Рис. 1. Расположение воронок Ямала и Таймыра на космоснимке [Bing, Microsoft] (положение воронок В3 и В4 показано примерно)
Что показала «разведка архивов»
Для повышения уровня изученности природных явлений и картирования зон распространения потенциально опасных природных объектов на шельфе России и в Мировом океане, представляющих проблемы для освоения ресурсов нефти и газа, в ИПНГ РАН в содружестве с рядом производственных предприятий проводятся комплексные научно-аналитические исследования геолого-геофизических материалов, накопленных в результате более чем 30-летнего периода морских геологоразведочных работ («разведка архивов») [1 – 7]. В результате данных исследований создается отечественная геоинформационная система о распространении различных природных феноменов (грязевые вулканы, стратовулканы, сипы нефти и газа, газогидраты и др.), которым уделяется большое внимание при решении научных и производственных задач за рубежом [8]. Большинство рассматриваемых природных явлений имеет прямую или косвенную связь. В связи с этим необходимо их комплексное изучение с выявлением причинно-следственных связей. В частности, извержения грязевых вулканов связаны с аномально высокими пластовыми давлениями (АВПД) и повышенным содержанием газов, которые обычно выходят на поверхность вместе с грязевыми потоками, нередко самовоспламеняясь и взрываясь. Воспламенения и взрывы наблюдались на вулканах в Азербайджане (Гил в 1895 г., Гарасу в 1923 и 1977 гг., Харе-Зиря в 1940 г., Локбатан в 2012 г. и др.); Тамани (Карабетова гора в 1853, 1927 и 1947 гг., Шуго в 1903 г.); в Азовском море (Голубицкий в 1799 и 1924 гг.) и многих других регионах (Е.Ф. Шнюков, Ад.А. Алиев и др.). При этом высота факелов нередко достигала 100 – 500 м. Во время сильного землетрясения в Крыму 11 – 12 сентября 1927 г. (9 баллов) с эпицентром к югу от Ялты в море наблюдались «кипение воды» (видимо, выход газа) и ряд вспышек и взрывов газа. По словам очевидцев, высота пламени была около 500 м, а ширина – до 1,8 – 2,7 км [9]. Извержения вулканов всех типов провоцируются землетрясениями, но и сами порождают землетрясения.
Крупные провалы земной поверхности известны в ряде районов России и мира, при этом многие из них имеют природный и природно-техногенный генезис (например, карстовые воронки), а некоторые являются техногенными, обусловленными прямым вмешательством человека в природную среду. В 1986 – 2013 гг. в городе Березники Пермского края образовалось несколько провалов на местах шахтной разработки месторождения калийных солей, сопровождавшихся значительными землетрясениями. Размер первого и самого крупного из них, превратившегося в озеро, превысил 400х300 м. Размер провала в районе железнодорожной станции Березники достиг в плане 123х70 м, а его глубина – 98 м. Причина перечисленных выше техногенных провалов понятна и очевидна. Но что же явилось причиной формирования воронок на Ямале – еще предстоит исследовать. Будут ли здесь образовываться новые воронки и какую угрозу они несут?
Только факты
Практически сразу после появления первой информации о воронке к ее изучению подключился недавно открытый в Салехарде «Российский центр освоения Арктики» (РЦОА) – некоммерческое партнерство, созданное в 2014 г. по распоряжению Президента РФ рядом научных учреждений, включая Институт криолитосферы Земли Сибирского отделения РАН (ИКЗ СО РАН) и Институт проблем нефти и газа РАН (ИПНГ РАН). Первые исследования на месте воронки были проведены специалистами РЦОА и М.О. Лейбман из ИКЗ СО РАН. Выяснилось, что воронка имеет форму близкую к окружности с внешним и внутренним диаметрами около 60 и 40 м, глубину – свыше 50 м. Вокруг воронки наблюдается бруствер из породы, выброшенной на расстояние до 120 м от ее края (рис. 2). Радиационная обстановка вблизи воронки в норме, а содержание метана немного превышает фоновое.
