геофизика

ответы Михаил Эпов академик РАН, директор Института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН
вопросы Мария Роговая
фотографии Майя Шелковникова

Расскажите, пожалуйста, об экологических проектах института. Например, про изучение гигантской воронки на Ямале.

Большинство экологических проблем — междисциплинарные. Когда происходят какие-то катаклизмы, как, например, образование глубокого кратера на Ямале, то для решения вопроса нужно временно, на год-два-три объединить силы нескольких институтов, иногда даже разных ведомств. Хочу отметить, что на Форсайтах эта схема зачастую доводится до абсурда — мол, никакие институты вообще не нужны, собрались в Интернете на каком-то сайте разные ученые и мозговым штурмом проблему решили. И такие забавные организационные предложения у нас иногда генерируют вполне официальные структуры! Как любая крайность, она пародирует действительность. На практике в институте создан временный научный коллектив "Ямал", куда, кроме геофизиков, входят химики, физики-гидродинамики и даже медики. Ведь взрывоподобное явление с выходом на поверхность огромных объемов газа может произойти не только в чистом поле, но и вблизи населенного пункта. Нужно четко понимать, как работать с последствиями таких извержений. Мы сейчас очень плотно сотрудничаем с структурами правительства Ямало-Ненецкого АО. Вопросов много, и они разные — от исследования сейсмоустойчивости трубопроводов, которые расположены всего в 6 км от воронки, до изучения геофизиками рельефа полуострова для выявления его элементов, свидетельствующих о возможной подготовке таких взрывов.

Воронка на Ямале стала сенсацией, но ажиотаж прошел, и СМИ о ней быстро забыли. Есть ли оттуда новости?

Первый раз наши сотрудники выезжали на место ровно год назад. Это была хорошо оснащенная экспедиция, в ходе которой были сделаны все необходимые измерения. На сегодняшний день на Ямале найдено, как минимум, пять или шесть аналогичных воронок, образовавшихся из-за повышения температуры в слое вечной мерзлоты с высоким содержанием газогидратов. От нагрева метан из гидратного соединения начинает переходить в газовую фазу, увеличиваясь в объеме примерно в 150 раз, что с большой вероятностью ведет к взрыву. Спустя годы образованные воронки наполняются талой водой и превращаются в глубокие озера идеально круглой формы. Таких озер на Ямале довольно много.

А в этом году ваши сотрудники посетили место взрыва?

Несмотря на то что полевые работы очень дороги, а эта тема не финансируется из госбюджета и не входит ни в какие программы и конкурсы, в сентябре отработала комплексная экспедиция, логистически поддержанная Центром освоения Арктики. В нее входили наши геофизики, а также ученые из Института криосферы земли СО РАН и специалисты из МГУ. Среднегодовая температура воздуха на Ямале продолжает расти вследствие глобального потепления климата в арктической зоне. Это означает, что образование таких кратеров будет продолжаться, и нашей задачей станет, по возможности, минимизировать потери. На обратном пути из экспедиции с вертолета неподалеку от предыдущей воронки были обнаружены бугры пучения, на месте которых, по нашим представлениям, и образуются взрывные воронки. В последующем на космоснимках были выделены и другие аналогичные структуры. Иными словами, это следующие кандидаты. Высказывается экзотическая идея по спасению ситуации — снизить напряженность земной коры с помощью небольших искусственно спровоцированных землетрясений, которые запустят "спусковой механизм", позволяя образовавшемуся газу постепенно беспрепятственно выйти на поверхность, и не дадут нагревающемуся газогидрату накопить энергию для взрыва. К сожалению, на Ямале зона вечной мерзлоты находится в температурном диапазоне не намного ниже нуля, при котором начинается деградация газовых гидратов. Это означает, что число таких воронок со временем может сильно возрасти, покрывая районы вечной мерзлоты. Особую опасность развитие этого процесса представляет в зоне газопроводов и мест газодобычи.

