искать
Рубрикатор материалов

Сейчас в информационной базе:
рубрик - 116 , авторов - 429 ,
всего информационных продуктов - 4525 , из них
статей журнала - 944 , статей базы знаний - 90 , новостей - 3216 , конференций - 4 ,
блогов - 10 , постов и видео - 202 , технических решений - 10

© 2016-2020 ГеоИнфо

Разработка и сопровождение: InfoDesigner.ru
Теория и практика изысканий 

Техногенез в современной трансформации мерзлых толщ горных пород

Шац Марк Михайлович
18 августа 2017 года

Основная цель статьи – показать многообразие последствий воздействия техногенеза на многолетнемерзлые толщи горных пород Сибири. Прослежена трансформация термина «техногенез» как сложной системы взаимодействия человечества с природной средой. Освещено современное состояние изученности геокриологических последствий техногенеза. Показаны основные подходы при оценке инженерно-геологических и геохимических последствий техногенеза для мерзлых горных пород. Сделан вывод, что существующие в инженерной геокриологии методы стабилизации объектов на мерзлых грунтах должны быть предложены как часть общей стратегии адаптации к предстоящим изменениям природных условий северных регионов, ориентированной на минимизацию негативных последствий техногенеза. Приведены примеры важности получения достоверных результатов инженерных изысканий для строительства в условиях распространения ММП.

Шац Марк МихайловичВедущий научный сотрудник Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН (ИМЗ), к.г.н.

Среди многообразных видов воздействия на природную среду Севера следует выделить два основных: естественную динамику компонентов и последствия техногенеза. Первое направления было освещено нами ранее [26, 27].

При освоении богатейших природных ресурсов неизбежно возникают разнообразные, часто специфические геоэкологические проблемы. В целом, техногенез на Севере оказывает на все природные среды, в том числе и на многолетнемерзлые породы (ММП) влияние, сопоставимое с глобальными геологическими и географическими факторами и существенно ухудшает эколого-геокриологическую ситуацию.

Как было показано ранее [4, 7, 12, 19, 24, 25, 28], при разноплановом и широкомасштабном освоении северных территорий обязательна оптимизация природопользования, заключающаяся в целенаправленном сочетании определенных видов хозяйственной деятельности, природоохранных и компенсационных мероприятий, обеспечивающих поддержание природной среды в близком к относительно стабильному экологическому состоянию.

В результате всей отмеченной деятельности в осваиваемых районах Севера формируются своеобразные природно-техногенные комплексы (ПТК), под которыми предлагается понимать сочетание определенных техногенных систем одной или нескольких отраслевых принадлежностей, функционирующих в конкретных природных условиях и отличающихся специфическими геоэкологическими последствиями своей деятельности.

 

Общие положения

Многолетний опыт геоэкологических исследований позволяет отметить необходимость привлечения при исследовании преобразования окружающей среды в районах с различной спецификой воздействий: в зонах урбанизации, на территориях горнодобывающей деятельности комплексных методов и подходов, учитывающих как собственные свойства преобразуемой территории, так и специфику техногенной деятельности [19].

В специализированной отрасли знаний – «инженерной геокриологии» обычно выделяют несколько тематических направлений хозяйственного освоения территорий [9], зависящих от вида воздействия и масштабов его последствий.

Резкая активизация освоения территории как традиционными (горнодобывающая, селитебная), так и относительно новыми отраслями, связанными с железнодорожным и гидротехническим строительством, транспортировкой и переработкой углеводородов, добычей урана вызвала на российском Севере необходимость постановки и решения ряда новых задач. Так, в последние годы по инициативе различных министерств и ведомств разрабатываются принципиальные подходы систематизации тематической информации в виде проблемно-ориентированных баз данных.

Из широкого комплекса техногенных факторов для Севера РФ ведущими являются горнодобывающая и селитебная деятельность. Именно районы горнодобывающей отрасли и урбанизированные территории являются в настоящее время сосредоточением геоэкологических проблем.

