубина от края бруствера до уровня воды 35 м и около 40—42 м до дна (последнее с учетом падения породы на дно). Такое отличие этих параметров от первоначальных (внешний и внутренний диаметры 60 и 40 м, глубина свыше 50 м) обусловлено погрешностями первичных замеров. Отметим, что уровень воды на дне воронки явно поднялся на несколько метров, затопив наблюдаемые ранее гроты в стенках воронки. Происходят активное таяние замороженных стенок кратера... и постоянное обрушение его краевых частей, включая бруствер... Судя по всему, до взрыва выброшенная порода (бруствер воронки) являлась покрышкой пустотного пространства, при этом ее толщина, видимо, достигала 7—9 м. Конические стенки верхней части воронки несут следы разрыва породы под углами к горизонтали 40—60º, в то время как почти вертикальные стенки воронки имеют вид гладкого мерзлого грунта, а местами практически чистого льда. Предположительно вершина пинго-булгуннях возвышалась над рельефом местности (хасырей) на 5—9 м. C учетом имеющихся космоснимков время образования воронки, видимо, после июля 2013 года» («Бурение и нефть», 2014, 10, 3—8).

Ледяные скульптуры мерзлоты

Упомянутые Богоявленским слова «пинго» и «булгуннях» означают широко распространенный в зоне вечной мерзлоты феномен — бугор пучения; пинго — на языке эскимосов, булгуннях— на языке ненцев. Механизм образования бугров такой. Из-за повышения температуры на открытой солнцу стороне бугра начинает подтаивать расположенный внутри него лед и у нижней границы мерзлоты возникает вакуум, так как лед занимает больший объем, чем получившаяся из него вода. Вакуум подсасывает воду из нижних горизонтов, а при ее замерзании во время похолодания мерзлая толща сдвигается вверх. Помимо этого, из замерзающей воды освобождаются газы. Если они не имеют выхода — упираются при движении вверх в монолитную ледяную крышу, — то внутри бугра формируется область высокого давления.

Высота таких бугров может исчисляться десятками метров, растут же они на протяжении столетий. Рассуждая о происхождении удивительного объекта — потомского кратера, В.Р.Алексеев из якутского Института мерзлотоведения им. П.И.Мельникова СО РАН («Геодинамика и тектонофизика», 2012, 3,3, 289—307; doi: 10.5800/GT-2012-3-3-0075) отмечает, что в холодных регионах поверхность земли зимой почти везде приподнимается на 20—50 см, а летом на столько же опускается. В некоторых случаях, если рядом есть родник, грунт за сезон способен перемещаться на шесть метров в высоту, формируя курган. За одним пинго наблюдают уже более ста лет. Он расположен в Канаде на месте спущенного в 1900 году озера в дельте реки Маккензи. Бугор начал расти через 30 лет после осушения котловины и к 1987 году достиг высоты 10 метров, аккумулировав почти 30 тысяч кубометров льда. Это явление называется макрокриовулканизмом. К слову, не исключено, что многочисленные курганы в степной зоне вовсе не насыпаны кочевниками над могилами знатных воинов, а сформировались по аналогичному механизму, когда в этих местах была вечная мерзлота. Алексеев также считает, что самая высокая гора Солнечной системы — вулкан Олимп на Марсе — имеет то же происхождение; это уже мегакриовулканизм.

Формируемые мерзлотой ледяные бугры не только растут, но и ведут бурную жизнь: время от времени взрываются с громким треском, извергая потоки воды, газов или грязи. В статье «Многолетние мерзлые породы и подземные льды Арктики» («Арктика и антарктика», 2017, 4; doi: 10.7256/2453-8922.2017.4.25094) приведен небольшой обзор таких случаев. Например, в 1930-х годах В.И.Андреев, проводивший исследования на Ямале, сообщил, что, по рассказам ненцев, в Байдарацкой тундре зимой со стороны бугра раздавался оглушительный треск, после чего там находили надземную наледь; видимо, подо льдом находится полость, наполненная водой, а быть может, отчасти и газом, которые во время глубокого растрескивания бугров выбрасываются на поверхность. Взрывы бугров часто сопровождаются сильными звуками, напоминающими орудийные выстрелы, которые слышны в радиусе 7—10 км. При этом возникают воронки диаметром до 15—25 м и глубиной 2—5 м. Двадцатого июля 1964 года Н.С. Богомолов наблюдал взрыв бугра метровой высоты в долине реки Урейки (левый приток Акши); за ним последовало шумное извержение громадного количества воды в виде гигантского столба, четверть часа изливавшего по двенадцать кубометров в секунду. Взрыв родникового бугра пучения вблизи деревни Бырца 27 июля 1938 года поднял лед, песок и галечник на 8—12 м и отбросил на 15 м. Двухметровый фонтан воды бил около двух часов. После взрыва образовалась воронка диаметром 4,5 м и глубиной 4 м.

