Тайны появления воронок на Ямале

На Ямале очень много озер. Я думаю, что появившаяся воронка позволяет нам после детального изучения понять и объяснить огромное количество озёр в тундровой зоне.

Если мы будем опережать появление этих воронок, то есть знать, где они уже готовы образоваться, то мы сможем использовать эти знания в газодобывающей отрасли.

При изучении этих озёр можно заметить, что они имеют разные площади, глубины, исходя из которых, можно сделать вывод, что они имеют разный возраст, хотя Западно-Сибирская низменность слабо подвергается эрозии.

Можно предположить, что это связано с процессами, происходящими внутри недр тундровой зоны.

Попытаемся связать появление озёр с этими воронками, которых так много на Ямале. Через эту связь понять внутренние процессы, протекающие под мерзлотным слоем тундры, где находятся большие залежи углеводородов.

Ключевыми моментами, связанным с появлением воронки, можно считать процессы, предшествующие возникновению условий этому. С точки зрения законов физики, попробуем объяснить, как газ самостоятельно может прорваться через двадцатиметровый мерзлотный слой, который по своим механическим свойствам почти не уступает горным породам, с которыми сталкиваются при буровых работах.

Большую ландшафтообразующую роль в тундре играет многолетняя мерзлота, встречающаяся то сплошь, то в виде изолированных массивов. Мощность её на севере сибирских тундр огромна – 400-500 м и более. Верхний деятельный слой почвы, оттаивающий летом, невелик и крайне различен по мощности в зависимости от географического положения, характера растительности и механического состава грунтов. На севере зоны почвогрунты оттаивают в среднем на глубину 40 см, на юге зоны – на глубину 60–70 см и более.

Многолетняя мерзлота накладывает свой отпечаток на внутренние воды зоны. Равнинная поверхность тундры усеяна множеством небольших и неглубоких озер, имеющих термокарстовое и ледниковое (мореное) происхождение. Реки питаются почти исключительно снеговыми и дождевыми водами. При незначительном испарении (50-100 мм) и близком залегании многолетней мерзлоты, служащей водоупором, сток летом большой, и реки в это время многоводны. По данным П. С. Кузина, тундра представляет собой зону максимального годового стока, достигающего величины 125-400 мм. Зимой единственный источник питания – грунтовые воды – скованы мерзлотой, поэтому даже крупные реки в сибирских тундрах не только сильно мелеют, но и нередко промерзают до дна. В долинах рек Сибири зимой обычны наледи. В промерзающих озёрных котловинах, иногда среди мелководных озер возникают гидролакколиты – многолетние бугры вспучивания с ледяными ядрами. Высота их достигает 30-40 м, поперечник основания – 200 м. Гидролакколиты образуются и результате деятельности напорных грунтовых вод и представляют собой своеобразные подземные наледи.

Тундра, особенно её северные районы, представляет зону наиболее активного проявления термокарста. Вместе с тем она оказывается и зоной очень широкого распространения полигональных грунтов. Мелкополигональные, или структурные, грунты с полигонами в поперечнике до 1 м, редко больше, очерчены морозобойными трещинами и трещинами усыхания. Полигоны встречаются и в других ионах. Крупные полигоны, или тетрагоны, могут достигать в поперечнике десятков метров; глубокие морозобойные трещины, разделяющие тетрагоны, раздвигаются за счёт ледяных клиньев.

Местами крутые склоны в тундре, сложенные рыхлыми породами, оказываются изрезанными оврагами. По склонам долины Воркуты у г. Воркуты длина оврагов достигает 1 км при глубине от 10 до 30 м. Замечено, что они лучше развиваются в песках и супесях, чем в глинах. В глинах даже летом обычно вблизи от поверхности начинается слой многолетней мерзлоты, препятствующей образованию оврагов. Появлению их способствуют морозобойные трещины, разорванность растительного покрова и деятельность человека вблизи населенных пунктов. Важную роль в их формировании играют процессы солифлюкции. В целом, однако, овражная эрозия, как и ветровая, нетипична для тундрового ландшафта [1].