При проектировании размещения ПТК следует учитывать существующие комплексные и частные схемы охраны природы, в том числе имеющиеся и планируемые охраняемые территории (акватории) обитания особо ценных видов флоры и фауны, памятников природы, культуры и т.д.

 

Техногенез как сложная система взаимодействия человечества с природной средой

Под общепринятым и, казалось бы, очевидным понятием «техногенез» скрывается сложная система формирования современных представлений о взаимодействии человечества с природной средой. Это связано с тем, что современному этапу предшествовала длительная история становления техники, в том числе средств производства и технологий, получивших объединяющее название – «техногенез» [11]. Особо следует учитывать степень устойчивости отдельных компонентов природной среды Севера, из которых одним из наименее стабильных являются ММП.

 

Современное состояние изученности геокриологических последствий техногенеза

Проблемы рационального природопользования и воспроизводства природных ресурсов Российского Севера остаются актуальными на протяжении многих десятилетий. Уже первые попытки освоения северных территорий привели к широкомасштабным последствиям и возникновению серьезных проблем в связи с необходимостью разработки системы компенсационных мероприятий, их реализацией и контролем за эффективностью. История формирования современных представлений по проблеме последствий техногенеза была рассмотрена в специальной работе [23].

Особое значение это направление приобретает также и в связи с реализацией таких масштабных проектов, как строительство и эксплуатация соответственно газового, названного «Сила Сибири», и нефтяного – «Восточная Сибирь – Тихий Океан» трубопроводов, разработки в Южной Якутии крупнейших месторождений золота, угля, урана и т.д. Создание всех этих объектов связано с разномасштабным воздействием на поверхностные геосистемы, в том числе и на ММП, и сопровождается изменением их морфологии, строения, свойств и характера развития.

По мере роста уровня техногенеза, возрастает число видов воздействия на криолитозону. На первых этапах развития техногенеза его роль «нарушителя ММП» сводилась в основном к воздействию на верхний деятельный слой сезонного промерзания-протаивания грунтов. Позднее, по мере совершенствования горнодобывающих технологий, преобразование мерзлых толщ стало многообразнее и глубиннее, порой принципиально меняя общую тенденцию мерзлотного процесса.

Так, при освоении железорудного месторождения Таежное в Южной Якутии по результатам исследований ИМЗ [24] площади развития мерзлых пород возросли на 15-20%, мощность на 20-40 м, а температура на глубине 12 м понизилась на 0,6°С, отражая тем самым существенное увеличение суровости мерзлотных условий. Подобные достаточно активные и масштабные изменения связаны с нарушениями, а порой и уничтожением напочвенных покровов, приводящим в местных климатических условиях к перераспределению снежного покрова и изменению условий теплообмена верхних горизонтов горных пород с приземными слоями атмосферы.

На золотоносных месторождениях Куранахской группы изменения имели обратную тенденцию – температура пород при отработке повысилась на 0,4-0,8°С, что привело к сокращению площадей островов мерзлых пород, а в отдельных случаях к их полному оттаиванию. Это произошло в результате изменения гидрологических и гидрогеологических условий при отработке объекта. Таким образом, направленность последствий отработки для ММП может принципиально меняться в зависимости от природных условий месторождения.

Значимость инженерно-геологической информации и необходимость её достоверности можно подтвердить следующим печальным примером. В середине прошлого века в Поволжье развернулась грандиозная стройка крупнейшего комплекса «Атоммаш». Некачественные изыскания и проектирование привели к серьезным ошибкам. Не был получен достаточный объем материалов об инженерно-геологических свойствах горных пород, необходимый для достоверного прогноза. В результате комплекс разместили на просадочных грунтах. Более того, при проектировании в целях экономии было принято решение о сокращении на несколько метров длины свай в основаниях огромных, протяженностью во многие сотни метров, корпусов. Еще до завершения строительства в результате значительного подъема уровня грунтовых вод, питаемых необычно большим количеством атмосферных осадков, в основаниях многих корпусов произошли недопустимые просадки пород, повлекшие нарушения их устойчивости. Технических решений по исправлению ситуации разработано не было и стройку законсервировали. Таким образом, из-за преступной халатности и недооценки значения инженерно-геологического обеспечения строительства были допущены колоссальные потери бюджетных средств.