Рис. 2. Гигантская воронка на полуострове Ямал. Вид с вертолета [Правительство ЯНАО]
Этим летом наблюдается активное таяние замороженных стенок воронок (на рис. 2 видны потоки воды), при этом происходят их постепенный размыв и обрушение. За счет притока воды размер озер на дне воронок будет увеличиваться и в недалеком будущем найденные воронки будут целиком заполнены водой, что приведет к появлению новых озер в дополнение ко многим тысячам уже существующих на Ямале.
Газ, заполняющий коллекторы в верхней части разреза (ВЧР – первые сотни метров) или термокарстовую полость, может быть сингенетичным биохимическим (микробиальным) и катагенетическим, мигрировавшим из более глубоких отложений, например, из меловых и юрских. Последнее возможно в районах глубинных разломов, сквозных таликов и вблизи скважин, в которых нередко существуют заколонные перетоки с формированием техногенных залежей [13]. Также может быть, что залежь газа образовалась в результате диссоциации (распада) залежей газогидрата в криолитозоне (в том числе «законсервировавшихся» [14]) из-за изменения термобарических условий.
Огрехи газовиков и нефтяников? Видимо Нет!
Анализ имеющейся у нас достаточно полной базы координат нефтегазопоисковых скважин показал, что в районе первых двух выявленных воронок (рис. 1 – В1 и В2) бурение глубоких скважин не проводилось. Однако возможно, что были неглубокие (10 – 100 м), инженерно-геологические и структурные скважины, координаты которых у нас отсутствуют. Количество этих скважин в районе Бованенковского НГКМ, видимо, превышает 3 тысячи, при этом не менее чем в 260 скважинах были вскрыты пластовые льды средней мощностью 8 м при максимальной – 28,5 м [15]. Латеральные размеры погребенных массивов (залежей) льда меняются от десятков и сотен метров до первых километров, площадь нередко превышает 10 км2, а объем может быть больше 4 млн м3 [15]. В 1995 – 1996 гг. здесь были успешно проведены испытания, направленные на создание подземных хранилищ углеводородов в толще многолетнемерзлых пород (ММП). При этом формировались подземные камеры путем закачивания пара через специальную технологическую скважину для вытапливания льда [16]. Однако предварительный анализ техногенного влияния на образование воронок Ямала (В1 и В2) показал его малую вероятность, так как вблизи них отсутствуют следы деятельности человека (например, колея от движения техники, газопровод и др.).О способности газа выбрасывать большие объемы горных пород свидетельствуют многочисленные аварийные выбросы газа и угля в шахтах, самый крупный из которых (около 600 тыс. м3 метана и 14 тыс. тонн угля) произошел в 1968 г. в Донбассе на шахте им. Ю.А. Гагарина (Горная энциклопедия, 1984). Однако среднестатистические выбросы в угольных шахтах более скромные – до 10 – 15 тыс. м3 метана и до 500 тонн угля. Другим примером служит «Патомский кратер» высотой около 40 м на северо-востоке Иркутской области, сложенный в основном грубообломочными известняками протерозойского возраста. Отсутствие на поверхности специфических грязевых потоков позволили его охарактеризовать как «газолитокластитовый вулкан» [17].
По данным сейсмоакустических исследований на сопредельных к юго-западной части Ямала площадях в Байдарацкой губе, проведенных ООО «Питер Газ» при строительстве подводной части магистрального газопровода, широко распространены газосодержащие песчаные грунты, кровля которых залегает под слоем глинистых осадков голоцена на глубинах от 2 до 22 м. При бурении многих скважин ОАО «Газпром» на Бованенковском месторождении (скважины №№51, 54, 58, 64, 65 и др.) из слоя вечной мерзлоты выделялся газ в объемах до 10 – 14 тыс. м3/сут [14]. Наиболее газосодержащим являлся интервал 20 – 90 м, а максимальные газопроявления были на глубине 60 – 70 м в четвертичных отложениях ямальской серии (суглинки, супеси, прослои песков). При этом изотопный состав углерода метана (?13С) обычно менялся в диапазоне от –70,3 до –74,6‰, значительно отличаясь от сеноманского газа Бованенковского и других соседних месторождений (?13С от –46 до –56‰) [14, 18, 19].