Природные газовые гидраты представляют собой метастабильный минерал, образование и разложение которого зависит от температуры, давления, химического состава газа и воды, свойств пористой среды и др. [2].

Морфология газогидратов весьма разнообразна. В настоящее время выделяют три основных типа кристаллов:

Массивные кристаллы. Формируются за счёт сорбции газа и воды на всей поверхности непрерывно растущего кристалла.
Вискерные кристаллы. Возникают при туннельной сорбции молекул к основанию растущего кристалла.
Гель-кристаллы. Образуются в объёме воды из растворённого в ней газа при достижении условий гидратообразования [3].

В пластах горных пород гидраты могут быть, как распределены в виде микроскопических включений, так и образовывать крупные частицы, вплоть до протяжённых пластов многометровой толщины.

Благодаря своей клатратной структуре единичный объём газового гидрата может содержать до 160—180 объёмов чистого газа. Плотность гидрата ниже плотности воды и льда (для гидрата метана около 900 кг/м³) [4].

При повышении температуры и уменьшении давления гидрат разлагается на газ и воду с поглощением большого количества теплоты. Разложение гидрата в замкнутом объёме либо в пористой среде (естественные условия) приводит к значительному повышению давления.

Кристаллогидраты обладают высоким электрическим сопротивлением, хорошо проводят звук, и практически непроницаемы для свободных молекул воды и газа. Для них характерна аномально низкая теплопроводность (для гидрата метана при 273 К в пять раз ниже, чем у льда) [5].

Большинство природных газов (CH4, C2H6, C3H8, CO2, N2, H2S, изобутан и т. п.) образуют гидраты, которые существуют при определённых термобарических условиях. Область их существования приурочена к морским донным осадкам и к областям многолетнемёрзлых пород. Преобладающими природными газовыми гидратами являются гидраты метана и диоксида углерода.

Было много версий о том, как образовалась данная воронка, одни считали, что провал мог образоваться из-за падения метеорита, но свидетелей падения небесного тела так и не нашлось, также не присутствовал радиационный фон.

Согласно ещё одной версии, причина дыры – техногенная катастрофа, которая стала следствием добычи природного газа. Но в этом случае такой провал должен был бы образоваться ближе к газовому месторождению, однако на деле кратер находится на удалении в тридцать километров от него. К тому же, никаких следов антропогенного воздействия возле провала так и не было обнаружено.

На сегодняшний день многие ученые склонны считать, что причиной образования ямальского кратера стал подземный взрыв метана, а его причиной послужило глобальное потепление, которое в районах вечной мерзлоты за последние годы в значительной мере активизировало климатические и геологические процессы. Эту версию сразу можно отвергнуть, так как газ взрывается только в смеси с кислородом, при строго определенной концентрации.

Но я хотел бы предоставить свою версию:

Из-за теплового фактора (повышение температуры на Земле, парниковый эффект), внутреннего (изменения внутри земли, термальные источники тепла), человеческого (искусственные воздействия, взрывы внутри земли, ядерные подземные взрывы в мирных целях) газы начинают освобождаться из гидратов. Можно предположить, что газы освобождаются, а затем начинают собираться в небольшие полости. Затем через несколько десятков лет они объединяются в более крупные полости под землей. И уже в конце они объединяются в одну крупную полость, под большим давлением они (газы) начинают искать выход наружу. Между этой полостью и поверхностью земли находится вечная мерзлота. И вот эти газ начинают искать «лазейку». Когда они поднимаются вверх, то между полостью, из которой они выходят и мерзлотой находится пустота. И вот эти огромные тонны газа начинают в нее входить. Таким образом, у нас происходит кумулятивный эффект. Под огромным давлением и скоростью газ вымывает слой мерзлоты, подобно струе воды, вымывающей лед.

Ссылки на такую версию в литературе не встречаются. По нашему убеждению, это может быть наиболее правильным объяснением данного явления.

