16.06.2017

Гигантские кратеры на дне Баренцева моря образовались в результате взрывов метана

Первые кратеры на дне Баренцева моря были обнаружены в 90-х годах прошлого века. С тех пор стало ясно, что подобные структуры самых разных размеров, вплоть до гигантских диаметром более 1 километра, имеют широкое распространение. Норвежские ученые, исследовавшие эти загадочные структуры с помощью комплекса геофизических методов и компьютерного моделирования, пришли к выводу, что их формирование было связано с процессом высвобождения метана из залежей газогидратов на шельфе арктических морей в период отступления последнего оледенения 11–15 тысяч лет назад. Вероятно, подобные процессы идут в Арктике и сейчас.

В арктической зоне Земли сосредоточены огромные запасы метана, заключенного в газовых гидратах — кристаллических соединениях, образующихся при взаимодействии газа и воды. Пока газогидраты стабильны (находятся в форме твердого вещества), метан содержится в них в связанной форме. При повышении температуры и уменьшении давления гидраты разлагаются на газ и воду. Высвобождение газа сопровождается значительным повышением давления, что может приводить не только к выдавливанию метана вверх по системам разломов и зонам трещин, но и к взрывным событиям.

Процесс активного выделения метана в Арктике с поверхности морей в атмосферу вызывает серьезную озабоченность, а природные газогидраты приковывают к себе внимание не только как потенциальный источник ископаемого топлива, но и как фактор климатических изменений. Метан — сильнейший парниковый газ, в значительной степени отвечающий за потепление на планете. Объемы его выбросов в атмосферу над шельфом арктических морей сопоставимы с объемами метана, выделяемыми всей остальной поверхностью Мирового океана. Не случайно над морями Восточной Сибири наблюдается самая крупная на Земле положительная температурная аномалия. Связано это с тем, что все они — море Лаптевых, Восточно-Сибирское и Чукотское — очень мелководные. Чтобы метан, выделяющийся в виде вертикальных струй со дна моря, растворился в толще воды, необходима глубина не менее 200 метров, а у побережья Восточной Сибири она меньше. Поэтому метан, который высвобождается при разложении метангидратных залежей, здесь активно выбрасывается в атмосферу. На шельфе других морей он обычно растворяется в воде, не достигая поверхности.

Стоит еще учесть, что процесс потепления в Арктике характеризуется наличием петли положительной обратной связи: увеличение темпов высвобождения метана, связанное с оттаиванием многолетнемерзлых пород в зоне повышенных температур, в свою очередь, приводит к дальнейшему ускоренному потеплению. Подобный механизм лавинообразного повышения температур в Арктике в свое время был заложен в основу гипотезы о метангидратном ружье. Эта гипотеза в последнее время находит всё больше подтверждений.

Кроме того, поскольку метан — горючий газ, его выбросы могут приводить к катастрофическим явлениями — взрывам и возгораниям, представляющим серьезную опасность для людей и сооружений. В частности, пожары на нефтяных скважинах и платформах обычно связаны именно с выбросами метана. За последние годы на полуостровах Ямал и Гыдан было зафиксировано образование нескольких новых взрывных кратеров значительных размеров.

Становится всё более очевидным, что образование многочисленных кратеров на дне арктических морей и в арктической тундре (большинство таких кратеров на суше сейчас заняты озерами округлой формы) — это следствие именно взрывных выбросов метана. А значит, необходимо детально разобраться в причинах и механизме таких выбросов, чтобы оценить риски ведения в Арктике хозяйственной деятельности — строительства нефтяных платформ, прокладки трубопроводов и даже судоходства. Ведь попав в зону пониженной плотности воды, связанную с выделением метана, корабль может потерять плавучесть. Вполне возможно, что аналогичное взрывное выделение метана в районе пресловутого Бермудского треугольника и являются причиной таинственных исчезновений морских и воздушных судов (при условии, если оно действительно имело место).

Норвежские ученые под руководством Карин Андреассен (Karin Andreassen) из Арктического университета Норвегии в Тромсё, авторы статьи в Science, в качестве объектов для изучения выбрали компактную зону крупных кратеров на дне Баренцева моря к северу от острова Медвежий (рис. 1). Здесь на сравнительно небольшой площади 440 кв. км сосредоточено более 100 кратеров диаметром от 300 до 1000 м и глубиной до 30 м. Многие из них обладают крутыми стенками. На дне кратеров обнаружены неуплотненные обломочные отложения мощностью до 2 м, которые образовались в результате взрыва. По флангам кратеров часто располагаются бугры пучения (пинго) до 1100 м в диаметре и до 20 м высотой. В основном у них округлая или овальная форма с крутыми склонами и — часто — плоская срезанная вершина. В зоне гигантских кратеров находятся многочисленные мелкие кратеры и пинго диаметром от 50 до 200 м.

