XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Вторая жизнь Ямальских воронок
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
История ямальских газовых выбросов
В июне 2014 года на полуострове Ямал не далеко от мощного газоконденсатного месторождения Бованенково была обнаружена первая воронка, которая в июле того же года произвела сенсацию в мировых средствах массовой информации. Посыпалась масса теорий, домыслов и фантастических предположений о ее возникновении. Интерес к природе её возникновения не исчез и в настоящее время.
Арктические проблемы от потепления климата.
Российские ученые бьют тревогу. Изменение климата планеты, которое отчетливо ощущается на Ямале, привело к непоправимым последствиям — в одних местах почва проваливается из-под ног, в других, наоборот, землю вспучивает. На полуострове каждый год обнаруживаются новые гигантские воронки от взрывов газа, освободившегося из вечной мерзлоты. Счет еще не разорвавшимся газовым бомбам идет на тысячи. Уже сегодня под ударом оказались инфраструктурные объекты и нефтегазовые артерии, пронизывающие регион.
Специалисты Научного цента криосферы Земли Тюменского научного центра СО РАН изучали процессы таяния вечной мерзлоты на Ямале. Экспедицию возглавляли доктор геолого-минералогических наук Марина Лейбман и кандидат геолого-минералогических наук Артем Хомутов.
Исследования природы показали, что воронки продолжают расширяться. Это связано с таянием грунта, который в заледеневшем состоянии удерживает газ. Первые воронки начали появляться в жаркое лето 2014 и 2016 годов. Но в этом году таяние продолжилось, несмотря на менее высокие температуры в теплое время года.
Ученые говорят, что мало разбираются в воронках, чтобы давать прогнозы. На Ямале сейчас пытаются найти и восстановить данные исследований советского времени, что даст более понятную картину происходящих процессов, рассказал «URA.RU» директор департамента науки ЯНАО Алексей Титовский.
По его словам, происходящие криогенные процессы могут в корне изменить подход к освоению не только Ямала, но и во всей Арктики. «Криогенные процессы могут представлять определенную опасность. Поскольку у нас здесь и магистральные газопроводы, и промышленные инфраструктурные объекты», — отмечает Титовский.
За последние три года после обнаружения первой знаменитой ямальской воронки было найдено около семи тысяч бугров со вспученной землей, которые в будущем могут взорваться.
«Каждый бугор пучения представляет из себя опасность. В ряде мест они буквально подпирают нефтегазовые трубопроводы.
Кое-где мы даже видим, что они приподнимают трубопроводы», — отметил заместитель директора Института проблем нефти и газа РАН Василий Богоявленский.
Пока ученые научились визуально определять потенциально опасные бугры. Цель дальнейших исследований — понять, где и когда может произойти очередной выброс газа и какова может быть его сила. После этого можно будет думать, как этот взрыв предотвратить, будет ли он нести опасность для населения, промышленных и инфраструктурных объектов.
«Не надо забывать, что в тундре живет большое количество людей, которые каслают [кочуют со стадами оленей], там находятся фактории и поселки, месторождения, вблизи которых эти воронки могут представлять опасность», — отмечает Титовский.[3].
На наш взгляд в этой статье события сильно драматизированы. Да, идет таяние термокаста. Да, просаживаются дороги и трассы коммуникаций. Но не следует чрезвычайно драматизировать роль бугров пучения в этом процессе. О буграх пучения мы поговорим ниже. Давайте рассмотрим процесс появления газогидратных выбросов, который представили в своей работе Азарова Дарья и Вознюк Дарья в 2015 году.[4].
Как и почему образуются газовые каверзы в теле криолитозоны в условиях Ямала.
Изучая природно-климатические события, происходившие на территории нашего района в 17 веке, мы обнаружили, что тогда были отмечены две волны глобального похолодания климата: 1600-1605 гг. и 1640-1645 гг. [5] А перед этим, на Ямале были весьма благоприятные времена, когда росли леса, где в большом количестве водились пушные звери. Это обстоятельство наводит на мысль о том, что периодические колебания климата являются основной причиной образования, выхода на поверхность и выброса газогидратных образований на нашей территории. Нам известно, что в периоды потепления климата поверхностная вечная мерзлота в районе Салехарда оттаивала до 6 метров [2]. Глобальное потепление или похолодание это колоссальные климатические воздействия, которые приводят значительным механическим изменениям всего верхнего слоя криолитозоны. Поэтому, мы предлагаем свою версию образования газогидратных каверз в теле вечной мерзлоты [4]. Нашу гипотезу удобно представить в виде не стадий формирования, развития, критического насыщения и выхода.
Стадия 1.
