Только в России: сибирские кратеры — малоизученное и опасное явление
В 2014 году с вертолета была заснята загадочная гигантская воронка на Ямале: диаметром 20 м и глубиной 50 м. Геологи были потрясены увиденными кадрами и строили разные гипотезы — вплоть до метеоритной версии. С тех пор научных знаний о «черных дырах» в Западной Сибири заметно прибавилось, а недавно вышла новая статья о кратере №17 в научном журнале Geoscience. На наши вопросы ответил один из ее авторов, участник экспедиции на Ямал Евгений Чувилин — кандидат геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник Центра добычи углеводородов Сколковского института науки и технологий.
— Евгений Михайлович, давайте поговорим об эволюции знаний о кратерах. Когда вы впервые услышали о таком явлении, что вы подумали? Это звучало для вас невероятно?
— О кратерах мы узнали еще в 2013 году, когда был получен первый снимок с вертолета какой-то большой ямы непонятного происхождения в мерзлоте на Ямале. Среди специалистов-мерзлотоведов — тех, кто занимается арктическими исследованиями, — ходили шутки, мы предлагали самые разные варианты возможного образования.
Огромная яма выглядела очень неестественно на фоне тундры, достаточно плоской и ровной. Поэтому первая идея, которая возникала, — о техногенном происхождении. Думали, что, возможно, произошла какая-то аварийная ситуация или что-то упало — вплоть до космического объекта.
Изучением этого района мы занимаемся больше 30 лет. И тот факт, что до этого ничего подобного не обнаруживали, тоже вызывал непонимание: что же произошло, что является спусковым крючком, который привел к появлению кратера?
Нам было известно, что мерзлота здесь достаточно спокойная. Она имеет низкую отрицательную температуру, высокую льдистость в верхних горизонтах и практически непроницаема. Представить себе, что из глубины могло что-то вырваться, было сложно. И тогда было крайне сложно представить себе, что на Севере, в арктической тундре, могут происходить выбросы газа — метана, который концентрируется под большим давлением вблизи поверхности.
— А когда же стало понятно, что кратер образовался при взрыве газа?
— Что это какой-то взрыв, стало почти сразу понятно. Об этом свидетельствует разброс обломков на несколько сот метров. Разбросы на некоторых кратерах, в частности на Ямальском, — до 600–700 м, то есть мы имеем дело с огромной энергией!
Выброшенные грунтовые блоки — это много кубометров мерзлоты. Например, на Сёяхе в 2017 году произошел взрыв такой силы, что некоторые обломки были выше человеческого роста. Чтобы из мерзлоты вылетали глыбы льда размером в несколько метров, нужна огромная энергия.
По-научному эти воронки мы называем кратерами газового выброса. Газ скопился под большим давлением в верхних горизонтах мерзлоты, выпучил перекрывающие породы, а затем прорвал и разбросал их на огромное расстояние. По быстроте, мгновенности, разбросу обломков это был взрыв, хоть и без огня. Местный житель на Сёяхе рассказывал, что видел облако дыма над тем районом и даже заснял: на кадрах видна какая-то дымка вдалеке. Так что есть предположение, что иногда возможно и возгорание за счет разных электростатических сил. Но следов горения во время экспедиции мы не обнаружили. Кусты не обожжены.
Сам момент взрыва на видео заснять пока никому не удалось. Когда ученые анализируют космоснимки, то видят динамику: вот был бугор пучения, а через какое-то время на этом месте возникла огромная яма.
— Бугор пучения — поясните, что это такое.
— Доказано, что перед возникновением кратера образуется бугор пучения. Такие бугры вообще характерны для промерзающих пород, мы их и раньше наблюдали. Обычно они возникают на месте осушенного озера, когда подозерные отложения начинают промерзать и распучиваться, или в слое сезонно талых пород при их промерзании. Но такие бугры пучения, как правило, не содержат так много газа, чтобы сделать мощный взрывной выброс.
В других частях Арктики, например на Аляске, также образуются бугры пучения: некоторые при напоре подземных вод могут вырасти на 50–60 м, но они не взрываются, а трескаются и из них может вытекать вода. Там происходит гидроразрыв, а у нас — газоразрыв, более мощный и взрывной, с образованием глубокого кратера диаметром до 30–40 м и глубиной до 50 м. Особенность газовых бугров, которые предшествуют образованию кратеров, в том, что они достаточно быстро растут. Когда такой бугор лопается, происходит газовый выброс с разбросом обломков мерзлых пород, которые раньше перекрывали это газовое скопление.
