Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Одной из фундаментальных проблем геокриологии и климатологии – в контексте выявления климатических последствий деградации подводной мерзлоты и дестабилизации арктических шельфовых гидратов, является вопрос о роли миграции морской соли (солевого эффекта) в деградации подводной мерзлоты. Ранее авторской группой было обнаружено, что средние скорости вертикальной деградации подводной мерзлоты на мелководном арктическом шельфе составляют примерно 14 см в год (см. Shakhova et al., Nature Communications, 2017), что значительно выше скоростей рассчитанных на основе математического моделирования, в котором основную роль играет термодиффузия (работы Н. Романовского, В. Соловьева, А. Гаврилова, и др.). Поэтому была высказана гипотеза о важной и недоучтенной роли солепереноса в арктической морской системе придонная вода-донные осадки. В ходе выполнения данного проекта была отработана методика экспериментального моделирования процессов таяния порового льда и диссоциации порового гидрата в мерзлых гидратосодержащих породах при снижении давления, термических воздействиях и в условиях солепереноса. Экспериментальное моделирование влияния процессов солепереноса на диссоциацию поровых газовых гидратов при отрицательных температурах проводилось путем создания физического контакта исследуемых мерзлых гидратонасыщенных образцов с солевыми растворами при атмосферном давлении в герметичном теплоизолированном контейнере при постоянной отрицательной температуре. Таким образом, в рамках выполнения первого этапа данного проекта была отработана методика экспериментального моделирования процессов таяния порового льда и диссоциации порового гидрата в мерзлых гидратосодержащих породах при снижении давления, термических воздействиях и в условиях солепереноса. Моделирование природных процессов в донных отложениях арктических морей требует создания особых термобарических условий, характеризующихся низкими температурами и высоким давлением, как горным, так и поровым. Для проведения экспериментального моделирования была адаптирована фильтрационная установка «Гидрат», разработанная авторами совместно с ООО «Экогеоспром». Данный аппаратный комплекс и разработанные схемы подготовки и проведения испытаний позволяют определять изменения проницаемости образцов при фазовых переходах поровой влаги вода-лед, вода-гидрат, лед-гидрат, гидрат-вода, гидрат-лед. Исследована газогидратная толща с подвижными блоками, зоны контактов которых зависят от гравитационных сил и меняются в результате тектонических и сейсмических нагрузок. Переход системы в новое состояние равновесия на участках, приблизившихся к предельному состоянию, происходит скачком и сопровождается выделением энергии. Изучено напряженно-деформированное состояние газогидратной гранулы. Показано, что на ее поверхности, при сжатии на контактах с другими зернами, возникает обширная область положительных объемных деформаций, облегчающих просачивание метана в окружающее пространство. Сформулировано условие бифуркации микрополярного континуума, моделирующего поведение осадочной толщи, как причина эмиссии метана из зон скопления запертого газа в мерзлых породах и метастабильных реликтовых газогидратов. Разработан механизм изменения напряженного состояния осадочной толщи и эмиссии метана из зон скопления запертого газа в мерзлых породах и метастабильных реликтовых газогидратов. Установлено, что при сжатии газогидратных зерен на их поверхности в ледяной корке возникает обширная область положительных объемных деформаций, приводящих к увеличению выделений метана. Сформулирована модель фильтрации метана в пористой среде, учитывающая возможность его внезапного выброса вместе с породой. Процесс фильтрации описывается уравнением Лейбензона. Данная модель была апробирована на лабораторных экспериментах по фильтрации газа в пористой среде, описанных выше. Сопоставление результатов показало, что и в численной модели, и в лабораторном эксперименте разрушение начинает происходить с поверхности материала. В то же время, критическое давление, задаваемое на границе области, при котором начинает происходить разрушение, отличается не значительно (0,1048 МПа, 0,1037 МПа). Времена, за которое разрушение происходит во всей длине сред тоже сопоставимы (3 с и 4 с). Важно отметить, что достаточно простая постановка задачи фильтрации газа и выбор критерия разрушения продемонстрировала как реальность с физической точки зрения предложенного механизма образования выбросов газа (метана) и породы при увеличении потока газа на некоторой глубине в результате разложения метановых гидратов, так и появление нестабильности в экспериментах, моделирующих данных процесс. Проведено обобщение математической модели деградации углеводородосодержащего мерзлого пласта с аномально низкой проницаемостью. Обобщение опирается на развитое и разработанное в рамках данного проекта представление о физическом механизме краевого разрушения (разложения) агломерата газогидрат-лед-газ, что приводит к необходимости введения порога падения внешнего давления, и к возможности количественной оценки критического давления, связанного с прочностью корки льда, позволяющего газогидрату находиться в самоконсервированном