Температура?
Для объяснения природы происхождения и местоположения обнаруженных воронок несомненный интерес представляет анализ региональных и локальных особенностей термобарических условий. Отметим, что Южно-Карский регион является одним из наиболее удачных для проведения термобарических исследований в связи с большим объемом данных бурения глубоких скважин, расположенных на полуостровах Ямал и Гыдан, далеко врезающихся в акваторию Карского моря (рис. 1).При подготовке массивов данных о пластовых температурах большое внимание уделялось проверке и коррекции входной информации, учитывалось влияние толщи многолетнемерзлых пород (ММП), мощность которой в пределах изучаемого региона изменяется от 0 до 450 м (в районе Бованенково до 200 м). Особое внимание уделялось определению глубины нулевой температуры. Все значения температур проходили контроль на степень их достоверности, осуществляемый в процессе анализа условий их замера и сопоставления с основными трендами поведения статистических зависимостей в пределах скважины, площади (месторождения) и группы близко расположенных площадей.
По программам Президиума РАН в 2009 – 2010 гг. нами проводилось трехмерное математическое моделирование термобарических условий в Южно-Карском регионе в пакете Tigress компании Geotrace (В.И. Богоявленский и др., 2009 – 2010) [1, 2, 20]. При этом были загружены данные пластовых температур, полученных в скважинах более чем 60 месторождений и площадей материковой суши, островов Свердруп и Белый, акватории Обской и Тазовской губ и Карского моря (Русановское и Ленинградское месторождения) (рис. 3).
Рис. 3. Южно-Карский регион. Графики пластовых температур и давлений
Рис. 4. Кровля газоносных отложений сеномана для района Бованенковского, Крузенштернского и Харасавэйского месторождений
Из локальных особенностей результатов проведенного моделирования в первую очередь выделим четыре наиболее сильные позитивные аномалии пластовых температур в районах Харасавэй-Крузенштернское, Нерстинско-Нейтинское, Новопортовско-Каменномысское и Уренгой-Медвежье. Наличие этих аномалий объясняется нами главным образом подтоком глубинных флюидов по системам субвертикальных трещин и разломов, доходящих в ряде случаев практически до поверхности земли. Кроме того, возможен и подток флюидов в субгоризонтальном направлении со стороны Урала в северо-восточном направлении. Самые высокие температуры на глубинах 750 – 1500 м выявлены на Нерстинско-Нейтинской площади (рис. 3, 5), при этом необходимо отметить ограниченный объем точечных замеров температур на Нерстинской и Байдарацкой площадях. Здесь на глубине -1000 м температуры достигают 41 – 45 °С, что значительно выше, чем на Бованенковской площади (30 – 36 °С). Образование в данном районе сильной аномальной зоны, прослеживаемой до максимальной глубины моделирования (-4500 м), обосновывается рядом фактов, изложенных ниже.
