Факторы риска, связанные с деградацией криосферы в Западной Арктике, и проблемы их геофизического мониторинга

Факторы риска, связанные с деградацией криосферы в Западной Арктике, и проблемы их геофизического мониторинга

Факторы риска, связанные с деградацией криосферы в Западной Арктике, и проблемы их геофизического мониторинга

УДК 550.34

, к. г.м. н., Кольский филиал ФГБУН Федеральный исследовательский центр Единая геофизическая служба Российской академии наук (КоФ ФИЦ ЕГС РАН), директор

, к. т.н., КоФ ФИЦ ЕГС РАН, заместитель директора

, к. ф.м. н, КоФ ФИЦ ЕГС РАН, в. н.с.

, к. ф.м. н., КоФ ФИЦ ЕГС РАН, с. н.с.

, к. г.м. н., КОФ ФИЦ ЕГС РАН, зав. сектором

Anatoly Vinogradov, Ph. D. (Geol.), Kola Regional Seismological Centre of the Geophysical Survey of Russian Academy of Sciences (KRSC GS RAS), Director

Yury Vinogradov, Ph. D. (Eng.), KRSC GS RAS, Deputy Director

Sergey Baranov, Ph. D (Phys.), KRSC GS RAS, Leading Researcher

Elena Kremenetskaya, Ph. D (Phys.), KRSC GS RAS, Senior Researcher

Sergey Petrov, Ph. D. (Geol.), KRSC GS RAS, Head of Sector

Ключевые слова: Западная Арктика, промышленная безопасность, флюидодинамические факторы риска, криосфера, газогидраты, айсбергообразование, геофизический мониторинг.

Аннотация. Приведен краткий обзор катастрофических проявлений динамических процессов, связанных с деструкцией криосферы и субмаринного слоя газогидратов вследствие климатических изменений и техногенного воздействия. Показано, что эта группа природных угроз, с максимальной масштабностью проявленная в Западной Арктике, до настоящего времени не получила должной оценки в качестве факторов риска, требующих разработки специальных мер профилактики в рамках национальной системы обеспечения безопасности при освоении Арктической зоны Российской Федерации и активизации морских коммуникаций в северных морях. Определены перспективные направления развития геофизического мониторинга фронта айсбергообразования и районов взрывной дегазации криосферы.

Введение

До начала XXI века было принято считать, что геодинамический режим Арктики контролируется, в основном, тектоническими процессами, связанными с движениями литосферных плит, что предопределяет локализацию опасных проявлений динамики недр в осевых частях океанических впадин и асейсмичность шельфа. В соответствии с этой моделью региональная сеть сейсмического мониторинга в Арктической зоне Российской Федерации (АЗРФ) была очень разреженной и ориентированной на регистрацию относительно сильных тектонических землетрясений с магнитудами выше 4,5 [1, 2].

В инженерной геологии АЗРФ остаются недооцененными угрозы для промышленной безопасности, создаваемые деструкционными процессами в криосфере, в первую очередь - в ледниковых покровах гористых архипелагов и в субмаринном слое вечной мерзлоты на арктическом шельфе. В осадочном чехле шельфа повсеместно развиты неглубокие залежи газонасыщенных пород («газовые карманы» и слои газогидратов метана), из которых возможна повышенная эмиссия метана – вплоть до взрывных выбросов, представляющих опасность для буровых скважин, крупных инженерно-технических сооружений и судов [3 - 7]. Активизации газовых выбросов способствуют деградация слоя многолетнемерзлых пород (ММП) и землетрясения тектонической и техногенной природы. На месте мощных выбросов газа на дне моря остаются кратеры глубиной до 50 метров и до километра в поперечнике [8]. Аналогичные по природе гигантские воронки на суше выявлены на Ямале и на Таймыре [9].

Выбросы метана как риск-фактор для морских судов и платформ

Взрывные выбросы газа в море представляют реальную опасность для судов, поскольку в насыщенном метаном «кипящем пятне» плотность воды снижается вдвое и суда тонут практически мгновенно. Наиболее яркими примерами служат 4 задокументированных случая : Британская геологическая служба обнаружила в 2006 г. в Северном море в кратере Witch’s Hole траулер, затонувший в начале ХХ века; японское исследовательское судно Kaiyo-Maru №5 затонуло при выбросе газа из подводного вулкана в 1953 г. (погиб весь экипаж – 31 человек); в 1981 г. при бурении скважины в Южно-Китайском море в результате выброса газа китайское судно Petromar-5 перевернулось и затонуло; в 1995 г. при разбуривании малоглубинного газоносного купола в Байдарацкой губе Карского моря буровое судно «Бавенит» (ОАО АМИГЭ, Мурманск) оказалось в центре газового выброса и с трудом избежало трагедии [9].