На 17-м кратере, который мы обследовали прошлым летом, нами было зафиксировано, что радиус разброса обломков мерзлых пород вокруг кратера достигал 200 м. Причем объем самого кратера и объем выброшенного материала были несопоставимы: объем выброшенного материала был меньше. Это указывает на две возможные причины: либо было очень много льда, который при оттаивании превратился в воду, либо была большая полость, занятая газом.
У другого кратера на реке Еркута на Ямале мы в 2017 году отбирали пробы, анализировали их, и нам удалось показать, что там, кроме метана, присутствуют следы более тяжелых газов: этана и пропана. Это говорит о возможном участии глубинного газа. То, что этот кратер представляет собой кратер газового выброса, — это сейчас не оспаривается, все это принимают. А спор в основном идет вокруг того, что является источником газа: или это внутримерзлотный газ, или это глубинный газ, который поступает из более глубоких горизонтов, — а он может быть связан с газовыми месторождениями.
— Расскажите о вашем последнем исследовании поподробнее.
— 17-й кратер — новый кратер, который образовался в начале лета 2020 года. Совместно с коллегами из Института проблем нефти и газа РАН (ИПНГ) мы участвовали в экспедиции — 26 августа прибыли в район кратера, провели исследование.
Главная особенность этого кратера состояла в том, что он был в очень хорошей сохранности. По оценкам участников экспедиции, он образовался в конце весны — начале лета. Его заметили 16 июля с вертолета. Большая удача, что нам удалось прибыть для исследования спустя всего месяц после его обнаружения. Кратеры газового выброса живут недолго: в течение двух-трех лет они превращаются в озера, которые сложно отличить от термокарстовых озер. Для того чтобы получить важную исходную информацию, нужно как можно быстрее после его образования попасть на место и сделать его обследование, отбор газа, если еще есть активные выделения, собрать образцы, пока мерзлота не оттаяла и не промылась осадками.
Кстати, когда мы летели, видели пару мест, где раньше были кратеры, но они уже превратились в озера, а следы разброса грунтового материала все еще были видны. Их выдает характерная форма: округлая и достаточно правильная.
Кратер №17 на полуострове Ямал отличают большие размеры: он имеет диаметр 25 м, а глубина — свыше 30 м. На момент обнаружения он практически не содержал воду, был хорошо обнажен, стенки кратера позволили изучить строение этой толщи. В прослое подземного льда на глубине 10 м от поверхности мы обнаружили большую разветвленную полость, похожую на грот. По оценкам руководителя нашей экспедиции, замдиректора ИПНГ профессора Василия Богоявленского, объем этой полости мог достигать 1000 м3. Фактически образование кратера связано с формированием этой емкости, в которой происходило накопление газа под давлением. Газ деформировал вышележащие породы и привел к образованию характерного бугра пучения, который затем и лопнул.
Самое главное, что было сделано в этой экспедиции, — обследование кратера с помощью дрона, которым управлял сотрудник ИПНГ Игорь Богоявленский. Дрон опустился на глубину 10–15 м ниже поверхности, то есть заглянул внутрь кратера. Эти качественные снимки позволили в дальнейшем построить 3D-модель кратера, в том числе полости внутри.
— В первый ямальский кратер удавалось спуститься людям. На этот раз такое обследование было невозможным?
— Если вы посмотрите наше видео, услышите шум: все подтаивает, осыпается, на 30 м вниз почти вертикально уходит стена. Эта глубина как десятиэтажный дом. Спускаться людям туда очень опасно. Кратер №1, так называемый Ямальский кратер, исследовали зимой, когда там все замерзло: люди спускались со специальным альпинистским оборудованием. У нас же в кратере все осыпалось, и к тому же не было возможности узнать, есть там на дне выделения газа или нет. Если бы человек спустился туда, то попал бы в другую атмосферу — для этого нужно специальное оборудование и противогаз на всякий случай, чтобы не отравиться какими-то газами.
— Удавалось ли найти местных жителей, которые были очевидцами появления кратеров?
— Для меня это вторая экспедиция, первая была на Еркутинский кратер в 2017 году. Когда мы ездили туда, к пойме реки Еркутаяха, ночевали в тундре, местные жители нам рассказали, что такие события отмечались. У них есть свои предания о том, что несколько десятков лет назад были какие-то выбросы с шумом.
Но это очень редкие явления. Кратеры газовых выбросов в целом достаточно редки. Их обнаружено 17 штук за шесть лет, а территория очень большая и малонаселенная: это не только полуостров Ямал, где найдено большинство таких кратеров, но и Гыданский полуостров.
Люди появляются там сезонно, когда кочуют со стадами. Время жизни кратеров небольшое: они быстро превращаются в озера. Местные жители тоже отмечают, что у них есть такие странные глубокие овальные озера. На некоторых из них есть грифончики — активные участки эмиссии метана.