При предварительной оценке участков вероятного размещения ПТК, а также площадок и трасс строительства и их баз, необходимо учитывать внешние признаки вероятного развития негативных экзогенных процессов. В частности, особо следует избегать районы вблизи оврагов, а также с явным проявлением пучения, термо- и обычного карста, термоэрозии, широкого развития бугристых торфяников и т.д.

На стадии строительных работ выравнивание поверхности необходимо проводить в начале зимы после промерзания грунтов на глубину не менее 30-40 см. При этом для передвижения технологического транспорта с минимальным ущербом для поверхности следует подсыпать грунт, а при высоте снега менее 20 см – уплотнить его.

Для предотвращения активизации криогенных процессов следует категорически избегать плоских, а особенно – пологонаклонных (крутизной более 3°) поверхностей, подстилаемых высокольдистыми грунтами.

К минимуму должно быть сведено воздействие на почвенно-растительный покров – естественный регулятор гидротермического режима грунтов. Технологии и сроки производства строительных работ должны строго соответствовать требованиям соответствующих СНиПов. Преобразованные при строительстве участки и трассы после завершения работ следует рекультивировать.

Выполнение упомянутых относительно несложных правил позволит уменьшить серьезные негативные последствия освоения территорий, сложенных ММП.

Обычно воздействие на верхние горизонты ММП осуществляется через сезонноталый слой, глубина которого зависит как от состава и свойств пород, так и от температур воздуха, и определяется не только их средними величинами, но и годовым циклом. Кроме того, глубина сезонного оттаивания грунтов зависит от меняющихся во времени ландшафтных условий, в частности от растительности [2, 32], которая оказывает большое влияние на параметры и состояние ММП, а в области их островного и прерывистого распространения часто является решающим фактором, обусловливающим само их наличие или же отсутствие.

Возникновение и активизацию экзогенных геологических процессов также целесообразно рассматривать с позиций ландшафтного подхода, в основе которого лежит понятие об устойчивости ландшафтов к нарушениям [15, 16]. Под ним обычно понимается способность геосистемы противостоять техногенной активизации криогенных процессов наряду с соответствующими изменениями самих природных комплексов, которые при неконтролируемом развитии могут привести к необратимому ухудшению экологической обстановки и недопустимым деформациям инженерных сооружений. Это направление уже много лет успешно развивается в ИМЗ под руководством А.Федорова [17, 18].

В последнее время особую актуальность приобретает системный подход к оценке и картографированию мерзлотной составляющей ландшафтов с целью выявления ареалов различной степени опасности для инженерных сооружений. Так, при оценке криогенного состояния для инженерных целей выбирается ряд критериев, влияющих напрямую на потенциальную активизацию нежелательных криогенных процессов, связанных с фазовыми переходами воды. Это льдистость и температура мерзлых пород, глубина сезонного протаивания или промерзания грунтов, рельеф, теплоизоляционные свойства растительности и скорость ее самовосстановления.

Все факторы типизируются по трем-четырем градациям риска последствий освоения и далее доступными способами сопоставляются. Простое суммирование баллов в этом случае исключено, так как в итоговом балле опасности закодирована реакция ландшафта на активизацию опасных процессов с учетом их природной ценности [15,16]. Для выявления связи факторов между собой применяют различные математические методы: корреляционный, регрессионный, кластерного анализа и другие.

Процедура оценки с помощью специальных индексов заключается в следующем [16]:

  • отбор факторов экологической опасности, определяющих активизацию криогенных процессов и ресурсный потенциал территории;
  • составление таблицы шкалы градаций балльных интервалов;
  • присвоение каждому ландшафту балльной оценки в соответствии с таблицей;
  • ранжирование всех ландшафтов по уязвимости к освоению с учетом градаций расчетных индексов;
  • оценочное картографирование.

