Сибирь. Часть 6: Плановая контролируемая дегазация

Учитывая нарастающее с каждым днём напряжение под Западно-Сибирской плитой и Восточно-Сибирским кратоном, вызванное подъёмом Сибирского плюма, для минимизации возможных последствий необходимо предпринять безотлагательные действия. Это возможно сделать, проведя контролируемый сброс давления, лавы и газов, поступающих к поверхности из вторичных очагов, то есть провести плановую контролируемую дегазацию.

Сегодня учёные рассматривают дегазацию — снижение давления в магматических очагах — как перспективный способ предотвращения крупных извержений, что даёт надежду на использование вулканической геоинженерии для предотвращения извержений не только вулканов и супервулканов, но и целых магматических плюмов. Концепция контролируемой дегазации уже закреплена в научных исследованиях и патентах изобретателей из разных стран.

Существующие методики

Теоретические разработки вулканической геоинженерии начались уже давно, и история знает множество примеров подобных вмешательств. Первые эксперименты начались ещё в начале XX века. Методы вулканической геоинженерии варьировались от бурения стен кратеров до осушения вулканических озёр, создания каналов для перенаправления лавы, бомбардировки лавовых потоков, откачивания углекислого газа и метана из озёр и охлаждения лавы морской водой. Начиная с 1960-х годов Геологическая служба США (USGS) начала бурение лавовых озёр на вулкане Килауэа на Гавайях для спуска лавы по отводному каналу. В Японии, Исландии и Италии реализуются единичные проекты по предотвращению извержений вулканов и минимизации их последствий. Япония тестировала передовые технологии по снижению давления в магматических камерах. В Исландии был осуществлён опыт перенаправления потоков лавы, как, например, на острове Хеймаэй, где охлаждали лаву водяными пушками. В Италии разрабатывают системы раннего предупреждения и управляют потоками лавы, как это делали на Этне в 1983 году с использованием взрывчатых веществ. Существуют научные конференции и симпозиумы, посвящённые глубокому бурению вулканических и геотермальных систем.

На диаграмме ниже представлена хронология наиболее примечательных случаев вулканической геоинженерии. Чёрные круги обозначают целенаправленные вмешательства, а красные — непреднамеренные воздействия на вулканическую активность.

На сегодняшний день человечество обладает достаточным технологическим и инженерным потенциалом для внедрения в вулканические системы, но каждый случай плановой дегазации требует максимально тщательной подготовки, анализа большого массива данных и точнейшего расчёта. И даже в этом случае риски остаются.

Существуют также запатентованные методики плановой дегазации и снижения рисков извержения вулканов и супервулканов. Например, принцип одной из технологий, запатентованной двумя российскими специалистами, заключается в предотвращении неконтролируемого лавинообразного извержения вулканов с помощью наклонного бурения скважин и регулирования давления в магматических камерах.

Другая технология разработана американским изобретателем. Данная технология описывает методы эвакуации магмы из вулканических магматических камер, таких как камера в Йеллоустонском супервулкане, с целью предотвращения возможного катастрофического извержения. Основная идея заключается в создании искусственных каналов (труб) для вывода магмы на поверхность, где она может быть обработана и использована, например, для производства энергии. Рассматриваются два основных подхода: метод сильного охлаждения и метод нагрева.

Также осуществлён японский проект «Научное бурение вулкана Ундзен» (USDP) — шестилетняя инициатива, начатая в апреле 1999 года, направленная на изучение истории роста подповерхностной структуры и процессов подъёма магмы вулкана Ундзен. Первая фаза включала бурение двух скважин на склонах вулкана и создание модели его структуры. Вторая фаза фокусируется на бурении канала магмы извержений 1990–1995 годов для анализа механизма дегазации. Для успешного бурения разработана стратегия, включающая вертикальное бурение с последующим увеличением наклона ствола скважины.

Представленные примеры были апробированы на обычных вулканах, что, безусловно, отличается от гигантского магматического плюма в Сибири, так как он представляет опасность, даже не равную одному супервулкану, а 1 000 Йеллоустонов. Однако этот разговор бы не происходил сейчас, если бы ничего нельзя было сделать. При желании человечество сможет разработать программу дегазации плюма и реализовать её, учтя опыт специалистов со всего мира. Целью данной программы может стать минимизация последствий от внедрения Сибирского плюма для всего человечества посредством снижения давления лавы и газов во вторичных магматических очагах и предотвращение масштабных неконтролируемых излияний лавы. Необходимо будет тесное международное сотрудничество и объединение усилий учёных и инженеров со всего мира.

Программа может включать в себя параллельно разработку нескольких направлений.

Создание сети мониторинга

1. Необходимо будет создание сети высокочувствительных датчиков и спутникового наблюдения для мониторинга сейсмической и термальной активности в регионе. Это позволит своевременно обнаруживать зоны внедрения вторичных очагов.
2. Понадобится провести детальное картирование вторичных магматических очагов с использованием методов сейсморазведки. Важно будет предварительно оценить давление и объём магмы в каждом вторичном очаге.
3. Затем необходимо будет пробурить научно-исследовательские, мониторинговые скважины и установить датчики давления, температуры и сейсмической активности в аномальных зонах.