Однако каков механим таких взрывов и одинаков ли он во всех случаях, неизвестно.

Кратер на месте бугра

Так исследователи представляют себе строение ямальской дыры («RemoteSensing», 2017, 9, 1023)

Нечто подобное — формирование насыщенного газом бугра пучения с последующим взрывом — и ожидали найти исследователи ямальской дыры. Их надежды оказались не напрасными. Анализ космических снимков высокого разрешения, который провели ученые из Тюменского университета, Института криосферы Земли СО РАН, исследовательского центра «ScanEx» под руководством А.И.Кизякова из МГУ имени М.В.Ломоносова («Remote Sensing», 2017, 9, 1023; doi: 10.3390/rs9101023), позволил уточнить даты появления по меньшей мере двух дыр — ямальской и гыданской. Первая возникла между 9 октября и 1 ноября 2013 года, а вторая — 27 сентября 2013 года. Такая точность связана с тем, что в ста километрах от нее находится поселок, жители которого слышали взрыв. По данным группы Кизякова, бугры на месте будущих кратеров если и были, то невысокие — в случае гыданского кратера не более двух метров. Отличить такую возвышенность от других форм рельефа и опознать в ней источник опасности весьма трудно. Более того, как считает сам А.И.Кизяков, бугры могут быть и совсем ни при чем – связь между ними и образованием кратеров не доказана.

На одном из разрезов бугра, предшествовавшего образованию гыданского кратера можно заметить выемку («Remote Sensing», 2017, 9, 1023)

На этих довольно скудных данных и базируются догадки о происхождении этих необычных и опасных образований. Все сходятся во мнении, что главная причина — природный газ, запертый в вечной мерзлоте. Однако механизмов его действия предложено несколько.

Игра воды и газов

Наверное, самая загадочная черта ямальской дыры и других аналогичных объектов — вертикальный канал, подобный жерлу вулкана. Дело в том, что если бы причиной явления было просто скопление газа в некоей полости в основании булгунняха, то получилась бы воронка просаживания, расширяющаяся конусом от места взрыва. Однако такую воронку можно наблюдать лишь в верхней части кратеров, где, видимо, располагалась запирающая газы крыша. Для получения же вертикального канала необходим либо направленный вверх импульс взрыва, либо нужно сформировать канал заранее, например, каким-то образом ослабить заполняющий его грунт.

Создать такой канал в условиях вечной мерзлоты действительно можно. Способ предложила группа исследователей из Института геоэкологии имени Е.М.Сергеева РАН и Института прикладной механики РАН во главе с А.Н.Хименковым в уже упомянутой статье из журнала «Арктика и антарктика». Согласно их гипотезе, главная роль принадлежит озеру, которое когда-то располагалось на месте будущего кратера. Озеро нагревает грунт под ним, и на глубине возникает прослойка жидкой воды. Но это еще не все. Известно, что льды вечной мерзлоты наямале содержат природный газ в виде газгидратов, которые стабильны при низкой температуре, а при нагреве выше температуры фазового перехода разрушаются и формируют во льду газовые пузыри.

Газгидраты должны располагаться в нижней части кратера, и при их разложении в первую очередь заполняется камера с гротами. Не исключено, что сами эти гроты возникли как газовые пузыри во льду. Дополнительным источником воды и газа могли стать потоки флюидов — тех самых, следы которых были заметны на стенках камеры. Вода с растворенным газом под давлением устремлялась вверх, деформировала и разрывала расположенное там вещество. Так постепенно формировалась наполненная газами ячеистая структура из грунта и льда. Следы этой структуры проявились в виде ячеек на стенках вертикального канала. Давление постепенно деформировало ледяную крышу, выпячивая ее и формируя бугор, а озеро в конце концов утекло прочь. Лишившись защиты, вершина бугра промерзла, образовав прочный газонепроницаемый экран. А далее по мере роста давления из-за продолжающегося притока газов был достигнут предел прочности ледяной крыши, и ее снесло взрывом. Затем началось самое интересное: внутреннее давление газа, расположенного в порах вещества канала, стало стремительно разрушать это вещество, выбрасывая его из формирующегося кратера. Так за считаные секунды вертикальный канал был освобожден, чтобы через несколько месяцев предстать во всей своей мрачной красе перед глазами удивленных наблюдателей.

Эта прекрасная гипотеза имеет существенный недостаток: и ямальский, и гыданский кратеры расположены на склонах. Поэтому сначала должен был образоваться бугор, потом его вершина должна просесть, и только тогда появится место для озера. Впрочем, когда группа Кизякова проанализировала форму бугра, предшествовавшего гыданскому кратеру, на его вершине обнаружилась выемка, где могло бы располагаться небольшое озеро.