виде. Результаты исследований показали, что скрытое давление газа существенным образом может увеличить поток свободного газа и замедлить движение фронта деградации пласта, насыщенного газогидратом и льдом. Сравнение полученных данных о скорости движении фронта деградации пласта и темпов выброса метана вполне согласуются с результатами имеющихся натурных и лабораторных экспериментов. Это направление исследований является крайне перспективным для понимания механизма восходящего движения газового (метанового) фронта, которое согласно натурным данным - полученным ранее в море Лаптевых, достигает 7-8 метров в год (см. Shakhova et al., Nature Communications, 2017). При достижении газовым фронтом поверхности осадка, происходит массированный выброс пузырькового метана в водную толщу-атмосферу. Предложенная модель и полученные результаты могут быть использованы для лучшего понимания процессов и для оценки темпов деградации вечной мерзлоты и темпов выбросов метана из областей, где газогидраты находятся в метастабильном самоконсервированном состоянии, что имеет очень важное значение, поскольку метан — мощный парниковый газ, способствующий ускорению процесса глобального потепления и связанных с этим экологическим проблемам. Разработан и изготовлен экспериментальный стенд, предназначенный для оценки количественного вклада пузырькового транспорта в вертикальный перенос метана, уточнения методов количественной оценки потока метана и оценки скорости апвеллинга (подъема) вод, вызванного всплывающими пузырьками в зависимости от их размера и потока. В результате проведенных тестовых экспериментов было показано, что различной интенсивности апвеллинг наблюдался, как при испускании одиночных пузырьков, поперечные размеры которого характерны для природных пузырьков (от 1мм до 15 мм в диаметре), формирующих газовые факелы (струи) в арктических морях, так и при непрерывном потоке пузырьков. В октябре-ноябре 2022г были выполнены комплексные натурные исследования в Карском море и в Печорском море, которые позволили выявить первые представительные районы для тестирования экспериментальных и теоретических исследований, которые выполняются в рамках данного проекта. Наиболее привлекательными представляются районы с пинго-образными (конусо-образными) структурами обнаруженными на дне исследуемых морей. Результаты комплексных исследований, выполняемых в рамках данного проекта важны не только для потенциальной оценки климатических последствий разгрузки пузырькового метана в арктической системе донные осадки-водная толща, но и для оценки геоинженерных рисков в перспективных районах освоения арктического шельфа России.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Проведены экспериментальные исследования по оценке процессов диссоциации и самоконсервации порового гидрата при снижении давления и в условиях термического воздействия, происходящих при этом фазовых переходов, а также методические и экспериментальные исследования по оценке изменения газопроницаемости мерзлых и гидратосодержащих пород. Показано, что увеличение внешнего газового давления будет существенно увеличивать сохранность гидрата метана в мерзлых гидратосодержащих образцах, находящихся в метастабильном состоянии, вследствие более эффективного проявления эффекта самоконсервации. При повышении температуры, в мерзлых породах, содержащих метастабильный гидрат, будут происходить активизации процессов разложения порового гидрата. Для экспериментальных исследований газопроницаемости в мерзлых, оттаивающих и гидратосодержащих породах была отработана методика, позволяющая моделировать различные термобарические условия в образцах грунтов в широком диапазоне температур и давлений. Предложенная методика позволяет экспериментально моделировать широкий диапазон термобарических условий, характерных как для приповерхностного, так и глубинного залегания мерзлых и гидратосодержащих пород. В ходе исследований по изучению фильтрации газа в мерзлых льдонасыщенных породах показано, что при увеличении льдонасыщенности на 10% в песчаных образцах происходит резкое снижение газопроницаемости. При повышении температуры в системе до +1°С газопроницаемость данных образцов в талом состоянии увеличивается более чем на 2 порядка. Выполнены эксперименты по оценке изменения газопроницаемости мерзлых и оттаивающих пород в условиях диссоциации порового гидрата метана. Показаны закономерные изменения газопроницаемости, обусловленные фазовыми переходами лед (вода)-гидрат. Проведено обобщение математической модели процессов промерзания пористых сред, насыщенных раствором солей, и взаимодействия раствора соли с мерзлыми проницаемыми породами. Получен математический критерий образования в мерзлых породах закрытых «карманов» с рассолами (криопэгов). Показаны закономерности влияния осмоса на процесс промерзания пород и критерий образования криопэгов. Найдено приближенное аналитическое решение задачи в автомодельной постановке и изучены его свойства. Показано, что осмос может вызвать движение (миграцию) раствора в сторону роста давления, т.