В Ямало-Ненецком АО система трубопроводов будет расширяться? Там планируется главный источник газа и нефти для России?

Сейчас основной нефтедобывающий регион страны — Ханты-Мансийский АО. Но недавно произошедшее сравнительно небольшое падение добычи нефти в Западной Сибири удалось компенсировать наращиванием добычи газоконденсата в ЯНАО. Ямал располагает собственным значительным потенциалом по наращиванию добычи нефти. Развитие транспортной трубопроводной инфраструктуры позволит в ближайшие годы значительно нарастить объем добычи нефти на территории Ямало-Ненецкого АО, и никакие природные катаклизмы не должны этому помешать.

Получается, что тот газ, который остается в недрах, представляет серьезную угрозу? Значит, нужно разработать метод добычи газа из газогидратов?

Работы по газогидратам наиболее интенсивно ведутся в Японии. В нашей стране они находятся на самом начальном этапе и еще очень далеки от практического применения. Мои надежды больше связаны с запасами водорастворенного газа. Сейчас мы заняты поиском партнеров для разработки технологии его извлечения. Надеюсь, что в этом примут участие Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, Институт прикладной физики РАН из Нижнего Новгорода и другие академические организации. Ведь запасы свободного газа постепенно истощаются и добывать его приходится во все более экстремальных условиях. Сланцевый газ, о котором так много говорят, содержит около 14% метана. А водорастворенный газ в пластовых водах — это метан на 90-95%. Только в одной Западной Сибири по оценкам член-корреспондента РАН И.И. Нестерова его почти на порядок больше, чем запасов свободного газа в РФ, то есть более десяти триллионов кубометров. Его можно выделить, просто выкачав воду, но куда девать такое гигантское количество воды? Другой способ выделить газ — добавить в воду соль. Но это тоже экономически очень затратно. В ИГиЛ одна из оборонных тематик, порученных М.А. Лаврентьеву, была связана с изучением процессов кавитации. Подводная лодка при движении в морской воде не должна была оставлять на поверхности пузырьков воздуха, чтобы не быть замеченной. Наша задача ровно противоположная. Необходимо вызвать как можно большее выделение газовых пузырьков из пластовой воды, заполняющей поры пород-коллекторов. Если мы придумаем рентабельный метод, у нас появится принципиально новый, практически неисчерпаемый источник чистого газа. Для испытания методов можно использовать уже отработанные и выведенные из эксплуатации скважины, а их только в широтном Приобье около 30 тысяч.

В советское время у вас велись секретные работы по разработке газоанализаторов. Они оказались востребованы для борьбы с терроризмом или были диверсифицированы?