А теперь рассмотрим принцип действия кумулятивной струи в военных боезарядах.

Термин "кумуляция" происходит от латинского cumulato – "скопление" или cumulo – "накапливаю" и дословно означает увеличение или усиление какого-либо эффекта за счет сложения или накопления нескольких однородных с ним эффектов. Эффект концентрации энергии в определенном направлении или в определенном месте и является кумуляцией. Если при обычном взрыве энергия "разбрасывается" во все стороны, то при кумулятивном она "собирается" в некотором направлении....

Кумулятивный эффект есть существенное повышение местного действия взрыва в одном направлении. Этот эффект получается при использовании зарядов, имеющих на одном из концов полость – кумулятивную выемку. Если такой заряд инициировать с противоположного конца, то эффект действия в направлении оси выемки оказывается значительно большим, чем при действии обычных зарядов. Если же к тому же поверхность кумулятивной выемки покрыть сравнительно тонкой металлической облицовкой, то пробивное действие такого заряда во много раз увеличится".

Если заряд имеет кумулятивную выемку без металлической облицовки, то кумулятивный эффект, т.е. пробивание, происходит либо если заряд установлен вплотную к пробиваемой поверхности, либо на очень незначительном расстоянии. А вот если облицовка имеется, то пробивная способность резко взрастает при расположении заряда на некотором расстоянии и растет по мере увеличения расстояния от заряда до объекта.

По данным на сегодняшний день глубина кратера колеблется от 50 до 70 метров, на дне провала находится ледяное озеро. Кратер заполнен льдом приблизительно на 80%. По его стенкам стекают потоки воды, разрушающие вечную мерзлоту. Ранее, ориентируясь на аэрофотосъёмку, учёные предполагали, что ширина кратера под землёй составляет от 50 до 100 метров. Но на самом деле она оказалась меньше – около 30 метров. Диаметр же кратера с учётом эмиссии почвы, так называемого парапета, достигает 60 метров. Его форма больше похожа на овал, чем на круг, и это затрудняет измерение его точного диаметра. По этим данным можно оценить объём воронки. Он составляет 44000м3 . Это впечатляет. Это примерно 15 железнодорожных составов.

При встрече кумулятивной струи с преградой на границе возникает очень высокое давление, в 10-100 раз превосходящее предел прочности материала преграды. В результате возникающего давления струя начинает вести себя подобно воде, ударившей в ледяную стенку, т.е., материал струи растекается в обратном направлении. В результате струя приобретает свойства квазижидкости.
Материал преграды также "вымывается" из зоны высокого давления, причём часть материала выносится вместе с кумулятивной струей к свободной поверхности (т.е. назад, а другая часть, за счёт пластического деформирования, перемещается в радиальном направлении. Таким образом, образуется углубление (кратер), глубина которого увеличивается, пока не будет израсходована вся энергия кумулятивной струи. Образно говоря, это напоминает проплавление льда струей воды.

Однако следует рассмотреть и терагерцовые излучения.

Тераге́рцевое (или терагерцо́вое, также ТГц) излучение – вид электромагнитного излучения, спектр частот которого расположен между инфракрасным и сверхвысокочастотным диапазонами. Границы между этими видами излучения в разных источниках определяются по-разному. Максимальный допустимый диапазон ТГц частот 1011–1013 Гц, диапазон длин волн 3–0,03 мм соответственно. Такие волны ещё называются субмиллиметровыми, если длина волны попадает в диапазон 1–0,1 мм. Диапазон терагерцовых излучений был изучен профессором Московского государственного университета Александрой Андреевной Глагольевой-Аркадьевой (28. 02.1884 – 30.10.1945).

ТГц излучение – не ионизирующее, легко проходит сквозь большинство диэлектриков, но сильно поглощается проводящими материалами и некоторыми диэлектриками. Например, дерево, пластик, керамика для него прозрачны, а металл и вода нет.