Под действием длительного глобального потепления верхний слой криолитозоны может оттаять до значительных величин. Произойдет просадка грунта и разрыв ослабшего термокарста в самом нижнем слое толщи криолитозоны. В образовавшуюся расселину может прорваться легкие углеводородные соединения в жидком виде.
С тадия 2.
Прорвавшиеся в расселину легкие жидкие углеводороды не в состоянии пробить всю толщу оставшейся криолитозоны. Они скапливаются, образуя своеобразный пузырь.
Стадия 3.
На смену глобального потепления приходит резкое похолодание климата на планете.
Криолитозона под воздействием значительных и продолжительных отрицательных температур полностью восстанавливается. В это время происходит пучение верхних слоев и восстановление всей толщи криолитозоны.
Газовая каверза сжимается, приобретая еще большее внутреннее давление, и, буквально, движется в теле вечной мерзлоты, ожидая очередного сезона глобального потепления на планете.
Стадия 4.
Многократные (вероятно цикличные) изменения климата заставляют газовую каверзу сжиматься и деформироваться (на что указывают боковые пазухи), нагнетая в ней еще большее внутреннее давление. В моменты резкого похолодания происходит пучение термокарста и разлом в его средних и верхних слоях, по которым газовая каверза движется вверх. Так продолжается, до тех пор, пока каверза не достигнет самых верхних слоев вечной мерзлоты и при очередном потеплении буквально прорвет ослабший, в механическом плане, слой темокарста. Этот процесс весьма характерен для явных мест геологических разломов (Антипаютинская воронка, разлом поверхности на берегу ручья [7]) или явных горизонтальных понижениях криолитозоны на дне озер (на что указывает В. Богоявленский [1]). Давайте пронаблюдаем, во что превратилась огромная «Бованенковская» воронка на полуострове Ямал, за которой очень плотно наблюдают ученые Сибири.
Что стало с огромной воронкой на полуострове Ямал.
Огромная «Бованенковская» воронка на полуострове Ямал в июне 2014 года представляла собой цилиндрическое углубление, которая стало песчаным заполняться обвалом стен и дождевой водой.
Зимой 2014-2015 годов её досконально исследовали ученые.
Летом 2015 года воронка превратилась в почти заполненное озеро.
В лето 2016 года это геологическое «сооружение» стало напоминать собой вполне законченное термокарстовое озеро.
Ну а теперь, мы попробуем спрогнозировать то, что произойдет с подобным озером в далеком будущем.
Цель и задачи исследования
Основная цель исследования – изучить дальнейшее поведение образовавшихся воронок на территории Ямала.
Задачи исследования
Смоделировать процесс заполнения образовавшихся пустот и определить дальнейшее поведение, прошедших геологических событий в будущем.
Исследовать возможность повторных газовых выбросов.
Сделать выводы по проведённым экспериментальным исследованиям.
Экспериментальное моделирование
Для проведения эксперимента мы взяли обычный песчаный грунт с плоского прибрежного бугра в районе речного порта поселка Тазовский ЯНАО. В увлаженный грунт уложили 3 шарика, имитирующих газогидратную каверзу. Собранную установку в пластмассовом тазике заморозили в натуральных условиях при -25°С. После заморозки мы дали грунту оттаять и прокололи шары. В освободившиеся полости залили воду и вновь поставили на заморозку.
После заморозки мы не увидели, каких либо значительных объемов пучения, как на поверхности залитой водой и застывших пустот, так и на поверхности застывшего грунта. Но это только начало процесс формирования бугра пучения.
Процесс образования бугров пучения (байдараки, байдарахи, байдараджи и т.д.) по нашему предположению напрямую связан с прошедшими в далеком прошлом газовыми выбросами. В течение нескольких сотен (возможно тысяч) лет, климат в Арктической зоне постоянно меняется от относительно теплого до резко континентального. Образование и формирование бугров пучения на месте «отработанных газовых выбросов» происходило как раз в холодные времена несколькими стадиями своего развития.
На застывшую водную гладь переносился песок, образуется слой грунта, на котором поселяются мхи и лишайники, а затем трава и кустарники.
Со временем на внешней поверхности льда образуется наледи от стекания оттаявших осадков. Эти наледи увеличивают пучение льда постепенно, превращая бывшую плоскую ледовую поверхность в возвышение. На этом возвышении сохраняется как грунтовый слой, так и растительность.
Чередование теплых и холодных периодов климата приводит к окончательному образованию бугра пучения. Причем в холодный резко-континентальный климатический период холмы пучения интенсивно нарастают по своей высоте, и, наоборот, в теплый период таят и деградируют.
Опасны ли холмы пучения.
