Загадка взрывающихся сибирских кратеров

На далеком полуострове Ямал, расположенном за Северным полярным кругом, стали появляться огромные раны в вечной мерзлоте — что-то происходит под землей, затем это что-то вырывается из глубины на поверхность, вызывая беспокойство ученых. О возможных причинах этого явления рассказывают российские и американские ученые.

ти раны на земле появились внезапно и мгновенно, после чего на поверхности остались огромные оспины.

По краям образовавшегося кратера почва представляет собой серую и грубую смесь из льда и кусков вечной мерзлоты. Корни растений — они оказались на поверхности после образования кратера — имеют на себе следы горения. Это позволяет судить о том, какие мощные силы участвовали в образовании этой дыры, расположенной в центральной части сибирской Арктики.

Если смотреть с воздуха, то сразу бросается в глаза недавно открывшаяся голая земля на фоне зеленой тундры и темных озер вокруг нее. Слои земли и горных пород, которые можно увидеть внутри этой цилиндрической дыры, имеют почти черный цвет, а к тому моменту, когда до этого места добрались ученые, на дне уже начала скапливаться вода.

Среди них был и Евгений Чувилин, геолог из расположенного в Москве Сколковского института науки и технологии. Он прилетел на самолете в этот отдаленный уголок полуострова Ямал, расположенный на северо-западе Сибири, чтобы посмотреть на это явление. Эта яма глубиной 50 метров может содержать ключевые элементы паззла, которые не дает ему покоя в течение последних шести лет с момента обнаружения первой такой дыры в другом месте полуострова Ямал.

Эта воронка (ее ширина составляет 20 метров, а глубина 52 метра) была обнаружена пролетавшим над ней пилотом вертолета в 2014 году. Произошло это примерно в 42 километрах от Бованенковского месторождения природного газа на полуострове Ямал. Посетившие это место ученые, включая Марину Лейбман, главного научного сотрудника Института криосферы земли (Сибирского отделения Академии наук РФ), которая занимается изучением верной мерзлоты в Сибири в течение более 40 лет, назвали увиденное там совершенно новым явлением в области вечной мерзлоты. Аналитики, изучившие полученные со спутников изображения, позднее сообщили о том, что этот газоэмиссионный кратер (ГЭК), — он получил название ГЭК-1, — образовался где-то в промежутке между 9 октября и 1 ноября 2013 года.

Последний из такого рода кратеров был обнаружен в августе этого года членами съемочной команды одного телеканала, когда они вместе с учеными из Российской академии наук и местными чиновниками пролетали над этим местом во время проведения экспедиции на Ямале. Таким образом общее число обнаруженных на Ямале и на соседнем Гыданском полуострове кратеров достигло 17.

Однако по-прежнему загадочными остаются причины появления этих огромных дыр в вечной мерзлоте, а также быстрота их образования. Без ответа остаются и вопросы о том, что они могут означать для будущего Арктики, а также для людей, которые там живут и работают. Для многих специалистов, занимающихся изучением Арктики, появление этих провалов представляет собой тревожный знак, который, по-видимому, означает, что на этих холодных и малонаселенных территориях, расположенных на севере нашей планеты, происходят какие-то радикальные перемены.

Однако начатые недавно исследования позволяют сделать некоторые предположения о том, что там на самом деле происходит. Ясно то, что эти дыры образуются не в результате постепенной осадки по мере таяния вечной мерзлоты и опускания ее слоев ниже поверхности. Их образование носит взрывной характер.

«Когда происходит взрыв, большие куски земли и льда отбрасываются на сотни метров от его эпицентра, — говорит Чувилин. — Мы имеем здесь дело с колоссальной силой, созданной очень высоким давлением. Однако загадкой остается то, что это давление такое высокое».

Чувилин входит в состав группы российских ученых, — они сотрудничают со своими коллегами во всем мире, — которые посещают места образования этих кратеров для сбора проб и проведения разного рода измерений. Они пытаются лучше понять то, что происходит в глубине тундры, под ее поверхностью.

Некоторые ученые сравнивают эти кратеры с криовулканами — с такими вулканами, которые извергают лед вместо лавы. Принято считать, что такие вулканы существуют в некоторых отдаленных частях нашей солнечной системы — на Плутоне, на Титане, спутнике Сатурна, а также на карликовой планете Церера. Однако по мере накопления наблюдений в разные периоды их эволюции, образовавшиеся дыры стали называть «газоэмиссионными кратерами». Это название позволяет получить некоторое представление о характере их образования.