При постоянном подтоке глубинного газа в сеноманскую залежь Нейтинского месторождения она по объему газа намного меньше, чем на соседних месторождениях, что объяснимо возможной утечкой газа по выявленным системам разломов на поверхность. Именно на Нейтинско-Нерстинской площади существует разлом (показан на рис. 5 красным цветом) – единственный на Ямале, отмеченный на Геологической карте России и прилегающих акваторий (МПР, 2008). Свидетельством подтока глубинных газов до залежи сеномана Нейтинского месторождения является наличие экстремально тяжелого изотопного состава углерода метана ?13С –38,8‰ [18, 19, 21] более характерного в Ямал-Гыданском регионе для комплексов юры и нижней части мела. Газы сеномана соседних площадей характеризуются другими значениями ?13С: –47,6‰ для Бованенковского месторождения, от –53,2 до –56,5‰ для Арктического, Харасавэйского и Крузенштернского месторождений [18, 19]. В практически ненарушенном разломами Малыгинском месторождении газ сеномана имеет ?13С 65,36‰ [18, 19].
Рис. 5. Южно-Карский регион. Карта современных температур на уровне – 1000 м
В значительной части Баренцева и Карского морей ММП оттаяли или находятся в стадии деградации. На дне многих площадей, включая Штокмановское ГКМ и свод Федынского, выявлены многочисленные впадины-воронки, называемые в зарубежной научной литературе покмарками (pockmarks). Наиболее крупные депрессии превышают 1 км в диаметре и 30 м в глубину. По нашему мнению, образование покмарок таких размеров наиболее вероятно за счет проседания донных отложений при диссоциации газогидратов или термокарстовых процессах с протаиванием придонных массивов палеольда и гидролакколитов (pingo remnant).
В ряде случаев на профилях высокоразрешающей сейсморазведки (ВРС) наблюдаются подходящие к покмаркам субвертикальные разрывы сплошности сейсмических отражающих горизонтов, соответствующие каналам миграции газа – «газовым трубам» (gas pipes, chimneys). Кроме того, по данным ВРС, эхолотов и другого гидроакустического оборудования в водной толще нередко наблюдаются «газовые факелы» (сипы), что рассматривалось в ряде работ [3 – 7, 22 – 25]. По данным ВРС, практически на всех акваториях Арктики выделяются многочисленные неглубокие залежи газа («газовые карманы» – gas pockets) и зоны газонасыщенных осадков [3 – 7, 22, 25, 26], представляющие опасность для бурения и являющиеся своего рода минами замедленного действия. Активизации газовых факелов и выбросов (выхлопов) газа способствуют деградация ММП, являющихся хорошей покрышкой углеводородов, и землетрясения.
Землетрясения?
В настоящее время Геофизическая служба (ГС) РАН - основная российская организация, ведущая контроль сейсмических событий (землетрясения), имеет очень ограниченную сеть сейсмологических станций в Арктике и может надежно идентифицировать в Баренцево-Карском регионе землетрясения магнитудой свыше 3,5 – 3,9 (рис. 6 – красный цвет), что неприемлемо для обеспечения мониторинга сейсмической обстановки в районах размещения опасных объектов (нефтегазопромыслы и др.) [4, 5, 23, 27]. За счет этого создается ошибочное впечатление об асейсмичности данного региона и большей части Северного Ледовитого океана. При этом на полуострове Ямал и во всем ЯНАО сейсмические станции вообще отсутствуют.
