Новости Национального арктического научно-образовательного консорциума

НАУКОГРАД: Арктические тайны Анны Курчатовой 10.02.2018

НАУКОГРАД: Арктические тайны Анны Курчатовой

Основная задача кандидата геолого-минералогических наук, доцента кафедры Криологии Земли Анны Курчатовой на ближайшую перспективу — разгадать тайну формирования пластовых льдов. Условия их образования до сих пор остаются в центре жарких дискуссий научной общественности. В 2018 году начнётся реализация проекта «Флюидная проницаемость мерзлых толщ геодинамически активных зон Гыданского полуострова», результаты которого могут привести к новым гипотезам и, возможно, научным открытиям.

— Анна Николаевна, расскажите подробнее о проекте, на что он направлен?

— По результатам конкурсного отбора нам удалось выиграть грант Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ). В основе этой победы — содружество двух крупнейших вузов: Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова и Тюменского индустриального университета. В реализации проекта будут принимать участие руководитель учебно-научной геохимической лаборатории Института геологии и нефтегазодобычи Михаил Заватский и его аспиранты, профессор МГУ Виктор Рогов и сотрудники лаборатории криотрасологии Субарктического полигона ТИУ. В лаборатории криотрасологии будем исследовать геокриологическую часть вопроса, а в геохимической лаборатории — газовый состав льда и керна. Надеемся, что полученные результаты помогут понять газонасыщенность мерзлых пород и подземных льдов, установить механизм миграции газа и условия проницаемости мерзлых толщ.

— Этот вопрос имеет прикладное значение, к каким последствиям может привести миграция газа?

— Действительно, вопрос не только фундаментальный, он имеет и прикладное значение. В настоящее время в Арктике расширилась география разрабатываемых месторождений углеводородов, включая добычу нефти. Температура флюида на устье скважин достигает 20 градусов и выше, в процессе эксплуатации происходит значительное растепление мерзлых грунтов вокруг ствола скважины. И если при добыче сеноманского газа с температурой около 10 градусов проблемы в основном были связаны с формированием приустьевых воронок за счет вытаивания льда и льдистых грунтов, то в связи с разработкой более глубоких горизонтов и, следовательно, более горячих флюидов, наиболее остро встал вопрос газопроявлений при бурении в мерзлой толще. Возможными источниками может быть газ, образовавшийся на месте при разложении органики, природный газ более глубоких продуктивных горизонтов, техногенные скопления, сформировавшиеся в результате утечек при разведочном бурении. До настоящего времени также обсуждается проблема существования газогидратов в мерзлых толщах. Вопрос достаточно серьёзный и в первую очередь касается безопасности бурения скважин и эксплуатации месторождений. Основную часть мигрирующего газа (более 90%) составляет метан, высокая концентрация которого в воздухе становится взрывоопасной.

— Подобные исследования проводились?

— Эмиссия метана из мерзлых толщ давно привлекает внимание ученых, как в России, так и в других странах. Периодически в научной литературе появляется «сенсационное» сообщение о «метановой бомбе», которая может взорваться либо при таянии подземных льдов, либо при разложении газогидратов на шельфе арктических морей. При этом мерзлые толщи воспринимаются как непроницаемый экран на пути глубинных флюидов, но как показывает опыт проведения поисковой газохимической съемки, в том числе по снежному покрову, абсолютных покрышек не бывает. В проекте впервые ставится задача исследования флюидной проницаемости мерзлых толщ в особых геодинамически активных зонах. У нас есть задел совместных исследований на Тазовском полуострове, где был исследован керн 30-метровой скважины, пробуренной на вершине бугра пучения, а в новом проекте основным материалом является керн уже 100-метровых скважин. Финансирование проекта рассчитано на три года, надеемся, что за это время мы осуществим всё задуманное и сможем не только поделиться результатами с научной общественностью, но и дать рекомендации нефтяным компаниям.

— Лаборатория криотрасологии уникальна в своём роде, аналогов в России нет, в чём её уникальность?