Акустическими методами в районе зафиксированы также более 600 газовых «факелов» — струй пузырьков газа шириной 50–200 м, поднимающихся в толще воды на расстояние до 200 м от морского дна. Смесь «факелов» на 97% состоит из метана, плюс примерно 2,5% приходится на этан и пропан. Струи газа, поднимающиеся над кратерами и буграми, а также между ними, свидетельствуют о том, что активные выделения метана здесь продолжаются до сих пор.

Ученые выдвинули гипотезу, согласно которой гигантские кратеры на дне Баренцева моря образовались примерно 12 тысяч лет назад, когда его территория начала освобождаться от ледникового покрова периода последнего оледенения. В результате произошло массовое высвобождение метана, который, поступая к поверхности по зонам разломов, тысячелетиями накапливался под покрышкой многолетнемерзлых пород (см. Многолетняя мерзлота). Сначала над этими зонами формировались купола (бугры пучения), а затем, когда давление газа превышало критическую отметку, происходил взрыв, и на месте купола образовывался кратер. Источниками метана служили залежи газогидратов.

Авторы предложили концептуальную модель образования сначала бугров-пинго, а затем из них — кратеров в процессе последовательно нарастающего распада газогидратов (рис. 2).

В период последнего оледенения территория современного Баренцева моря была покрыта толстым слоем льда. Толщина ледового покрова достигала 2 км, примерно как сегодня в Антарктиде. По зонам разломов из расположенных на глубине резервуаров углеводородов к поверхности просачивался газ, который застывал в приповерхностной зоне в виде залежей твердых газогидратов. Зона стабильности метановых гидратов (см. Gas hydrate stability zone) при подобных внешних условиях — низких температурах и высоком изостатическом давлении толщи льда (см. Гляциоизостазия) — находилась на глубине до 440 м от поверхности. При отступлении ледника в период 15–17 тысяч лет назад и заполнении территории морской водой резко изменились условия в зоне нахождения газогидратных залежей: снизилось изостатическое давление ледника и выросла придонная температура. В результате граница зоны стабильности метановых гидратов резко переместилась с 440 до 200 м от поверхности, что привело к разложению глубинных залежей, миграции метана наверх и его рекристаллизации на меньших глубинах. При этом, так как объем зоны стабильности метангидратов сокращался, а количество метана в ней сохранялось, происходило всё большее ее обогащение этим газом. В связи с увеличением давления свободного газа, скапливающегося в приповерхностной части, началось образование бугров пучения.

По геологическим данным можно достаточно точно определить временной интервал формирования пинго — после начала межледникового периода (15 тысяч лет назад), но до полного освобождения района от ледникового покрова (11,6 тысячи лет назад). Дело в том, что многие из округлых бугров имеют плоские, срезанные вершины, на которых видны борозды, оставленные айсбергами. Получается, пинго формировались, когда нижние части айсбергов в Баренцевом море находились на глубине 300–400 м, а это имело место как раз в указанный период.

Примерно 12 тысяч лет назад дальнейшее снижение изостатической нагрузки ледникового покрова и приток теплой воды из Северной Атлантики привели к сокращению мощности зоны стабильности метангидратов до 30 м, высвобождению метана и миграции его по трещинам в перекрывающие породы. Это сопровождалось мощными взрывными событиями и образованием кратеров.

Геологические и геофизические данные полностью согласуются с результатами цифрового моделирования изменения зоны стабильности газогидратов в последние 30 тысяч лет, в соответствии с которыми резкое ее сокращение происходило в период 11–15 тысяч лет назад. При моделировании учитывались такие параметры, как поток передачи тепла в толще осадков и льда, вариации подледной и придонной температур, толщина ледникового покрова, изостатическая нагрузка, эвстатические колебания уровня океана.

Ученые делают вывод, что на шельфе Баренцева моря главным драйвером распада газогидратов и высвобождения метана, сопровождающегося взрывными явлениями, было изменение ледового покрова. Подобные процессы, скорее всего, имели место и в других нефтегазоносных провинциях, расположенных в зоне последнего оледенения, где шло накопление газогидратов. По оценкам авторов, площадь таких провинций только на шельфе арктических морей у берегов США, Канады, России и Северной Европы составляет 33 млн кв. км. На всей этой обширной территории в период последнего оледенения складывались идеальные условия для образования скоплений метана и других, более тяжелых, природных газов в форме гидратов, залежи которых могли испытывать распад в период отступления ледника. Можно ожидать распада газогидратов и высвобождения метана и в зонах современного оледенения — в Гренландии и Антарктиде, где в настоящее время наблюдается процесс отступления ледниковых покровов.

Источник: K. Andreassen, A. Hubbard, M. Winsborrow, H. Patton, S. Vadakkepuliyambatta, A. Plaza-Faverola, E. Gudlaugsson, P. Serov, A. Deryabin, R. Mattingsdal, J. Mienert, S. Bunz. Massive blow-out craters formed by hydrate-controlled methane expulsion from the Arctic seafloor // Science. 2017. V. 356. P. 948–953. DOI: 10.1126/science.aal4500.

Владислав Стрекопытов

Источники:

1. elementy.ru