В 1985 г. в Норвежском море при бурении поисковой скважины полупогружной буровой установкой (ППБУ) «West Vanguard» на месторождении Mikkel произошел мощный выброс метана при проходке горизонта - 300 м. Воспламенение газа вывело из строя ППБУ, погиб один член экипажа. Активное газовыделение продолжалось около двух месяцев. В результате инцидента главная нефтегазоконденсатная залежь месторождения, залегающая на глубине 2500 м, была вскрыта только спустя два года, а начало ее промышленного освоения отодвинулось на 16 лет. Другим примером является выброс газа с образованием гигантского - 400 метров в диаметре и глубиной 31 метр - кратера Figge-Maar в Северном море в 1963 г. при бурении на глубине воды 34 – 35 м с СПБУ «Mr. Louie» на площади German Bight [9].

Выбросы метана как риск-фактор в зоне вечной мерзлоты

На Ямале при разведочном бурении на Бованенковской площади в 1970-е годы аварийные выбросы газа в интервале глубин 50-200 метров (на 600-100- метров выше основного газоносоного горизонта) были зафиксированы почти в половине скважин, при этом максимальный суточный дебит достигал 14 000 кубометров, а пожары на буровых длились от нескольких дней до полугода [10].

В Воркутинском угольном бассейне при отработке глубоких горизонтов шахтных полей, расположенных ниже уровня стабильности газогидратов (400-500 м от поверхности), создаются благоприятные условия для накопления в отработанных ранее вышележащих выработках и вечномерзлой кровле (ММП) избыточных концентраций метана, «упакованного» в газогидратные клатраты. При увеличении интенсивности вентиляции на нижних горизонтах и применении мощных проходческих и дробильных механизмов дополнительный тепловой поток снизу и вибрационный стресс могут вызывать саморазрушение газогидратов в промежуточном слое между непроницаемой для газа приповерхностной покрышкой ММП и оперативным горизонтом текущей добычи. Высвобожденный из газогидратов метан под давлением, в десятки раз превышающим пластовое, будет «впрыскиваться» вниз в воздушное пространство «подмерзлотного» горизонта выработок, провоцируя катастрофические ударные волны и пожары, подобные тем, что случились на шахте «Северная» в феврале 2016 года. Следует подчеркнуть, что в существующих системах контроля метаноопасности шахт в АЗРФ никаких технических средств для оценки концентрации газогидратов не предусмотрено, а исследование их распределения в шахтном поле не является обязательным требованием для предпроектных изысканий.

Деструкция газогидратов как фактор риска в АЗРФ

В начале 2000-х годов была обоснована гипотеза, что выбросы метана происходят вследствие лавинообразной деструкции газогидратных линз, залегающих в верхних этажах мерзлотного слоя осадочного покрова арктического шельфа и побережья. В интервале глубин до 250 метров температура пород колеблется от 0 до -10oC, а статическое давление варьирует от 1 до 25 МПа. При таких параметрах среды устойчивость газогидратов сильно зависит от давления – уменьшение его на 1-2 МПа вызывает их разложение, в результате чего каждый кубометр «конденсированной» фазы продуцирует до 160 кубометров газа, создавая локальные участки аномально-высокого пластового давления (АПВД). В таких участках любое механическое воздействие на донный покров (миграция русла реки, прокладка судоходного канала через мелководный бар, углубление дна у портовых причалов, бурение, тектонические подвижки и т. п.), приводящее к снижению статической нагрузки на близповерхностные тела газогидратов, может спровоцировать их разрушение с образование газовых карманов с АПВД. При превышении предела прочности вмещающих мерзлых пород могут происходить взрывные выбросы с формированием крупных кратеров на дне акватории и гигантских пузырей метана в водной толще.

При проявлении сильных (с магнитудой более 5) сейсмических событий массовая деструкция газогидратов в донных осадках создает условия для возникновению на шельфе флюидодинамических систем, подобных гейзерным областям. В их ареале устанавливается специфический геодинамический режим с регулярной периодичностью слабых землетрясений [11], а акватории над очаговой зоной землетрясений резко теряют рыбопродуктивность вследствие миграции рыбного населения за пределы области сейсмостресса или гибели в ареалах аномальной эмиссии метана [12].

Приведенные примеры свидетельствуют о том, что малоглубинные скопления газа и газогидратов, не обнаруживаемые традиционными геофизическими методами на стадии поисков и разведки месторождений, представляют собой существенный фактор риска в Западной Арктике. Технические возможности действующей в АЗРФ сети геофизического мониторинга недостаточны для уверенной регистрации волновых полей, генерируемые этими опасными процессами. Необходимо принципиальное изменение структуры и аппаратурного оснащения арктического сегмента национальной системы геофизического мониторинга, а также дополнение традиционного оборудования высокочувствительными оптоволоконными измерительными системами (ВОИС) [13-16].