Для криолитозоны наиболее существенны механические нарушения, возникающие в ходе возведения и эксплуатации инженерных сооружений и добычи полезных ископаемых – прокладка линейных коммуникаций, горнодобывающая деятельность (бурение скважин, разработка карьеров и т.д.). Все эти нарушения активизируют развитие термокарста, солифлюкции, дефляции, способствуют расширению заболоченных площадей.

Наиболее отчетливым и опасным для разнообразных геотехнических объектов криолитозоны последствием является активизация экзогенных процессов, в числе которых преобладают изменения деструктивного характера.

В условиях криолитозоны в результате техногенеза развиваются следующие криогенные процессы.

Термокарст тесно связан с развитием крупных залежеобразующих масс подземных льдов и сильнольдистых четвертичных отложений, приуроченных к участкам поймы, I и II надпойменным террасам в долинах водотоков и на плоских или слабо выгнутых водораздельных пространствах.

Среди термокарстовых форм в зависимости от состава грунтов и морфологии подземных льдов могут быть выделены две генерации. К первой, включающей формы термокарстового микрорельефа, относятся блюдца и мочажины. Первые представляют собой углубления овальной формы диаметром 2-3 м и глубиной 0,2-0,3 м, связанные с вытаиванием маломощных прослоев миграционного льда. Мочажины имеют приблизительно те же размеры, но более вытянутую конфигурацию.

Термокарстовые формы мезорельефа – небольшие, размером до 10 м в поперечнике и глубиной до 1 м, озера на пойме, низких террасах и в днищах долин водотоков. Своим происхождением они обязаны общему изменению условий теплообмена дневной поверхности на отдельных участках.

Термоэрозионное происхождение имеют сформированные этим процессом провалы глубиной в несколько и протяженность в сотни метров (рис.1-3).

 

Рис. 1. Подземные льды по трассе нефтепровода «ВСТО». Фото Л.Гагарина
Рис. 1. Подземные льды по трассе нефтепровода «ВСТО». Фото Л.Гагарина

 

Отчетливо выражены на местности делли на пологих склонах, перекрытых сильнольдистыми отложениями. Подобные термоэрозионные формы хорошо выработаны, имеют глубину до 2-2,5 м при ширине до 30 м.

 

Рис.2. Термоэрозия по трассе «ВСТО».
Рис.2. Термоэрозия по трассе «ВСТО».

 

На примере одного из крупнейших магистральных нефтепроводов Сибири «Восточная Сибирь – Тихий Океан» («ВСТО») покажем основное многообразие последствий воздействия техногенеза на ММП, свойственное для подобных грандиозных линейных сооружений.

 

Рис.3. Термоэрозия по трассе «ВСТО».
Рис.3. Термоэрозия по трассе «ВСТО».

 

В период проектирования и строительства трубопровода мнения о целесообразности и способах его создания были совершенно неоднозначны [19-21]. В среде общественности и специалистов существовали как сторонники, так и противники реализации проекта со своими соображениями и аргументами. Основные опасения были связаны с особенностями природной среды в полосе влияния объекта, отличающейся сложностью и неустойчивостью. При реализации проекта особое внимание уделялось вопросам геоэкологии, т.е. снижению негативного воздействия объекта на окружающую среду.

Одним из неочевидных, но принципиально верным в плане уменьшения негативных последствий освоения было решение создателей нефтепровода прокладывать его подземным способом, предложенным и обоснованным в Институте мерзлотоведения им. П.И. Мельникова еще в прошлом веке, и подтвердившем свою надежность на ряде объектов Якутии и Восточной Сибири в целом [22].