«Проведенный анализ на основе изображений, полученных с помощью спутников, показывает, что в результате взрыва образуется гигантская дыра на месте небольшого бугра пучения», — говорит Чувилин. Эти возвышения имеют сводчатую форму, а образуются они в тот момент, когда слой замерзшего грунта выталкивается водой на поверхность, а затем скопившаяся там вода начинает замерзать. Образующийся в результате лед расширяется, в результате чего образуется небольшой холм. Подобного рода возвышения, для обозначения которых в русском языке используется также местное якутское слово «булгуннях», то появляются, то исчезают при смене времен года. Однако на большей части Арктики подобного рода бугры пучения, в конечном счете, проваливаются внутрь земли, а не взрываются.

Очевидно, что эти возвышения на северо-западе Сибири ведут себя по-разному. По словам Чувилина, они быстро увеличиваются и достигают высоты в несколько метров, но затем их верхушка внезапно взрывается. Судя по всему, выталкивает их на поверхность не замерзающая вода, а накапливающийся под землей газ.

«Эти вспученные бугры формируются в течение долгого времени, — говорит Сью Натали (Sue Natali), эколог и специалист по Арктике [она занимается изучением вечной мерзлоты и является директором Арктической программы расположенного в городе Вудс-Хоул, штат Массучусетс, Исследовательского центра по изучению климата им. Джорджа Вудвелла (Woodwell Climate Research Center)]. — Такого рода наполненные газом бугры образуются в течение многих лет».

Изучение годовых колец веток ивы, обнаруженных среди выброшенной породы (это произошло в 2014 после взрыва и образования первого кратера), позволило сделать вывод о том, что эти растения находились в состоянии стресса с 1940-х годов. Специалисты считают, что это могло произойти в результате деформации почвы.

«Однако есть данные о том, что жизненный цикл газоэмиссионных кратеров может быть очень коротким — в диапазоне от трех до пяти лет, — говорит Александр Кизяков, криолитолог из Московского государственного университета имени Ломоносова. Один из кратеров, образовавшийся летом 2017 года и известный под обозначением СеЯхГЭК (SeYkhGEC), обнаруженный с помощью спутникового снимка, впервые начал формироваться в почве в 2015 году.

Такие же следы и вздутия, связанные с выделениями газовых карманов, были обнаружены на дне Карского моря, недалеко от полуострова Ямал, а другие — в районе Баренцева моря. Однако пока, по словам Натали, ничего подобного не было найдено на суше в других частях Арктики.

Какие-то процессы, связанное с вечной мерзлотой на Ямале и Гыданском полуострове, являются причиной взрыва таких бугров. «Почва там обладает определенными свойствами, — говорит она. — Там образуется очень тонкий слой льда, это пластинчатый лед, который образует своего рода плотную верхнюю часть вечной мерзлоты. Кроме того, там образуется также многочисленные криопеги (cryopeg), то есть участки незамерзшей почвы, окруженные верной мерзлотой — можно сказать, что это своего рода сэндвичи. Есть и третья характерная черта — очень глубоко расположенные месторождения нефти и природного газа».

Один из таких кратеров недавно был изучен Чувилиным, — ширина его воронки составляет 20 метров, он получил название «Еркута» по имени реки, в пойме которой и появился. Судя по всему, он образовался на дне высохшего озера. Когда озеро исчезло, там сохранился незамерзший пласт почвы, который называют таликом, и именно там начинает скапливаться газ. Однако Чувилин считает, что точный источник образования кратера пока назвать нельзя. «Главный вопрос при исследовании кратера состоит в определении источника того газа, который накапливается под вечной мерзлотой, — говорит Чувилин. — Как только появляется кратер, газа там уже больше нет».

Местные оленеводы рассказывали о том, что видели пламя и дым после взрыва одного кратера в июне 2017 года.

В настоящее время внимательно изучаются вопросы, связанные с эволюцией этих бугров пучения, и также с тем, каким образом попадает туда газ. «Большой интерес вызывает то, что мы, возможно, сталкиваемся здесь с новым или ранее неизвестным геохимическим процессом, о котором мы раньше вообще не имели никакого представления», — говорит Натали.