В последних рассуждения из интернета, по поводу газовых выбросов, интенсивно обсуждается тема о том, холмы пучения (байдараки, байдарахи, байдараджи и т.д.) являются редтечей будущих газовых выбросов и представляют собой колоссальную опасность. На самом деле это не так. По мнению профессора Ткачева Б.П. (Югорский ГУ г. Хаты-Мансийск) холмы пучения это как раз результат давнишних выбросов. Эти холмы образовались на огромной ледяной глыбе, их стремительное таяние лишь тому подтверждение. Холм пучения около поселка Тазовкий ЯНАО. С 2000 года «просел» на 4,3 метра. По данным Тазовской геологической экспедиции его высота составляла 12,6 м от уровня озера. В 2016 году она составила 8,3 м. С 2012 года он опускается на 20…25 см в год.
Несколько фото из интернета лишь подтверждает ледяную версию происхождения холмов пучения.
Какова опасность появления новых газовых выбросов?
Прогнозировать подобные события дело не благодарное. Но все же попробуем разобраться и ответить на следующие вопросы:
Где могут появиться новые газовые выбросы?
Когда могут появиться новые воронки?
Как обезопасить газоконденсатные месторождения, жилые и хозяйственные постройки и коммуникации от этого явления?
Анализ ландшафтного расположения известных воронок показывает, что газовые выбросы следует ожидать, в основном, на равнинных низменных участках. На это указывают спутниковые фотографии озер, на дне которых обнаружены многочисленные круглые углубления, свидетельство состоявшихся выбросов [1]. Воронка №1 на Бованенковском месторождении появилась в озере. Её удалось зафиксировать только по наличию грунта выброшенного на берег.
Некоторое исключение составляет Антипаютинская воронка, расположенная в бугристой зоне в нескольких километрах от Тазовской губы, но, опять таки, в низине, на берегу ручья.
Обе Баваненковские воронки и Антипаютинская воронка имеют одну и ту же природу происхождения, но несколько отличаются по своей потенциальной мощности (диаметры воронок одной 25 другой 15 метров). Все разорвавшиеся воронки по своему расположению в теле вечной мерзлоты представляли собой некий критический заряд, сработавший при определенных условиях разрушающейся вечной мерзлоты под воздействием глобального потепления. При дальнейшем таянии верхнего слоя вечной мерзлоты следует ожидать новые выбросы, которые будут отличаться по своей мощности и глубине залегания.
Что касается безопасности строений, промышленных установок и коммуникаций, то их следует возводить на возвышенных участках, избегая явных проявлений геологических разломов.
Выводы
В результате моделирования собственной версии образования буров пучения в теле вечной мерзлоты удалось установить следящее:
Образование и формирование бугров пучения на месте «отработанных газовых выбросов» происходило как раз в холодные времена. На застывшую водную гладь переносится песок, образуется слой грунта, на котором поселяются мхи и лишайники, а затем трава и кустарники.
Со временем на внешней поверхности льда образуется наледи от стекания оттаявших осадков. Эти наледи увеличивают пучение льда постепенно, превращая бывшую воронку в возвышение. На этом возвышении сохраняется как грунтовый слой, так и растительность.
Чередование теплых и холодных периодов климата приводит к окончательному образованию бугра пучения. Причем в холодный резко-континентальный климатический период холмы пучения интенсивно нарастают по своей высоте, и, наоборот, в теплый период таят и деградируют.
Натуральные наблюдения за буграми пучения около поселка Тазовский с 1999 года указывает на то, что бугры бучения интенсивно деградируют под напором потепления и не являются источниками повышенной опасности. По нашему мнению большинство бугров пучения – это новое состояние все тех, же воронок прорвавших грунт в далеком прошлом.
Анализ возможностей появления новых газовых выбросов показал:
Новые газовые выбросы следует ожидать в основном на равнинных низменных участках.
Жилые и промышленные постройки, промышленные установоки и коммуникации следует строить на возвышенных участках, избегая явных проявлений геологических разломов.
Источники и литература
Богоявленский В.И. Угроза катастрофических выбросов газа из криолитозоны Арктики. Воронки Ямала и Таймыра // Бурение и нефть. 2014. №9. С. 13 – 18.
Брыксина Н. А. Диссертация: «НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ДИНАМИКИ ТЕРМОКАРСТОВЫХ ЛАНДШАФТОВ ЗАПАДНО-СИБИРСКОЙ РАВНИНЫ». Томск. 2011г.
Вячеслав Егоров. На Ямале ждут 7000 подземных взрывов. Служба новостей URA.RU
Вознюк Д., Азарова Д. Тайна ямальских газовых выбросов. Альманах «Молодые интеллектуалы России. СПб 2016 г. www.mir-edu.ru
Э. Ле Руа Ладюри./«История климата с 1000 года».//Гидрометеоиздат. 1971. – С. 270.
www.yamalpro.ru Антипаютинская воронка.