Сходную гипотезу предложили исследователи из МГУ им. М.В.Ломоносова во главе с А.Ю.Бычковым (GoldschmidtAbstracts,2017, 519, https://www.goldschmidtabstracts.info/abstracts/abstractView?id=2017005692). Согласно их точке зрения, бугор все-таки образуется по традиционному механизму: внутрь поступает вода, которая при замерзании выталкивает грунт все выше и выше, постепенно наполняя бугор льдом. Однако при замерзании вода выделяет тепло, которое разрушает газгидраты, причем не только метановые, но и углекислотные. Эти газы, поднимаясь вверх, образуют во льду полости и повышают давление. После того как взрыв сносит с бугра крышу, давление резко падает, создавая эффект шампанского — вода вспенивается, выделяя из себя растворенные газы, и выносит прочь из кратера остатки твердого вещества.

Интересную, но маловероятную гипотезу упоминает Алексеев применительно к патомскому кратеру — удар сверхмощной молнии. Такая молния действительно могла бы разогреть вертикальный канал внутри бугра, вызвав освобождение газов с последующим катастрофическим их расширением. Проверить эту гипотезу не столь уж сложно, если знать точное время образования дыры, подобной ямальской, — эти данные можно сопоставить со сводкой погоды. Но пока что, похоже, никто этого не сделал.

Еще одну версию предлагают специалисты из ГазпромВНИИгаза во главе с Е.В.Перловой («Вести газовой науки», 2017, 3, 31, 292—297). По их мнению, вертикальный канал начал формироваться в бугре пучения сам по себе, как термокарстовая пещера, а далее, скапливаясь в возникшей полости, вода стала просачиваться к древним слоям с газовыми гидратами, которые в этом районе находятся на глубине 60—80 метров. Их разложение привело к заполнению вертикальной полости газом. Летом 2012 и 2013 годов в этих местах стояла аномальная жара, что могло увеличить приток талой воды внутрь и ускорить распад газгидратов. Осенью же, когда грянули морозы, вся протаявшая крыша бугра смерзлась в прочный монолит. Газ, который ранее выходил через трещины в вершине, потерял такую возможность. Давление быстро выросло и взорвало бугор. В частности, этот механизм объясняет и малое количество обломков вокруг — из пустого канала они не могли вылететь.

По мнению авторов, такой механизм нетипичен, ведь обычно протаивание внутри бугра приводит к обрушению крыши и формированию конической воронки. Несколько кратеров с вертикальным каналом, образовавшихся примерно в одно и то же время, подсказывают, что мы имеем дело с новым явлением. И скорее всего, оно связано с глобальным потеплением и резким ростом температуры в Арктике. В таком случае это опасное явление скоро перестанет быть редкостью. А значит, его необходимо тщательно исследовать, ведь подобные взрывоопасные бугры в изобилии имеются на северных полях, где добывают нефть и газ.

Новые воронки

За три года по космическим снимкам на территории ЯНАО было найдено еще семь старых воронок. А летом 2017 года ученым повезло – стало известно, что сразу в двух местах произошли взрывы и сформировались новые воронки, к которым в июне были отправлены экспедиции. Одну, в районе села Сеяха, к тому времени затопила река, тем не менее, удалось промерить глубину – она составила 20 метров. Когда ученые прибыли на место происшествия, со дна реки еще выделялся газ, а окрестности были опалены – по мнению В.И.Богоявленского это явно указывает на взрыв метана. А вторая образовалась рядом с научно-исследовательским стационаром Еркут – там биологи из лабытнанги следят за гнездовьями сапсанов. У этой, самой южной из найденных воронок, диаметр оказался 8 метров, а глубина 20. Интересно, что еще в 2015 году на ее месте биологи не видели никакого бугра. Некоторая выпуклость возникла в 2016 году, а зимой 2017 года она взорвалась, как утверждают местные охотники – с выбросом пламени. Столь быстрое развитие событий, несомненно, породит новые гипотезы механизма явления.

Как видно, такие опасные события – действительно отнюдь не редкость. Чтобы оценить опасность, геологи составляют атлас бугров пучения, расположенных в районах промыслов и в местах прокладки трубопроводов. Районы трех ямальских месторождений оснастили сейсмодатчиками и они позволили определить примерные координаты сеяхского события. Предполагается провести тщательное изучение имеющихся бугров, например, пробурить некоторые из них, чтобы выяснить, как идет опасное накопление газа. А пока что критериев, которые позволяли бы различать опасные и не опасные бугры или выявить места, где идет накопление газа, в распоряжении специалистов нет. Новые события им очень пригодятся, равно как и финансирование на соответствующую научную программу.

Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 3/2018) на с. 2 — 4.