Достаточно смелые исследователи, спускавшиеся в такие кратеры, обнаружили там повышенный уровень метана, а это говорит о том, что этот газ, вероятно, поднимается снизу. Одна из ведущих теорий состоит в том, что метан, находящийся на большой глубине под слоем вечной мерзлоты, пытается подняться вверх по незамерзшим карманам, в результате чего накапливается под ледяным пластом. Согласно другой идее, высокое содержание двуокиси углерода в воде, находящейся в таких размороженных карманах, начитает подниматься наверх по мере замерзания воды, а оставшаяся вода не способна держать растворенный газ.

Помимо метана и двуокиси углерода причиной появления кратеров могут быть также микроорганизмы, существующие в незамерзших карманах почвы. Они разлагают органические материалы, в результате чего образуются газы, считает Чувилин. Анализ изотопов метана на одном из таких кратеров, судя по всему, подтверждает такую точку зрения, однако активность производящих метан микробов, как было установлено, является крайне низкой в озерах, образовавшихся на дне таких кратеров — низкой даже для холодных широт, где они находятся.

Однако метан может также проникать и непосредственно через лед. Газы могут оказаться зажатыми внутри кристаллов воды в вечной мерзлоте, а затем они образуют довольно странные материалы, известные как газовые гидраты. Когда они размораживаются, газы высвобождаются.

«Возможно, существуют другие механизмы формирования, которые сложно представить в виде одной модели, — говорит Чувилин. — Многое зависит от окружающей среды и характера местности». По крайней мере, один кратер, по его словам, был обнаружен на ложе реки.

Независимо от источников, можно считать, что газы накапливаются под незамерзшими слоями земли, начинают поднимать вверх на 5 — 6 метров плотную корку льда, а затем разрываются, как фурункул (Хотя это весьма яркая аналогия, она не такая уже плохая, — это очень похоже на пользователей интернета, которые приходят в восторг от видео, на котором люди выдавливают свои прыщи, так же и некоторые ученые приходят в восторг от одного вида ямальских кратеров. «Это было сочетание неизвестного и риска, связанного с этими кратерами, и именно это меня привлекает», — признается Натали).

Когда эти бугры, наконец, взрываются, все это на самом деле выглядит весьма красочно. Земля и лед, находящиеся на верху этих наполненных газом карманов, а также другое содержимое незамерзших частей, — все это после взрыва поднимается на 300 метров в высоту. Взрыв настолько мощный, что вверх поднимаются куски земли метровой толщины, в результате чего у кратера образуется высокий парапет, широкий раструб и более узкая цилиндрическая дыра, — считается, что это и есть незамерзший карман. Местные оленеводы рассказывают, что видели пламя и дым после взрыва на одном кратере в июне 2017 года недалеко от берега реки Мюдрияхи. Жители расположенной рядом деревни Сеяха, — она находится примерно в 33 километрах к югу от этого кратера, — рассказывают, что газ горел в течение почти 90 минут, а высота пламени достигала 4 — 5 метров.

Через год или через два края этой темной и мрачной раны разрушаются и наполняются водой.

Этот регион является одним из самых малонаселенных на планете, тем не менее, образование кратера так близко от населенного пункта вызывает озабоченность. В этом регионе также имеется большое количество нефте- и газопроводов, а также других элементов инфраструктуры, и все это используется для добычи скрытых под слоем вечной мерзлоты запасов ископаемого топлива.

«Мы еще не знаем, представляет ли это риск для людей в Арктике», — говорит Натали. Она и ее коллеги пытаются дать ответ на этот конкретный вопрос, и, кроме того, занимаются поиском других кратеров, используя для этого изображения высокого разрешения, полученные с помощью спутников.

«Как только мы находим что-то похожее на кратер, мы используем временную последовательность изображений очень высокого разрешения, то есть речь идет о сделанных в разное время снимках со спутников, а затем пытаемся установить, когда они сформировались», — говорит она. Судя по всему, работа этих специалистов позволяет говорить о том, что там существует больше кратеров, чем было принято считать ранее. «Пока мы установили и подтвердили места образования двух новых кратеров, а есть еще несколько кратеров, подтверждением существования которых мы в настоящее время занимаемся. У нас примерно две дюжины таких кратеров в категории „весьма вероятно”, и в настоящее время мы занимаемся их проверкой. Если учесть тот факт, что в 2013 году мы вообще ничего о них не знали, есть вероятность того, что их там может быть еще больше».

В конечном счете Натали и члены ее команды надеются собрать достаточное количество данных для того, чтобы автоматизировать процесс поиска. Их главная цель состоит в том, чтобы разработать такой алгоритм, который позволил бы предсказывать появление кратеров еще до их образования, а для этого нужно вести поиск выделяющих газы бугров пучения с помощью полученных со спутников изображений.

