Воронка газового выброса, кратер газового выброса — округлые углубления на поверхности земли, шириной от 4 до 20-30 м, и глубиной от нескольких десятков до 100 м. Широкой общественности эти формы рельефа больше известны как воронки на Ямале, или газовые воронки.
Первый известный кратер (Ямальская воронка) открыт летом 2014 года, впоследствии было обнаружено ещё несколько десятков подобных форм рельефа. Вскоре было предложено их называть в научной литературе воронками газового выброса. Известные воронки расположены в приполярных районах Западной Сибири на суше, дне рек и озёр.
Природа формирования этих образований ещё изучается, причины и механизм их формирования неясен, но большинство исследователей сходится во мнении о том, что их образование скорее всего происходит под влиянием флюидодинамических процессов в многолетнемёрзлых породах, которые приводят к появлению зон накопления свободного природного газа вблизи поверхности. В таком случае при превышении пластового давления накопившихся газовых флюидов над давлением толщи вышележащих пород может произойти лавинообразный выброс газонасыщенных горных пород. Другие исследователи рассматривают это явление как соответствующее определению криовулканизма.
Условия образования Полуострова Ямал и Гыданский, на которых обнаружены большинство этих воронок, расположены в зоне сплошного распространения многолетнемерзлых пород (ММП) со среднегодовой температурой грунтов от −2-4 °С на юге полуострова до −7-9 °С — на севере, и глубиной сезонной оттайки не более 1 м. Из-за обилия озёр разной формы и размеров на полуострове для многолетней мерзлоты на полуострове Ямал характерна прерывистость вследствие наличия подозерных таликов различной мощности. Параметры чаши протаивания озёр зависят от размеров, глубины и продолжительности жизни озёр.
Стабильность газогидратов Газогидраты формируются при определённых соотношениях температуры и давления в земной коре. Область в недрах, соответствующая этим условиям, известна как зона стабильности газогидратов (ЗСГ). В обычных условиях газогидраты могут формироваться в донных отложениях морей, океанов, реже глубоких озёр. Источником газа для их формирования обычно служит газ биогенного происхождения, сформированный глубинной биосферой в толще донных отложений, также это может быть катагенетический газ, образующийся на больший глубинах при разложении органического вещества в осадках. На суше залежи газогидратов приурочены в основном к областям развития многолетнемёрзлых пород на приполярных территориях. Известен ряд неглубокозалегающих залежей газогидратов, к примеру, в районе Бованенковского нефтегазоконденсатного месторождения на Ямале при разведке часто отмечался горизонт газогидратов на глубинах 50-70 м от поверхности, что выше верхней границы ЗСГ. Считается, что эти реликтовые газогидраты сформировались в других условиях давления и температуры - во время развития мощного покровного оледенения в ледниковые периоды, при котором верхняя граница ЗСГ могла достигать поверхности земли, погребённой под ледниковым щитом. После окончания оледенения газогидраты, залегающие выше границы ЗСГ, отвечающей условиям межледниковья, могут сохраняться законсервированными в метастабильном состоянии в условиях многолетней мерзлоты при определённых температурах для различных глубин.
Взрывные процессы в криолитозоне В области развития многолетнемёрзлых пород давно известны взрывные процессы, сопровождающие разрушение некоторых форм рельефа. К ним ранее относились только взрывы гидролакколитов и наледных бугров. Они связаны с молниеносным высвобождением газов и воды, сжатых под влиянием промерзания замкнутых таликов. При этом могут наблюдаться либо растрескивание гидролакколитов и наледных бугров с последующим нарастанием наледи, либо формирование кратеров взрыва глубиной до 5 м, с выбросом больших масс льда и грунта.
По мнению некоторых московских учёных, воронки газового выброса имеют много общего со взрывами гидролакколитов и наледных бугров. В то же время воронки газового выброса имеют значительно меньшую ширину при намного большей глубине, в сравнении с ранее описанными приповерхностными процессами.
Флюидодинамические процессы Из многочисленных залежей нефти и газа происходит вертикальная миграция углеводородов. Места их выхода на поверхность называются сипами. Толща многолетнемёрзлых пород в приполярных областях служит малопроницаемым экраном и препятствует дегазации недр. Вследствие этого формируются небольшие подмерзлотные и внутримерзлотные залежи газа и воды в свободном или гидратном состоянии. Газоводяные флюиды в этих скоплениях мигрируют в субгоризонтальном направлении к местным повышениям нижней границы многолетней мерзлоты (которые часто формируются над месторождениями углеводородов и активными разломными зонами с повышенным тепловым потоком). Благоприятные условия для дегазации часто отмечаются на дне крупных длительно существующих озёр, под которыми развиты сквозные талики. На Ямале выявлены сотни подобных озёр.
Строение Известные воронки имеют довольно однотипную морфологию - небольшая ширина при значительной большей глубине, наличие отвесных стенок кратера в жерлообразной части, расширяющихся вверху в виде раструба. Вокруг воронки располагается бруствер кольцевой формы, состоящий из выброшенных из кратера пород. Образованию воронки газового выброса предшествует формирование бугра.
Морфология бугра Достоверно установлено, что на месте появления первого Ямальского кратера ранее существовал бугор с шириной основания 45-58 м, и высотой около 5-6 м. Вершина бугра была покрыта кочками с травянистой растительностью, вдоль его склонов произрастали заросли кустарников ивы.