е. в сторону противоположную движущей силе, вызванной градиентом давления. Выявлено, что при больших значениях осмотического коэффициента раствор втягивается в промерзающую область из талой области, а при малых – напротив, выталкивается. Сравнение результатов математических экспериментов с физическими показали не только качественное, но и количественное согласие во многом благодаря учету осмотического эффекта. Проведено математическое и экспериментальное моделирование кинетики диссоциации газогидрата, содержащегося в мерзлых породах, насыщенных также льдом и газом, при падении внешнего давления ниже равновесного. Как из математической модели, так и экспериментальным путем, получено, что деградация гидратонасыщенности мерзлой пористой среды подчиняется степенному закону. Проведенные эксперименты позволили определить значения коэффициентов степенного закона, а математическая модель показывает, как эти коэффициенты зависят от параметров задачи. При этом рассчитанные теоретически свойства остаточной гидратонасыщенности полностью подтверждаются экспериментальными данными. Проведены исследования локального апвеллинга, инициированного всплывающими пузырьками в зависимости от их интенсивности. Определены зависимости величины электропроводности от величины потока всплывающих пузырьков в стратифицированной водной толще во времени. Величины апвеллинга были определены для четырех значений пузырькового потока и трех типов всплытия, а именно: 1) для одиночно всплывающих пузырьков, 2) для непрерывных цепочек пузырьков, различной интенсивности и 3) для массированного выброса всплывающих пузырьков, формирующих мегафакелы. Минимальное значение величины локального апвеллинга составило 0,21 см∙с-1, при пузырьковом потоке равном 60 мл∙мин-1, максимальные - 2,98 см∙с-1 наблюдались при массированном пузырьковом выбросе 500 мл∙мин-1. На основе экспериментальных данных, показано, что апвеллинг вод в районах пузырьковой разгрузки является важным фактором повышения эффективности переноса метана из донный отложений через водную толщу в атмосферу. Продемонстрирована зависимость расположения начала формирования выбросов породы от типа граничного условия и скорости поступления газа из криолитозоны. Обнаружено, что при одних и тех же условиях, близких к реальной ситуации, непроницаемая покрышка, находящаяся на верхней границе области, приводит к одновременному формированию разуплотнения породы в ее окрестности и окрестности источника. Без покрышки выброс начинается только от источника. Показано, что при отсутствии фильтрации газа в горизонтальном направлении, если давление на нижней границе во всех точках одинаково, выброс начинается от верхней границы. Если же давление на нижней границе неоднородно, выброс начинается на нижней границе. Исследовано влияние непроницаемых препятствий на формирование выбросов. Так, при однородном давлении на нижней границе выброс начинается на нижней границе препятствия, при неоднородном давлении - либо на нижней границе рассматриваемой области при меньшем давлении, либо одновременно на нижней границе и на нижней границе препятствия при большем давлении. Результаты численного моделирования были подтверждены экспериментальными данными с учетом трения между частицами. Созданная модель была апробирована на натурных данных. Было получено, что при измеренных скоростях выхода метана на поверхность дна, выбросы породы не произойдут. Но при увеличении расхода в 10 раз выбросы происходят относительно быстро. Проведено исследование фильтрации газа в слое сыпучей среды, имитирующей донные отложения. Показано, что по мере фильтрации газа сквозь сухую или влажную среду расход увеличивается, а значит, увеличивается проницаемость. Увеличение проницаемости говорит о разуплотнении среды в случае сухого песка и о возникновении каналов в случае влажного песка. В случае насыщенной среды образующиеся каналы расширяются к свободной поверхности и по мере фильтрации газа не меняют своего положения, тогда как ветвящиеся от них более мелкие каналы постоянно возникают и исчезают. Для моделирования процесса образования покмарка использована модель среды с нелинейной ползучестью в сочетании с критерием прочности, зависящим от внутреннего трения. Для описания разрушения среды используется закон неассоциированного пластического течения с предельным условием Друкера-Прагера и разупрочнением. Показано, что при уменьшение порового давления во включении время образования покамарка возрастает и возможна ситуация, при которой напряжения в покрышке не достигают предела прочности, деформации остаются упругими, и покмарк не образуется. Изучено напряженное состояние шельфового ледника, сползающего в океан. Максимальные растягивающие напряжения на его нижней поверхности вблизи точки схода заметно превышают предельные значения, характерные для льда. Под действием приливных возмущений в этих местах возможно разрушение ледового слоя. Моделирование воздействия горизонтальных сжимающих усилия на ледовый слой показало, что под их действием возникает частая система зон локализации неупругой деформации, приводящая к торошению льда. Некоторые из этих зон локализации достигают больших размеров и разбивают ледовую пластину на отдельные блоки, подготавливая появление айсбергов. По результатам проведенных исследований в рамках проекта РНФ в 2023 г было опубликовано 7 научных работ и представлено 6 докладов на российских и международных конференциях.