«Мы надеемся добиться такого результата, который позволит определить место возможного появления кратеров еще до их образования, — говорит Натали. — Потребность в получении информации о такого рода процессах особенно велика в тех районах, где живут люди, где проходят трубопроводы, где находятся элементы нефтегазовой инфраструктуры».

Попытка установить, насколько распространенными являются подобные кратеры, является медленным процессом. После бурного процесса образования большинство из них почти также быстро исчезают. Так, например, образовавшийся провал после взрыва около населенного пункта Саяха — 70 метров в ширину и более 50 метров в глубину — всего через четыре дня заполнился водой, причиной чего стала близость реки. Подобного рода превращение дыры в озеро можно считать довольно безвредным окончанием столь драматического явления.

Другие кратеры медленнее заполняются водой, однако через год или два острые края этой темной и мрачной раны разрушаются, заполняются водой и становятся почти неотличимыми от тысяч других небольших круглых озер, — их называют термокарстовые озера, — разбросанных на территории этой местности. Пока неясно, какие из них являются рубцами, напоминающими об эмиссии газа.

«Не исключено, что некоторые из этих озер в зоне вечной мерзлоты представляют собой заполненные водой кратеры, — говорит Кизяков. — Пока еще слишком рано говорить о том, насколько общим является механизм формирования озер».

Некоторые специалисты пытаются определить озера, возникшие в результате выброса газа, с помощью анализа содержащихся в воде химических веществ, но пока им не удалось выявить какие-либо общие закономерности.

Попытки определить, насколько частыми являются подобные события, вызваны не только простым любопытством. Растет беспокойство по поводу того, что появление такого рода кратеров на северо-западе Сибири может быть связано с более масштабными изменениями, происходящими в Арктике из-за изменения климата.

Температура у поверхности земли в Арктике повышается в два раза быстрее средних глобальных показателей, и это вызывает большие масштабы таяния вечной мерзлоты в летние месяцы.

Одно это уже меняет арктический ландшафт и приводит к оседанию почвы и к оползням, которые получили название оттепельные впадины (thaw slumps). В Сибири, судя по всему, происходит самое большое количество подобных оползней на планете — самый большой из них котловина Батагайка — сначала, в 1960-х годах, там был лишь небольшой овраг, а теперь ширина этого кратера составляет 900 метров.

«Насколько мне известно, нигде на планете изменение климата на вызывает такого изменения физического состава почвы», — говорит Натали.

Под слоем арктической вечной мерзлоты скрывается огромное количество углерода — примерно в два раза больше того, что в настоящее время находится в атмосфере Земли. По большей части это замороженные останки животных и других органических материалов, а также метан, оказавшийся внутри этих ледяных кристаллов, — это и есть газовые гидраты, о которых ранее говорил Чувилин. Когда почва на поверхности оттаивает, это позволяет микроорганизмам разрушить органическую материю, а в результате в качестве побочного продукта этого процесса образуется метан и двуокись углерода, тогда как содержавшийся в толще льда метан тоже вырывается на свободу.

Будучи мощным парниковым газом, этот метан, вырывающийся из-под слоев вечной мерзлоты, способен ускорить глобальное потепление и вызвать таким образом еще большее таяние.

Однако на Ямале образовавшиеся кратеры свидетельствуют о перспективах другого процесса, который добавляет еще больше неопределенности в сложную петлю обратной связи между повышением температуры, таянием вечной мерзлоты и выбросом парниковых газов. Если выяснится, что скопившийся на глубине под слоем вечной мерзлоты метан начнет просачиваться наружу через обычно непроницаемые слои вечной мерзлоты, это может быть сигналом того, что замороженная ледяная корка над поверхностью тундры становится все более проницаемой. Это может означать еще больше неопределенности относительно того, как изменения в Арктике будут воздействовать на более масштабное глобальное потепление на нашей планете.

«Эти кратеры являются весьма шокирующим свидетельством того, что происходит в Арктике в более широком смысле, — говорит Натали. — Если посмотреть на изменения, которые идут во всем этом регионе, то некоторые из них происходят постепенно, тогда как другие — внезапно. Очень немногие из них носят взрывной характер, однако все это заставляет обратить внимание на то, как все они способствуют увеличению выбросов в атмосферу парниковых газов».

Хотя специалистам еще только предстоит разгадать загадку ямальских кратеров, уже можно сделать вывод о том, что нам, вероятно, нужно внимательно следить за ними в будущем.