Морфология воронки Собственно воронки, как правило, имеют форму субвертикального эллиптического цилиндра, с коническим раструбом в верхней части. Диаметр жерлообразной части колеблется от 4 до 14-20 м. Оценки глубины дна в незатопленных воронках обычно составляют десятки метров, иногда достигая 60-100 м. Внутренняя поверхность стенок кратера осложняется многочисленными кавернами и иногда в нижней части — гротами. Разрез стенок представлен преимущественно так называемыми пластовыми льдами — высокольдистыми осадочными породами.
Вокруг воронки исследователями выделяется бруствер — кольцевой навал выброшенных из воронки раздробленных горных пород. Разброс обломков пород может достигать первых сотен метров. Размер глыб выброшенных мёрзлых пород варьирует от первых сантиметров до 1 метра, реже до 5-8 м. Бруствер может наблюдаться также и у воронок, сформированных на дне термокарстовых озёр. Объём породы в бруствере быстро сокращается до 6 раз за счёт таяния высокольдистых пород в выброшенном материале.
В некоторых случаях вокруг воронки наблюдается формирование концентрических трещин проседания, что может свидетельствовать о значимых объёмах дегазации обширной пластовой залежи.
Геологическое строение Геологическое строение будет разобрано на примере наиболее изученной Ямальской воронки.
В целом разрез рыхлых отложений до глубины 50-60 м представлен пластовыми льдами и сильнольдистыми песками и супесями. Исключение составляет лишь приповерхностный слой мощностью около 2 м, состоящий из мёрзлых и сезонно-талых песчано-глинистых пород. По геофизическим данным на глубине 60-70 м от поверхности установлено наличие слоя с аномально высоким удельным электрическим сопротивлением на глубине 60-70 м, интерпретируемого как выдержанный в плане пластообразный коллектор газогидратов. В нижней части стенок воронки отмечается наличие множества каверн и гротов, отождествляемых некоторыми исследователями с зоной диссоциации реликтовых метастабильных газогидратов. В отобранных на дне кратера пробах воздуха неоднократно отмечалось повышенное содержание метана. Во время зимней экспедиции в ноябре 2014 года во льду, покрывающем нижнюю часть стенок кратера, были обнаружены следы многочисленных выделений газовых флюидов.
Первое время стенки кратера представляли собой остатки штокообразного тела газонасыщенных пород, сложенных ячеистыми льдами. Для него была характерна субвертикальная слоистость по краям, сохранившаяся в стенках кратера, и наличие многочисленных пустот (каверн) в форме округлых ячеек размером от 2 до 40 см, иногда объединяющихся в вертикальные цепочки, широкое развитие пластических и разрывных деформаций. Многочисленные мелкие каверны в этих породах указывают на значительную насыщенность газом горных пород именно в пределах этого штока. По предположениям коллектива московских исследователей, над зоной диссоциации газогидратов в мелкозалегающей пластовой залежи в результате напорной вертикальной миграции флюидов и нараставшего пластового давления сформировался кавернозный газонасыщенный ледогрунтовый шток цилиндрической формы. Напорная фильтрация флюидов привела к многочисленным пластическим деформациям мёрзлых пород штока, в результате чего зона развития ячеистых льдов штока оказалась отделена от вмещающих пород трещиной со смещением и глинками трения. Его движение вверх под давлением разлагающихся газогидратов привело на контактах с окружающей толщей пород к формированию контактового прослоя мёрзлых пород с субвертикальной слоистостью и многочисленными пластическими и разрывными деформациями. К июлю 2015 года остатки штока с субвертикальной слоистостью разрушились при оттаивании и обрушении стенок воронки, обнажив ненарушенный массив осадочных пород с субгоризонтальной слоистостью.
Перекрывающая этот шток кровля приповерхностных сильнольдистых пород с отрицательной температурой должна была оказать экранирующий эффект, способствуя длительному накапливанию газогидратов в теле штока пород. В случае с Ямальским кратером мощность «покрышки» составляла около 8 м. Под действием нараставших аномально высоких пластовых давлений кровля штока в течение десятков лет пластически деформировалась с образованием крупного бугра. При превышении пластовых давлений над литостатическим произошло разрушение покрышки и взрывообразный выброс на поверхность кавернозных пород штока под действием резкой декомпрессии и расширения газов в многочисленных кавернах. Раздробленные продукты выброса были выброшены наружу и осели вокруг воронки в форме бруствера.
Формирование
Гипотеза о формировании воронок за счёт газового выброса Большинство исследователей, изучавших первую ямальскую воронку, сошлись во мнении, что эти формы рельефа сформировались за счёт лавинообразного выброса газов и газонасыщенных пород за считанные секунды. Свободные газовые флюиды в небольших залежах в верхней части разреза рыхлых отложений (газовых карманах) могут быть либо в виде свободных флюидов, либо в составе газогидратов, и иметь биогенное или катагенетическое происхождение. Накопление газа в газовых карманах могло происходить вследствие ряда причин — либо диссоциации гидратосодержащих многолетнемёрзлых пород, либо за счёт поступления газа с подмерзлотных горизонтов, либо это мог быть свободный биогенный газ, сформированный в прошлом глубинной биосферой в донных морских отложениях. По данным бурения на полуострове Ямал, газ, встречающийся на глубинах до 110 м обычно представляет собой метан биогенного происхождения. По данным предварительных анализов, в водах озёр, сформированных внутри воронок газового выброса, по изотопному составу метана выделяются пробы с биогенным и термогенным метаном.