— Насколько газовые взрывы на севере Сибири опасны для людей? Какова вероятность, что кратеры образуются под городами и объектами инфраструктуры?
— Кратеры возникают в районе малообжитом, где нет крупных населенных пунктов. Но тем не менее первый кратер образовался в 3,5 км от газопровода, а девятый — в нескольких километрах от железной дороги, то есть определенную опасность они несут. И если в будущем они будут формироваться чаще, это будет, конечно, иметь большую опасность для инженерных коммуникаций, инфраструктуры и прежде всего для газодобычи в этих районах.
Ямальская мерзлота имеет высокую газонасыщенность. Мы связывали ее с реликтовыми газовыми гидратами — это такие соединения воды с газом, которые существуют при определенных термобарических условиях. При разложении газогидрата из одного объема газогидрата образуется 160 объемов газа.
Все эти процессы требуют контроля и изучения. Но пока вся беда в том, что мы не можем разработать программу, найти поддержку и финансирование, чтобы было больше возможностей для исследования. Во многих странах есть национальные программы изучения газовых гидратов, а у нас пока нет.
Тем не менее в нашей лаборатории мерзлых пород и газовых гидратов в Центре добычи углеводородов в Сколковском институте науки и технологий мы изучаем газовые гидраты как новое сырье — «углеводороды будущего». Рассматриваем различные технологии добычи метана из природных газовых гидратов, оцениваем мерзлоту и газогидраты как серьезную геологическую опасность при освоении нефтяных и газовых месторождений в Арктике.
— Возможно ли прогнозировать и предотвращать такие естественные, но опасные взрывы?
— Мои коллеги из ИПНГ ведут работы по прогнозированию таких угроз. Они закартировали бугры пучения — места, в которых могут возникнуть газовые взрывы. Американские коллеги на основе анализа космоснимков также провели определенную работу — выделили некоторые участки, где могут возникать кратеры. Работа в этом направлении проводится, но она требует более длительных исследований, мониторинга, определенной инфраструктуры на объектах. Одних дистанционных методов недостаточно. Нужно смотреть, где геологические разломы, ловушки газа в мерзлоте, где наблюдается повышенная эмиссия газов. Такая работа может быть успешно сделана в будущем, но нам еще для этого нужно изучить до конца механизм их образования, развития — только тогда мы с определенной вероятностью сможем предсказывать и даже предотвращать такие взрывы в будущем.. Пока же мы, к сожалению, можем появляться на этих объектах лишь на очень короткое время и у нас нет возможности их детального изучения с помощью глубокого бурения.
Мы собираемся в новую экспедицию к кратеру №17 ближайшем летом, если будут сняты ограничения, связанные с COVID-19. Поездку надо согласовывать с «Газпромом» и местными властями, это не так просто.
— Почему только в России образуются кратеры, а не на Канадском арктическом архипелаге, например?
— В 2015 году я был в Канаде, и на одной из конференций ко мне подходили мои коллеги, которые занимаются мерзлотой, — американцы, канадцы. Они там на севере Америки ничего похожего никогда не фиксировали и были очень скептически настроены к нашим заявлениям о том, что кратеры естественного происхождения. Говорили: «По-видимому, это что-то искусственное. Там у вас в России что-то странное произошло!»
Мы это связываем с очень специфическим мерзлотно-геологическим строением района нашей Арктики: кратеры не случайно возникают именно на полуостровах Ямал и Гыдан. Мерзлота там достаточно сильно насыщена метаном: до глубины 100–130 м. При бурении скважин в этих местах наблюдается и уже длительное время фиксируется активное газопроявление.
Кроме того, этот район характеризуются наличием охлажденных вод внутри мерзлоты, наличием пластовых льдов — достаточно протяженных, которые могут иметь сотни метров в длину. Но самое главное, что на этой территории много крупных газовых месторождений. По-видимому, имеется определенная подпитка, связь. Конечно, все это предстоит еще исследовать более детально. Мы планируем дополнительные экспедиции и думаем о возможности бурения скважин глубиной 100 м и больше, чтобы найти глубинные источники и понять, как это происходило.
Предполагается, что кратер находится в пределах разлома, что улучшает возможность подтока глубинных газовых флюидов. Фактически мы сталкиваемся с новым видом газовой эмиссии в Арктике. Мы раньше фиксировали обычную эмиссию, которая идет в слое сезонного оттаивания, в болотах, а также в термокарстовых озерах, на дне которых образуются грифончики, где выделяется метан. Но такой взрывной выброс метана — новое малоизученное явление в мерзлоте.
Конечно, сказываются климатические изменения, которые сейчас происходят. Потепление влияет, но главный фактор все же строение мерзлоты и подмерзлотных горизонтов именно этой территории севера Западной Сибири.