В апреле 2011 года дополнительно ко всем ранее созданным элементам геотехнического мониторинга трубопровод в целом был оборудован системой контроля за утечками нефти, что еще более повысило его надежность. Разноплановый и разномасштабный проблемно-ориентированный контроль за последствиями воздействий на природную среду, в том числе и на ММП, и объекты инфраструктуры комплекса показал, что уровень нарушения в результате создания нефтепровода можно оценить как умеренный, ограниченный полосой трассы шириной в несколько сот метров. Вызывающая опасения специалистов предполагаемая катастрофическая активизация экзогенных процессов в результате проведения специальных профилактических и компенсирующих мероприятий была предотвращена, и все основные объекты находятся в устойчивом состоянии. Особо следует отметить, что при прокладке нефтепровода на особо опасных участках широко использовались специальные технологии, существенно повышающие его устойчивость. В частности, сильно трещиноватые или высоко льдистые породы частично, а нередко и полностью, замещались отложениями с лучшими инженерно-геологическими свойствами. Этот подход, получивший название «метода экскавации» [22], хотя и довольно дорог, но очень эффективен. Его применение позволило существенно повысить надежность как отдельных элементов (рис. 4-8), так и всей системы трубопровода в целом.

 

Рис.4. 2362 – 2364 км «ВСТО», долина р. Горбылах с активным развитием термокарста: а - до проведения компенсационных мер в 2010 г.; б - после них (2016 г.). Фото С.Серикова
Рис.4. 2362 – 2364 км «ВСТО», долина р. Горбылах с активным развитием термокарста: а - до проведения компенсационных мер в 2010 г.; б - после них (2016 г.). Фото С.Серикова

 

Серьезнейшей проверкой надежности объекта стало землетрясение, происшедшее 12.12.2016 г. в Амурской области с эпицентром в 85 км восточнее г.Сковородино, магнитудой 5 и интенсивностью 5-5,5 балла. По сообщению официального представителя «Транснефти» Игоря Демина [10], «воздействие столь мощного природного фактора не отразилось на работе нефтепровода и все объекты ВСТО продолжали функционировать в штатном режиме».

 

Рис.5. Затухающий процесс боковой термоэрозии на участке р.Малый Уркан, 2631 км «ВСТО». а – 2010 г., б – 2016 г. Фото С.Серикова
Рис.5. Затухающий процесс боковой термоэрозии на участке р.Малый Уркан, 2631 км «ВСТО». а – 2010 г., б – 2016 г. Фото С.Серикова

 

 

Рис. 6. Переход на 2125 км «ВСТО» через обширную марь руч.Катера (а – 2010 г., б – 2012 г., в – 2016 г.). Фото С.Серикова
Рис. 6. Переход на 2125 км «ВСТО» через обширную марь руч.Катера (а – 2010 г., б – 2012 г., в – 2016 г.). Фото С.Серикова

 

Анализ рисунков 4-8 убедительно свидетельствует, что резко активизировавшиеся в начале освоения негативные экзогенные процессы деструктивной направленности (термокарст, термоэрозия и т.д.), в результате грамотно подобранных и своевременно проведенных мероприятий существенно стабилизировались. Это позволило привести ранее нарушенные геосистемы в устойчивое состояние (рис. 5б, 6б, 7в, 8, 9).

 

Рис. 7. Участки «ВСТО» с организованной технологической автодорогой вдоль трубопровода в условиях сплошного распространения многолетнемёрзлых пород. Фото С.Серикова
Рис. 7. Участки «ВСТО» с организованной технологической автодорогой вдоль трубопровода в условиях сплошного распространения многолетнемёрзлых пород. Фото С.Серикова

 

 

Рис.8. Организованная система водозабора на НПС №20 «ВСТО». Фото С.Серикова
Рис.8. Организованная система водозабора на НПС №20 «ВСТО». Фото С.Серикова

 

В последние годы сотрудники Института мерзлотоведения СО РАН провели геокриологические исследования на участках действующего «ВСТО». Установлено, что в процессе эксплуатации нефтетранспортной системы происходит стабилизация геокриологических условий, благоприятствующая повышению надежности объекта. Выше были приведены результаты проведения компенсирующих мероприятий, существенно уменьшившие негативные последствия активизации экзогенных процессов в начале создания «ВСТО». Наряду с этим направлением исследования ИМЗ на всех ранее освоенных и неоднократно обследованных участках нефтепровода (рис.9-11) зафиксировали в последнее время однозначный тренд уменьшение амплитуды и понижения температуры грунтов деятельного слоя.