Aйсберги как фактор риска в Западной Арктике

В конце XX - начале XXI вв. в Западной Арктике усилились динамические потери массы ледников. На архипелаге Шпицберген ледовый покров на протяжении ХХ века уменьшился на 650 км3 , при этом увеличилась мобильность выводных и горно-долинных ледников, что перевело более 50% ледников в класс пульсирующих и активно генерирующих айсберги [17, 18]. В западном секторе АЗРФ за период 1952-2001 гг. общее сокращение объема льда в ледниках составило 250 км3, из них 30% пришлось на айсбергообразование (на архипелаге ЗФИ – более 50% ) [19] . В Баренцевом море фронт айсбергообразования превышает 3000 км, и за 70 лет здесь зарегистрировано 27 700 айсбергов. Циркулярная система течений обеспечивает миграцию айсбергов от Шпицбергена, ЗФИ и Новой Земли в центральный район моря, где локализованы главные газоносные структуры распределенного фонда недр шельфа АЗРФ. Так, в 2003 году в акватории над Штокмановским газоконденсатным месторождением было отмечено 110 айсбергов, наиболее крупный из которых имел размер до 190х430 м и массу порядка 3,7 млн. тонн [20]. У побережья Северного острова Новой Земли в 2010 году геофизическими методами и космическим мониторингом был зафиксирован откол айсберга площадью около 3,2 км 2 и массой более 150 млн. тонн [21].

В последние годы резко активизировался сток айсбергов с Северной Земли: в проливе Вилькицкого в 2012-2013 гг. было отмечено более 270 айсбергов, а ИГ РАН отслежено в 2014 году разрушение шельфового ледника с формированием айсберга площадью 100 км2 . В 2013 г. при проводке кораблей СВМФ через пролив Вилькицкого произошло более десяти столкновений с айсбергами, при этом ледокол «50 лет Победы» и танкер «Денеб» получили пробоины корпуса ниже ватерлинии.

В 90-е годы на вековом минимуме ледовитости Западной Арктики в проектные расчеты рисков для морских промыслов закладывалось значение максимальной массы айсберга не выше 1,45 млн. т., а вероятность столкновения его с платформой на ШКГМ оценивалась как 1 событие в 295 лет. Данные последних лет в корне изменили эти прогнозные оценки, и в 2010 г. при составлении ОВОС для ШКГМ вероятность столкновения платформы с айсбергом массой более 3 млн. т была повышена почти в 10 раз – до 1 события в 35 лет [20].

Есть основания полагать, что в ближайшие 10-15 лет ледовые условия в районах перспективного освоения углеводородных ресурсов в Западном секторе АЗРФ не будут существенно отличаться от среднегодовых параметров последнего десятилетия, поэтому представляется целесообразной организация вдоль фронта айсбергообразования в Карско-Баренцевоморской нефтегазовой провинции и вблизи трасс СМП автоматизированной сети геофизического мониторинга, что позволит своевременно обнаруживать мобилизацию выводных ледников и сход крупных айсбергов в акваторию.

Заключение

Для безопасного освоения нефтегазовых ресурсов и плавания по морским транспортным коридорам в западном секторе АЗРФ необходимо ускоренное формирование в регионе современной сети дистанционного геофизического мониторинга опасных геодинамических процессов, связанных с деструкцией криосферы и субмаринного слоя газогидратов. Концепция и программа построения Западно-Арктического сегмента системы геодинамического мониторинга Арктической зоны России (ЗАСГМ) была разработана Геофизической службой РАН в 2009 году и согласована с МЧС России, однако остается нереализованной до настоящего времени из-за отсутствия финансового обеспечения.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России прикладных научных исследований и экспериментальных разработок (ПНИЭР) по теме «Создание новых методов и средств мониторинга гидрометеорологической и геофизической обстановки на архипелаге Шпицберген и в Западной Арктической зоне Российской Федерации» (Соглашение о предоставлении  субсидии  от 20.10.2014  № 14.610.21.0006, уникальный идентификатор ПНИЭР RFMEFI61014X0006).

Список литературы

1.  , ,   Формирование системы сейсмологического и инфразвукового мониторинга в западной Арктике в ХХ веке и перспективы ее дальнейшего развития // Вестник Кольского научного центра РАН, 2012. №4. С. 145-163.

2. , , Виноградов систем геофизического мониторинга в Арктике // Арктика: экология и экономика, 2014. №2(14). С. 16-23.

3. , Соловьев газовые гидраты. – СПб.: ВНИИОкеангеология, 1994. 199 с.

