Геомеханическая модель образования воронки на земной поверхности в зоне вечной мерзлоты

Природа образования гигантских кратеров на земле Ямала до последнего времени остается не окончательно выяснена. Предлагались теории выброса большого объема мерзлой почвы и льда под действием усиления таяния верхней части вечной мерзлоты вследствие аномального потепления. Позднее группой В. И. Богоявленского выдвинута другая гипотеза, связанная с естественным газодинамическим механизмом, толкающим газ из области высоких давлений в область низких, то есть к поверхности земли. Была сформулирована и опубликована модель с газонасыщенной термокарстовой полостью в толще льда. Согласно этой модели, накопление газа, повышение давления и развитие газодинамических процессов в полости приводят к ее взрыву и образованию кратера. Авторами настоящей статьи в качестве изучения одной из возможных гипотез образования таких воронок предлагается использовать геомеханический подход. Этот подход основан на эволюции напряженно-деформированного состояния массива в зоне вечной мерзлоты за счет развития процесса трещинообразования, вызванного совокупностью многих факторов, наиболее существенным из которых является разложение газогидратов. При климатическом или техногенном повышении температуры криолитовой зоны разложение газогидратов сопровождается образованием большого количества свободного метана, который может влиять на геомеханические процессы. Данные, полученные в процессе компьютерного моделирования, показывают, что используемая компьютерная модель обладает качествами, необходимыми для адекватного описания трещинообразования в геосреде, и допускает как динамический режим развития геопроцессов, так и квазистатический режим с постепенным выходом метана по локальным трещинам в приповерхностной области.

Одинцев В. Н., Трофимов В. А., Филиппов Ю. А., Шиповский И. Е. Геомеханическая модель образования воронки на земной поверхности в зоне вечной мерзлоты // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. № 12-1. — С. 159—166. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_121_0_159.

Одинцев Владимир Николаевич¹ — докт. техн. наук, ведущий научный сотрудник, odintsev.v@ipkonran.ru;
Трофимов Виталий Александрович¹ — докт. техн. наук, зав. лабораторией, trofimov.v@ ipkonran.ru;
Филиппов Юрий Алексеевич¹ — канд. техн. наук, ст. научный сотрудник, shipovskiy_i@ ipkonran.ru;
Шиповский Иван Евгеньевич¹ — канд. техн. наук, ст. научный сотрудник, shipovskiy_i@ ipkonran.ru;
¹ Институт проблем комплексного освоения недр им. академика Н. В. Мельникова Российской академии наук 111020, Москва, Крюковский тупик, д. 4, Россия.

1. Богоявленский В. И. Угроза катастрофических выбросов газа из криолитозоны Арктики. Воронки Ямала и Таймыра // Бурение и нефть. — 2014. — №9. — С.13—18.

2. Богоявленский В. И. Природные и техногенные угрозы при освоении месторождений горючих ископаемых в криолитосфере Земли // Горная промышленность. — 2020. — №1. С.97—118.

3. Bogoyavlensky V., Bogoyavlensky I., Nikonov R., Kargina T., Chuvilin E., Bukhanov B., Umnikov A. New Catastrophic Gas Blowout and Giant Crater on the Yamal Peninsula in 2020: Results of the Expedition and Data Processing.Geosciences 2021, 11, 71

4. Хименков А. Н., Станиловская Ю. В. — Феноменологическая модель формирования воронок газового выброса на примере Ямальского кратера // Арктика и Антарктика. — 2018. — № 3. — С. 1—25.

5. Кизяков А. И., Сонюшкин А. В., Лейбман М. О., Зимин М. В., Хомутов А. В. Геоморфологические условия образования воронки газового выброса и динамика этой формы на центральном Ямале // Криосфера Земли. 2015. Т. XIX. No 2. . 15–25.

6. Перлова Е. В., Микляева Е. С., Леонов С. А., Ткачёва Е. В., Ухова Ю. А. Газовые гидраты полуострова Ямал и прилегающего шельфа Карского моря как осложняющий фактор освоения региона. // Вести газовой науки. 2017. № 3 (31). С. 255—262.

7. Истомин В. А., Нестеров А. Н., Чувилин Е. М., Квон В. М., Решетников А. М. Разложение гидратов различных газов при температурах ниже 273К // Газохимия. 2008. № 3. С. 30—44.

8. Majorowicz J., Osadetz K., Safanda J. Models of Talik, Permafrost and Gas Hydrate Histories — Beaufort Mackenzie Basin // Canada Energies. 2015. V8. Pp, 6738—6764.

9. Одинцев В. Н., Милетенко Н. А. Прорыв воды в горные выработки как следствие самопроизвольного гидроразрыва массива пород // ФТПРПИ. 2015. № 3. С. 3—16.

10. Одинцев В. Н., Милетенко И. В., Милетенко Н. А. Новый геомеханический подход к прогнозу опасных гидрогеологических процессов при подземной разработке твердых полезных ископаемых // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2011. — № 7. С. 103—108.

11. Александров А. Я., Соловьев Ю. И. Пространственные задачи теории упругости. — М.: Наука, 1978. — 464 с.

12. Nikitin L. V., Odintsev V. N. Axisymmetric self-similar dynamic problem for an elastic half — space with mixed moving boundary conditions // Archives of Mechanics. — 1973. — Т. 25. — № 2. — С. 351—363.