Наука и техника ТГц (субмм) волн начала активно развиваться с 60—70-х годов XX века, когда стали доступны первые источники и приёмники такого излучения. Сейчас это бурно развивающееся направление, имеющее большие перспективы в разных отраслях народного хозяйства.

Из материалов академика Хохлова Д.Р. можно сделать вывод о том, что тяжелые молекулы углеводородов способны излучать терагерцовые электромагнитные волны. Так как молекулы находятся в конденсированном состоянии, значит, они оседают на внутренней поверхности полости, что позволяет оценить при сканировании размеры этих полостей. Углеводороды являются пассивными излучателями, то есть для их обнаружения требуются терагерцовые приемники.

Исходя из анализа фотографий и теоретического обоснования, можно заключить следующее:

- не было провала грунта;

- не было взрыва;

- под мерзлотой должна была находиться полость высокого давления, которая инициировала кумулятивную струю;

- частота появления этих воронок не имеет широкой статистики, значит, можно предположить, что появление воронок носит вероятностный характер;

-из результатов расчёта объема воронки можно оценить мощность этого выброса (пока не выбрана методика расчёта);

-объём грунта, который лежит на поверхности воронки в сотни раз меньше, чем объём воронки. Это говорит о том, что не было выброса грунта, а он просто вымывался;

- грунт, который вымывался, за счёт образовавшегося вакуума, всасывался в полость;

-из анализа работы академика Д. Р. Хохлова можно сделать вывод, что эти «пузыри» можно сканировать в терагерцовых диапазонах, что позволит находить их.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Мильков Ф.Н. Природные зоны СССР / Ф.Н. Мильков. - М. : Мысль, 1977. – 296 с.
С.Ш.Бык, В.И.Фомина. Газовые гидраты. Успехи химии, 1968, Том 37, № 6, Ст. 1097-1135.
Российская газовая энциклопедия. Москва. Научное издательство «Большая Российская энциклопедия», 2004. – С. 81-85.
Истомин В. А., Якушев В. С., Махонина Н. А., Квон В. Г., Чувилин Е. М. Эффект самоконсервации газовых гидратов – Газовая промышленность, спецвыпуск «Газовые гидраты», 2006. – С. 36-46.
Истомин В. А., Нестеров А. Н., Чувилин Е. М., Квон В. Г., Решетников А.М. Разложение гидратов различных газов при температурах ниже 273 К. «Газохимия», № 3 (2), сентябрь-октябрь 2008. – М.: ЗАО «Метапроцесс». – С. 30-44.
Громовых С. А. Исследование и разработка технологий строительства скважин в условиях гидратообразования (на примере месторождений Красноярского края). Автореферат диссертации на соискание учёной степени канд. техн. наук. Тюмень, 2005. – С. 21.
W. Wang, C. Bray, D. Adams, A. Cooper, Methane storage in dry water gas hydrates, J. Am. Chem. Soc. (2008), v. 130, pp 11608 – 11609.
Дж. Кэрролл. Гидраты природного газа /Пер. с англ. - М.: Издательство «Технопресс», 2007. – 316 с.,
Андреев С. Г., Бабкин А. В., Баум Ф. А. и др. Глава 17. Кумуляция // Физика взрыва/ Под редакцией Л. П. Орленко. – Издание 3-е, переработанное и дополненное. – М.: Физматлит, 2004. Т. 2. – С. 193-350.
Лаврентьев М. А., Шабат Б. В. Глава VII. Струи. § 29. Кумулятивные струи //Проблемы гидродинамики и их математические модели - М.: Наука, 1973. С. 257-269. – 416 с.
Баланкин А. С., Любомудров А. А., Севрюков И. Т. Кинетическая теория кумулятивного бронепробивания. М.: Изд-во Министерства обороны СССР. – 271 с.
Д. Р. Хохлов Т-лучи: физика и возможности применения. Газета "Советский физик" М.: Изд-во МГУ им. М.В. Ломоносова. 2014.