4. , Баланюк морей и океанов – источник углеводородов будущего. – М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2009. 416 с.

5. , , Елисеева мерзлых толщ и зоны стабильности гидратов газов в среднем плейстоцене-голоцене на шельфе восточной части Евразийской Арктики // Криосфера Земли, 2003. Т. VII. № 4. С. 51-64.

6. Якушев B. C., , Кондаков породы как коллектор газовых и газогидратных скоплений // Газовая промышленность, 2003. № 3. С. 36-40.

7. Boswell R., T. Collett T. , Dallimore S., Frye M. Geohazards Associated with Naturally –occurring Gas Hydrate // Fire in the Ice. Methane Hydrate Newsletter, 2012. Vol. 12, Issue 1. Pp.11-16.

8. Judd A., Hovland M. Seabed fluid flow. The impact on geology, biology, and the marine environment. - Cambridge University Press, 2007. 476 p.

9. Богоявленский катастрофических выбросов газа из криолитозоны Арктики. Воронки Ямала и Таймыра // Бурение и нефть, 2014. №9. С. 13-18.

10. , , Якушев и свойства пород криолитозоны Южной части Бованенковского газоконденсатного месторождения. - М.: ГЕОС, 2007. 137 с.

11. , Виноградов взаимоналожения тектонической и флюидодинамической сейсмичности (на примере очагового ареала Стур-фиорда, архипелаг Шпицберген) // Материалы X Международной сейсмологической школы, Республика Азербайджан, 14-18 сентября 2015 г. Обнинск: ГС РАН, 2015. С. 26-31 .

12. лияние сейсмичности на распределение рыбных скоплений на западной окраине Баренцевоморского бассейна // Рыбные ресурсы, 2011. № 2. С.18-21.

13. , Виноградов задачи научного обеспечения освоения и развития Арктической зоны России // Российский Север: модернизация и развитие. Вып. 1. М.: Центр стратегического партнерства, 2012. С. 296-301.

14. О вкладе Российской академии наук в современное освоение и развитие Арктики // Арктика: экология и экономика, 2014. №1 (13). С. 4 – 9.

15. , , Виноградов стратегия освоения Арктической зоны России и задачи ГС РАН по развитию систем геофизического мониторинга в Арктике // Материалы IX Международной сейсмологической школы, Республика Армения, 8-12 сентября 2014 г. Обнинск: ГС РАН, 2014. С. 3-11.

16. , , Капустян состояние и перспективы развития системы сейсмического мониторинга Арктики // Вопросы инженерной сейсмологии, 2015. Т.42. № 1. С. 58 -69.

17. Błaszczyk M., Jania J. A., Hagen J. O. Tidewater glaciers of Svalbard: Recent changes and estimates of calving fluxes // Polish Polar Research, 2009. Vol. 30. No. 2. Pp. 85-142.

18. Lefauconnier B., Hagen J. O. Surging and calving glaciers in eastern Svalbard // Norsk Polarinstitutt Meddelelser, 1991. No. 116. 130 p.

19. , , и др. Айсберги и ледники Баренцева моря: исследования последних лет. Часть 1. Основные продуцирующие ледники, распространение и морфометрические особенности айсбергов // Проблемы Арктики и Антарктики, 2008 , № (1) 78. С.66-80.

20. , , Зубакин исследования и изыскания в районе Штокмановского ГКМ // МурманшельфИнфо, №4, 2008. – С.18-20.

21. , , Кровотынцев геофизических методов для дистанционного контроля динамики процессов деструкции ледовых покровов Арктики // Материалы VI международной сейсмологической школы, Апатиты, 15-19 августа 2011 г. - Обнинск: изд. ГС РАН, 2011. С. 87 – 89.

Geohazards Induced by a Cryosphere Degradation in the West Arctic

and Challenges for Geophysical Monitoring

Key words: West Arctic, industrial safety, fluidodynamic risk factors, cryosphere, gas hydrates, iceberg calving, geohazards, geophysical monitoring

Resume. A scope of hazardous events, induced by degradation of cryosphere and submarine gas hydrates due to climate change and technogenic impact, is presented. It was shown that these groups of natural hazards had not have yet a reliable concern as significant risk factors, which requires developing a special prevention measures in a frame of national system for providing industrial safety in the Arctic Zone of Russian Federation. The conclusion was made that due to provide a reliable risk assessment, concerning iceberg calving and explosive ruptures, associated with methane release of shallow layers of gas hydrates in a submarine and land permafrost at the Arctic shelves and coast, it is necessary to create a modern network of geophysical observatories on islands and coastal areas of the Barents and Kara seas.

Информация для контактов:

г. Апатиты Мурманской области, ул. Ферсмана, 14

тел. [phone]

E-mail: vinonord@mail. ru