— Это единственный в России лабораторный центр, где можно изучать микростроение мерзлых пород и льда в их ненарушенном состоянии. Поскольку для лабораторного исследования мерзлых грунтов классическими геологическими методами необходимо их протаивание, то в результате происходит безвозвратная потеря уникальности мерзлоты, т. е. самого льда. В лаборатории криотрасологии разработана методика исследования микростроения мерзлых пород с применением электронной микроскопии с помощью метода реплик. Тюменский индустриальный университет обладает патентом специальной пробоподготовки мерзлых грунтов и льда для этих исследований, основным автором-разработчиком является наш коллега — профессор МГУ Виктор Рогов. Метод реплик позволяет детализировать микростроение в зависимости от разрешения электронного микроскопа, так что можно различить даже такой малоразмерный компонент, как микроорганизмы, их взаимоотношение с минералами, с газовыми включениями, то есть весь микромир, микрокосмос. В частности, одно из направлений научной деятельности — это проблема экологии микроорганизмов в мерзлых грунтах, то, как они локализованы, какие бактериальные структуры образуют. При этом можно наблюдать изумительные картины, рожденные природой. Другое открытие, возможное только благодаря методу реплик, — это газовые кристаллиты, аномальные метастабильные кристаллы, полости которых заняты газом. Они отличаются от обычных плоских кристаллов, формирующих подземные и наземные льды. Но это и не газогидраты, которые существуют при высоких давлениях в недрах земли. Благодаря кристаллитам газонасыщенность пород может быть гораздо выше, кроме того, были обнаружены признаки деформаций сдвига мерзлых толщ, которые мы хотим проверить при выполнении гранта РФФИ.

— Какими ещё приборами оснащена лаборатория?

— Приборная база лаборатории основана на трёх «китах». На первом месте (в том числе по времени приобретения) — это сканирующий электронный микроскоп ТМ3000 (Hitachi), оборудованный системами спектрального микроанализа SwiftED (Oxford) и напыления образцов Quorum. О применении этого прибора для изучения мерзлых пород мы уже говорили. К его достоинствам относится низкий вакуум, благодаря чему возможно изучение слабо проводящих объектов, в частности к которым относятся грунты, компактность и экономичность в обслуживании. Следующий «кит» — это лазерный гранулометр Mastersizer 3000 (Malvern), с помощью которого возможно выполнять гранулометрический анализ различных дисперсных грунтов с высокой степенью детальности на микрообъемах образца. Программное обеспечение позволяет привести шкалу к классической инженерной, либо к той, что применяется в российской литологии, либо к международной шкале. Благодаря уникальному оптическому модулю измеряемый диапазон от 1 микрона до 2 миллиметров, при этом увеличивается и скорость выполнения анализа, в отличие от классического ситового и аэрометрического методов. Следующий прибор — рентгеноструктурный порошковый дифрактометр D2 PHASER фирмы Bruker, в котором сочетается высокое качество анализа кристаллических фаз с компактностью и безопасностью. Для обработки полученных дифрактограмм используются программные комплексы Eva (качественный полуколичественный анализ) и Topas (количественный анализ по методу Ритвельда), в комплекте с программами есть базы порошковых данных ICDD. В криолитологических исследованиях для определения интенсивности процессов криогенеза используется коэффициент криогенной контрастности, то есть оценка соотношения содержания кварца и полевого шпата в разных фракциях. Раньше эта тяжелая рутинная работа требовала огромных затрат времени, усидчивости, поэтому эти данные были весьма ограничены. Сейчас за короткое время можно обработать значительное количество образцов и определить степень воздействия криогенеза по разрезу или по территории.

— То есть благодаря прибору вы можете определить мерзлое существование горных пород в прошлом в южных регионах?

— Да, например, существует научная проблема о происхождении лёссов, какой фактор является определяющим: эоловый или криогенный, какова доля каждого из этих процессов в формировании этих грунтов. Лёссы встречаются на юге России, есть мощные (до 300 м) толщи в Китае, вопрос, как они сформировались в районах, где в настоящее время нет мерзлых грунтов. Так, выпускница кафедры Криологии Земли ТИУ, поступившая без экзаменов в магистратуру МГУ по результатам универсиады «Ломоносов», пишет дипломную работу на тему: «Сравнительный анализ лёссов в низовьях Волги и покровных суглинков Воркутинского района», сейчас она продолжает исследования в лаборатории криотрасологии. Проводят свои исследования студенты и аспиранты других кафедр Тюменского индустриального университета, например, кафедры общей химии, а также студенты других тюменских вузов. Так, среди объектов исследований были титановые импланты и даже слезы — при изучении заболеваний глаз студентами Тюменского государственного медицинского университета.

— Уникальна не только лаборатория, но и само направление, что оно обозначает?