Тогда эти работы велись в СКТБ геофизического приборостроения, который в 2006 году вошел в состав института. Немного отвлекаясь на злободневную тему о реструктуризации академических институтов, сейчас проводимой ФАНО. Мы эту работу сделали почти 10 лет назад, еще в 2006 году, объединив в один два института — геологии нефти и газа, геофизики, а также уже упомянутое СКТБ. Возвращаясь к вашему вопросу, я прокомментирую только ту часть этих работ, которая трансформировалась в мирные приложения. На базе газоанализатора разработан прибор, который анализирует состав выдыхаемого пациентом воздуха на предмет ранней диагностики первых признаков сахарного диабета. По сути, это методика неинвазивной (без вторжения в организм) оценки повышенной концентрации глюкозы в крови по содержанию ацетона в выдыхаемом человеком воздухе. Ацетон вырабатывается в человеческом организме за счет неполного окисления жиров и белков. Порог чувствительности для определения концентрации ацетона с помощью разработанной аппаратуры ниже 0,1 мг/м3 ацетона в воздухе, что примерно в 10 раз ниже нормы для здорового человека. Полный цикл анализа после выдоха не превышает трех минут. С помощью разработанного прибора можно определить угрозу возникновения сахарного диабета первого типа задолго до опасного для жизни развития заболевания. Еще один прибор разработан для оперативной диагностики отмирания тканей поджелудочной железы при остром панкреатите. Он уже прошел испытания на лабораторных животных. Распознавание различных форм острого панкреатита с использованием этих методов нередко сопряжено с большими трудностями. Запоздалая диагностика и связанная с ней нерациональная тактика лечения этих пациентов не позволяет надеяться на благоприятный исход заболевания. Несмотря на значительные успехи в лечении острого панкреатита, летальность среди таких пациентов остается очень высокой. Существующие методы оценки функционального состояния поджелудочной железы и прогнозирования исхода острого панкреатита не дают объективной картины, поскольку между диагностическими процедурами функциональное состояние поджелудочной железы может сильно меняться. Патологический процесс в поджелудочной железе требует непрерывной регистрации. Предложенный совместно с научными сотрудниками Новосибирской государственной медицинской академии метод многоканальной синхронной регистрации электрических потенциалов из различных областей поджелудочной железы позволил вывести исследования на качественно новый уровень. Методы, используемые в обоих медицинских приборах, взяты из геофизической практики. Это оптимально для регистрации интеллектуальной собственности, ведь патенты обычно оформляются на одну область применения, а сходная технология, используемая в другой области, обычно охраняется уже другим патентом. Так что это поле деятельности для нас открыто.

Какие исследования и прикладные работы позволяют делать современные геофизические приборы?

В 2014 году в институте был разработан и изготовлен опытный образец аэрогеофизического комплекса с магнитометрическим каналом, размещенный на борту сверхлегкого беспилотного летательного аппарата. Наземная разведка очень часто занимает много времени, а полевой сезон у геологов и археологов, особенно в Сибири, очень короткий. Летающая платформа комплекса представляет собой октокоптер оригинальной конструкции со стандартным автопилотом. Полеты выполняются в автоматизированном и ручном режимах управления. Высокая частота измерений позволяет проводить детальное обследование (шаг съемки 20 см) со скоростью движения до 20 км/ч. Общий вес комплекса, размещаемого для транспортировки в стандартном рюкзаке, составляет около 7 кг, время подготовки к полету — 15 минут. Проверка достоверности результатов магнитной съемки с применением беспилотной аэрогеофизической технологии производилась сравнением с результатами наземной съемки. Полевые испытания летом 2014 года на археологических памятниках в Новосибирской области и на геологических объектах в Хакасии подтвердили высокую производительность и повышенную информативность новой технологии. В сентябре 2015 года технология успешно прошла проверку и испытания на залесенном полигоне в Якутии с выполнением за 2 дня высокоточной магнитометрии на профилях общей длиной 100 км. Другая уже широко внедренная технология — трехмерная электротомография. С ее помощью можно исследовать структуру древних вулканов, а можно выяснить причину разрушения жилых домов. И то, и другое — работы разных лабораторий института. Выявляя источники постоянного затопления подвала 12-этажного жилого дома, геофизики обнаружили не только протечки из канализационной трубы, проложенной под домом, но и обширные участки глинистых грунтов, сильно напитанные вытекающими водами. Электротомография показала, что механические свойства несущих грунтов сильно снизились из-за потери переувлажненными глинами несущей способности. Вследствие этих процессов несущая опора строения перекосилась, а посреди стены из-за просадки одной секции здания появилась заметная горизонтальная трещина. Проблема затопления подвала трансформировалась в проблему аварийного состояния самой конструкции здания. Заменить протекающую трубу под домом оказалось явно недостаточно. Чтобы он не обвалился, нужно укреплять весь объем промокшего грунта, а затем уже производить капремонт треснувших наружных стен. Такие исследования не попадают в высокорейтинговые иностранные журналы, но они могут спрогнозировать катастрофические явления, сопряженные с человеческими потерями.