Рис. 6. Землетрясения и геоморфологическая обстановка в Арктике
Выбросы газа
Многолетний опыт показал, что выбросы газа могут привести к серьезным повреждениям буровых установок, нефтегазовых промыслов и подводных трубопроводов. Известны случаи нахождения затонувших судов, лежащих на дне покмарок. В частности, BGS (Британская геологическая служба) обнаружила в Северном море на площади South Fladen в одной из крупных покмарок, названной ими Witch’s Hole (Отверстие ведьмы), затонувший траулер начала ХХ века. Одним из основных объяснений гибели судна является то, что оно затонуло в результате газирования воды (изменения ее плотности) при дегазации или разовом выходе (выхлопе) газа из покмарки. Возможно и противоположное объяснение – выхлоп газа и образование покмарки произошли под действием удара тонущего судна о дно. По теории вероятности оказаться свидетелем крупного природного выхлопа газа – большая редкость и удача, если событие не завершится трагедией, как это было с японским исследовательским судном Kaiyo-Maru №5 (Hydrographic Department of the Japanese Maritime Safety Agency), затонувшем при выбросе газа из подводного вулкана в 1953 г. (погиб весь экипаж – 31 человек). В 1981 г. в результате выброса газа и газирования воды при бурении скважины в Южно-Китайском море с судна Petromar-5 оно перевернулось и затонуло. В 1995 г. при разбуривании Pingo произошла подобная ситуация в Печорском море с буровым судном «Бавенит» ОАО АМИГЭ – к счастью, трагедии удалось избежать [4, 5, 22].В 1985 г. в Норвежском море в процессе бурения первой поисковой скважины полупогружной буровой установкой (ППБУ) «West Vanguard» на глубине воды 240 м на месторождении Mikkel произошел мощный выброс метанового газа из неглубокой (300 м) залежи в песчанике. Воспламенение газа повредило и вывело из строя ППБУ, при этом погиб член экипажа. Активное газовыделение продолжалось около двух месяцев. В результате этого нефтегазоконденсатная залежь месторождения Mikkel в юрских песчаниках на глубине около 2500 м была открыта только спустя два года, а ее разработка началась через 16 лет после открытия.
Другим примером является выброс азотного газа с образованием гигантского кратера – покмарки Figge-Maar в Северном море в 1963 г. при бурении на глубине воды 34 – 35 м с СПБУ «Mr. Louie» на площади German Bight. Впечатляют размеры образовавшейся покмарки: диаметр 400 м, глубина 31 м [28]. Последующие исследования покмарки Figge-Maar показали ее быстрое заполнение осадками – в 1981 и 1995 гг. глубины составляли 22 и 14 м. Это свидетельствует, что геологический возраст многих выявленных покмарок незначителен – до нескольких десятков или сотен лет.
Воронки ждут исследователей
Существование ММП привело к отсутствию возможности диссипации (рассеивания) газов и накапливанию огромных объемов газа в ВЧР, в том числе и в термокарстовых полостях. Давления накопившегося газа в ряде мест оказалось достаточно для разрушения покрывающей толщи ММП, при этом произошел выброс разрушенной части породы за счет действия пневматического или газовзрывного механизмов с образованием брустверов. Две воронки (В1 и В2) расположены в единой зоне максимального прогрева нижней части криолитозоны глубинными флюидами, что в дополнение к влиянию на ее кровлю глобального потепления ослабило прочностные свойства ММП, являющихся региональным экраном (покрышкой) для вертикальной миграции углеводородов.Воронки Ямала по своей сути подобны покмаркам, многие тысячи которых выявлены на акваториях Арктики и Мирового океана. 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. ИА «Север-Пресс» опубликовало информацию о том, что в третьей воронке (рис. 1 – В3) был взрыв 27 сентября 2013 г., за которым последовало землетрясение (http://sever-press.ru). Видимо, газовзрывной механизм сработал на месте четвертой воронки, названной в прессе «Воронка Таймыра» (рис. 1 – В4), о чем свидетельствуют огромные обломки ледогрунта около ее жерла и разлет небольших обломков на расстояние до 900 м.
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? Какие районы и при каких условиях являются наиболее опасными? На эти важные для безопасного функционирования северных городов и инфраструктуры нефтегазодобывающих комплексов вопросы можно ответить только проведя специальные геофизические исследования. При размещении нефтегазовых промыслов, трубопроводов и населенных пунктов в районах возможного образования воронок (покмарок) рекомендуется проведение перманентных сейсмологических исследований на локальном уровне с установкой не менее трех сейсмостанций. Кроме того, необходим мониторинг состояния криолитозоны с выявлением существующих и зарождающихся потенциально опасных объектов (булгунняхи pingo и др.) возможных мощных выбросов подземного газа (газовые карманы) с применением комплекса геофизических методов, включая ВРС и электроразведку.