Разработка технологии контролируемой дегазации и блокировки магматических каналов

1. Необходимо будет разработать план бурения наклонных глубоких скважин (на глубину до 8 км) в безопасных зонах. Потребуется детальный расчёт траекторий наклонных скважин для достижения вторичных очагов. Необходимо будет использовать технологии бурения, устойчивые к высоким температурам и давлению, то есть использование жаропрочных материалов для укрепления стенок скважин, создание системы мониторинга давления и температуры в скважинах.
2. Потребуется продумать процесс отвода газов и лавы, через поэтапное управление давлением во вторичных очагах через систему скважин. Контроль за скоростью дегазации для предотвращения резких перепадов давления и использование системы компрессоров для управления давлением газов. Потребуется использовать системы фильтрации и охлаждения, чтобы предотвратить выбросы токсичных веществ в атмосферу. Вывод лавы и газов будет проводиться до стабилизации давления в каждом из очагов.
3. Затем необходимо будет разработать план направленного ядерного взрыва в определённых скважинах для перекрытия пластов над вторичным магматическим очагом. Это позволит предотвратить излишний выход магмы на поверхность и минимизировать выброс пепла.Постепенный сброс давления обеспечит стабильность Сибири и сохранит ключевые населённые пункты, кроме, возможно, Норильска и окружающих его населённых пунктов.
4. В процессе отвода лавы из очагов необходимо будет контролировать по возможности её разливы. Попытаться направлять её через специально подготовленные каналы в сторону Арктических морей. Разработать программу использования магмы для строительства (например, создания искусственных островов или укрепления береговой линии).

Эвакуация населения

Потребуется внедрение системы раннего предупреждения и разработка планов эвакуации на случай непредвиденных ситуаций. Также потребуется плановая организация безопасной эвакуации населения из зон риска и его адаптации, социального обеспечения, с учётом возможности долгосрочного переселения.

Сохранение инфраструктуры

Необходима будет разработка планов защиты и эвакуации стратегических объектов с территорий возможного затопления лавой. Создание резервных хранилищ на безопасных территориях для эвакуированных стратегических ресурсов региона, таких как нефть, газ, цветные и драгоценные металлы, руды, удобрения, продовольствие, вода, медикаменты.

Особенности бурения и проведение блокировки магматических каналов

Основная цель бурения — снижение давления во вторичных магматических очагах плюма, предотвращение взрывов магмы и организация контролируемого вывода газа и лавы. Учитывая сложность бурения на плато́ Путорана, бурение будет проводиться наклонными скважинами с территории Западной Сибири, западнее плато́ Путорана.

На первом этапе работы выполняются с непосредственным участием людей, так как до определённой глубины бурение является стандартной процедурой, и опасности для персонала минимальны. Используются традиционные буровые установки, оснащённые системами мониторинга давления и температуры, что позволяет контролировать процесс и оперативно реагировать на изменения.

После достижения критической глубины и с приближением к зоне магматической активности риск для людей значительно возрастает, поэтому в этот момент работа должна полностью перейти на автоматизированные системы. Специализированные буровые установки с автоматическим управлением позволяют осуществлять наклонное бурение, контролируя процесс дистанционно. Управление бурением будет выполняться через программное обеспечение, которое анализирует данные в реальном времени и корректирует действия оборудования. Операторы будут использовать технологии виртуальной реальности для полного контроля над процессом, что позволяет им управлять оборудованием дистанционно, не подвергая себя опасности. Это важно, так как выходящие под давлением газы могут взорваться и полностью снести буровое оборудование ударной волной.

Мониторинг состояния буровой установки и окружающей территории будет осуществляться с помощью дронов и роботов. Дроны будут оснащены камерами, тепловизорами и датчиками для фиксации любых изменений, включая утечку газов, тепловые аномалии и сейсмические толчки. В зоне бурения роботы будут проводить замеры температуры, давления и химического состава среды, передавая данные в реальном времени на центральный пункт управления. Эти технологии позволят минимизировать человеческое присутствие в опасной зоне и обеспечить высокий уровень безопасности.

После завершения бурения будет проводиться этап контролируемой дегазации — стравливание давления и слив огромных объёмов лавы.

На более поздних этапах, когда значительный объём лавы и газов будет выведен из очагов, для прекращения подъёма лавы и перекрытия путей подъёма магмы может потребоваться проведение контролируемого взрыва. Один из предложенных методов для этого — направленный ядерный взрыв в скважине, чтобы минимизировать риск непредсказуемого выхода магмы на поверхность. Задача ядерного взрыва — разгрузить тектонические напряжения в плите, искусственно создавая разломы в зонах высокого напряжения и одновременно перекрывая магматические каналы за счёт термодинамического воздействия и последующего спекания пород.

Одновременно температурное воздействие приводит к расплавлению и последующему охлаждению пород, что способствует созданию твёрдого барьера, способного частично или полностью перекрыть магматический канал на поверхность. При этом реализация таких ядерных взрывов потребует чрезвычайно точных расчётов, учитывающих литостатическое давление, плотность и твёрдость пород, а также температуру магматического расплава.

Продолжение следует.