— «Криотрасология», это направление, которое предложил академик Владимир Мельников. «Криос» — от греческого «холод», а «трасология» — это направление в криминалистике, когда по отпечаткам обнаруживают преступника. В нашем случае тоже есть виновник событий — это лёд. Каждый период эпохи похолодания (криохроны) и межледниковья (термохроны) с более высокими температурами оставляет следы, которые остаются в текстуре и структуре пород, их микростроении. Геология замечательна тем, что ни один факт не является стопроцентно определяющим, необходимы различные методы, разные доказательства, — и только тогда с большей или меньшей вероятностью можно говорить о достоверности событий.

— По определениям признаков прошлого можно делать прогнозы на будущее?

— Да, есть такой научный метод в геологии — метод актуализма, когда по следам тех или иных событий или процессов в прошлом можно прогнозировать их развитие в будущем. Таким образом, наблюдаемое в настоящее время повышение температуры и потепление климата обязательно сменится похолоданием.

— Вы преподаете на кафедре Криологии Земли опорного вуза региона, расскажите о достижениях ваших учеников…

— Учебный курс «Основы криогенеза» читается бакалаврам специальности «Гидрогеология и инженерная геология». Увлеченные научной работой студенты проводят свои исследования в лаборатории, результаты представляют на конференциях различного уровня, включая международные. Так, в 2016 году две наши студентки выиграли грант для участия в международной конференции по мерзлотоведению в г. Потсдам (Германия), которая проводится один раз в четыре года Международной Ассоциацией по мерзлотоведению (International Permafrost Association). Необходимо было не только подготовить доклад на английском языке, но и представить презентацию о личном участии в выполнении исследований. Наташа Таратунина подготовила работу на основе полевых материалов, собранных на учебной геокриологической практике в Чаре (Забайкалье). Ещё одна участница конференции Эльмира Галеева выполнила очень интересную работу по сравнению пластовых и полигонально-жильных льдов. Для изучения кристаллической структуры подземных льдов она использовала метод шлифов, который заключается в фотографировании тонких пластин льда в поляризованном свете. Затем по полученным фотографиям проводится анализ морфологии кристаллов, степень их изометричности, удлиненности, извилистости границ, полученные результаты помогают понять механизм формирования льдов, процессы их последующего изменения. Например, кристаллическое строение льда воронки газового выброса на Ямале свидетельствует о высокой степени газонасыщенности, деформациях сдвига. Получается, что пластовые льды не статичны, они текут, то есть двигаются по типу горных ледников. Понятно, что для движения должен быть какой-то толчок, это может быть флюидодинамика, которая обусловлена тектонической активностью, либо это связано с изменением условий теплообмена на поверхности.

— Тема Арктики очень популярна, спрос на выпускников кафедры превышает предложение?

— Все ведущие государства мира в той или иной степени занимаются проблемами Арктики и Антарктики. Исследование космоса, Арктика, экология — это те направления, которые выделяют передовые страны от всего остального мира. Например, в Германии есть только вялая горная мерзлота в Альпах, но они обладают самым крупным научно-исследовательским судном в мире — это ледокол «Polar Shtern» («Полярная Звезда»), на котором проходят экспедиции, как в Антарктику, так и Арктику. Несмотря на то, что у нас больше половины территории страны заняты мёрзлыми грунтами, студентов–геокриологов готовят всего три университета: Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова (2 научные школы: кафедра геокриологии на геологическом; кафедра криолитологии и гляциологии на географическом факультете), кафедра геокриологии в Северо-Восточном федеральном университете им. М. К. Аммосова (г. Якутск) и кафедра криологии Земли, возглавляемая академиком Владимиром Мельниковым, в Тюменском индустриальном университете. Для такой огромной территории — это, конечно, совсем немного. Особенно с учетом того, что основная ресурсная база углеводородов: Западная и Восточная Сибирь — это районы распространения мерзлых грунтов. Для строительства, разработки и эксплуатации месторождений необходимы не только знания нюансов холодного климата, адаптации техники и людей к суровым природным условиям, но и характеристика мёрзлой толщи, ее специфика. В противном случае возможны серьезные ошибки, особенно в условиях наблюдаемого повышения температуры воздуха. Кстати, российские специалисты — геокриологи востребованы во всем мире. Так, научное сообщество мерзлотоведов США в настоящее время возглавляет выпускник МГУ — Дмитрий Стрелецкий. Активное развитие Арктики, внимание государства к северным территориям все-таки рождает уверенность, что наши выпускники будут востребованы и найдут достойное место в родной стране.

Беседовала Инна Кальва,
Пресс-служба ТИУ



Возврат к списку