Расскажите, пожалуйста, про нашумевшую статью сотрудника института о гигантских древних вулканах, вышедшую в Science три месяца назад.

Статья посвящена супервулканам Йеллоустоун в США. Супервулканами называют те из них, что извергали тысячи кубических километров лавы и пепла за один цикл в виде колоссального взрыва. Томография глубинных структур под вулканами Йеллоустоун позволяет понять саму природу этих суперизвержений. Ведь даже очень большой объем изверженной породы может поступать на поверхность Земли постепенно, безо всяких катаклизмов, как в случае с гавайскими вулканами. След Гавайского вулканизма в виде цепочки крупных подводных островов, образованных в результате выхода на поверхность струй раскаленного мантийного вещества, прослеживается на дне Тихого океана на тысячи километров до самых берегов Камчатки. Но эти острова "росли" постепенно, без взрывов. Оказалось, что взрывы происходят из-за накопления в неоднородных глубинных структурах раскаленного мантийного вещества, которое не способно пробить некоторые породы, работающие как плотная крышка. В результате жидкость пробивает их единовременно и взрывообразно лишь спустя тысячи или даже миллионы лет, накопив необходимое давление и колоссальный объем извергаемой породы. Изучение глубинных структур может выявить вероятность новых суперизвержений в ближайшем геологическом будущем, то есть в перспективе на миллионы лет. Вообще такие суперизвержения были, по-видимому, редкими явлениями на нашей планете, и каждое из них могло кардинально поменять на Земле климат, рельеф и уничтожить почти все живое. Существует даже гипотеза, согласно которой ледниковый период начался после взрыва 26,5 тысяч лет назад супервулкана Таупо в Новой Зеландии. А по другому, пока также не подтвержденному предположению, древнее население было практически истреблено после извержения, произошедшего 72 тыс.лет назад, супервулкана Тоба на Суматре и извергнувшего около трех тысяч кубических километров лавы и пепла. При этом отдельные люди, выжившие после такого глобального катаклизма, сумели приспособиться к экстремальным условиям, что помогло им подняться выше по ступеням эволюции.

В институте предложена не менее экзотичная гипотеза о причинах наступления ледникового периода?

Это оригинальная гипотеза, согласно которой похолодание климата 715 миллионов лет назад является не причиной, а следствием биологической эволюции. В период 720-520 млн лет назад на Земле появились животные, которые играют ведущую роль в структуре и функционировании современных экосистем. Все организмы трансформируют окружающую среду, однако благодаря передвижению, эффективному переносу питательных веществ и способности контролировать пищевую цепь животные стали самыми могущественными конструкторами экосистем. Достоверно установлено, что 715 млн.лет назад на Земле произошло глобальное похолодание климата, не имеющее аналогов как в последующей истории, так и в предшествующие 1,5 млрд лет. Похолодание климата сопровождалось крупными оледенениями, которые привели к накоплению ледниковых отложений даже в приэкваториальных областях. Состояние, в котором тогда находилась биосфера, получило название Snowball Earth — Земля, похожая на снежный шар. 98% ее поверхности было покрыто льдом. Большинство исследователей считает, что для похолодания необходимо снижение концентрации парниковых газов в атмосфере. Как показывает палеонтологическая летопись, накануне глобального оледенения происходит увеличение среднего размера клеток, а у микроорганизмов появляется минеральный скелет (раковины, панцири) и возрастает биомасса. Все это привело к появлению большого количества растворенного органического вещества, в конечном итоге погружающегося в глубины океана, где в то время превалировали бескислородные условия. Потребление органического вещества сульфат- и железо-восстанавливающими бактериями в бескислородных условиях сильно увеличило щелочность воды. В такой воде, в свою очередь, стали образовываться карбонаты, связывая углекислый газ из воздуха. В результате концентрация парникового углекислого газа в атмосфере существенно уменьшилась, что и привело к глобальному оледенению.