 

 

Рис. 9. Среднегодовые температуры на глубине 1,0 м на мониторинговой геотермической площадке (участок перехода «ВСТО» через р.Горбылах - 2362 – 2363 км) за 2007-2016 гг.
Рис. 9. Среднегодовые температуры на глубине 1,0 м на мониторинговой геотермической площадке (участок перехода «ВСТО» через р.Горбылах - 2362 – 2363 км) за 2007-2016 гг.

 

Так, среднегодовая температура мерзлых горных пород в районе мониторинговой геотермической площадке на участке перехода «ВСТО» через р.Горбылах за 2007-2016 гг. понизилась на 1,1°С – с -1,4 до -2,5°С (рис.9). В то же время на участке руч.Катера (2125 км ВСТО), в пределах развития немерзлых горных пород амплитуда колебаний их температур с 2008 по 2016 гг. изменилась очень мало и близка к 4,0-5,0°С – с 1,8 до 6,8°С (рис.10).

 

 

Рис. 10. Многолетний ход температуры горных пород с 2008 по 2016 гг. на глубине 1,0 м., участок руч.Катера, 2125 км «ВСТО»
Рис. 10. Многолетний ход температуры горных пород с 2008 по 2016 гг. на глубине 1,0 м., участок руч.Катера, 2125 км «ВСТО»

 

В пределах участка р.Малый Уркан (2631 км ВСТО) в период с 2009 по 2014 гг. зафиксировано постепенное увеличение амплитуды колебаний температуры горных пород с 7 до 17°С, а далее вплоть до 2016 г. происходило резкое сокращение этой характеристики до 5°С (рис.11). 

 

 

Рис. 11. Многолетний ход температуры горных пород с 2009 по 2015 гг. на глубине 1,0 м. Участок р.Малый Уркан, 2631 км «ВСТО»
Рис. 11. Многолетний ход температуры горных пород с 2009 по 2015 гг. на глубине 1,0 м. Участок р.Малый Уркан, 2631 км «ВСТО»

 

Таким образом, изменения температур горных пород, происходящие на различных участках «ВСТО», хотя и с разной интенсивностью в зависимости от поверхностных условий, но в целом однозначно свидетельствуют о существенном улучшении инженерно-геологических условий горных пород трассы и повышении надежности нефтепровода.

В последние годы сотрудники ИМЗ С.Варламов и П.Скрябин [5] на примере Центральной Якутии детально осветили проблему влияния различных видов техногенеза на температуру грунтов. Рассмотрены различные варианты нарушения поверхностных природных условий: нарушение и уничтожение напочвенных покровов, пожаров и т.д., количественно оценена многолетняя изменчивость средних годовых температур горных пород нарушенных ландшафтов в зависимости от видов и стадий поражения и самовосстановления растительности. Оценено влияние различных инженерных объектов на температурный режим грунтов. Так автомобильные насыпи небольшой высоты обычно оказывают отепляющее влияние на подстилающие грунты, так же как и в случае их отсыпки переувлажненным материалом. Для железнодорожных насыпей, отсыпаемых в холодное время года, выявлен подъем верхней границы ММП и проникновение мерзлой зоны в тело объекта, а при отсыпке в тёплый период в его основании формируются очаги немерзлых пород.

Наряду с примерами комплексного воздействия, существенными для состояния и свойств многолетнемерзлых толщ могут стать последствия монофакторов, способных привести к их масштабным и отчетливым преобразованиям. Продемонстрируем данное положение на примере пожаров.Наиболее распространенным видом последствий пирогенного вида техногенеза являются гари и вырубки леса. Основными факторами, обуславливающими изменения мощности слоя годовых колебаний годовых температур пород и их значения на его подошве для гарей, являются уничтожение теплоизолирующего напочвенного покрова, малая отражательная способность поверхности, повышенная влажность грунтов за счет прекращения транспирации влаги растительностью. Воздействие лесного пожара на термическое состояние грунтов можно оценить по данным наблюдений в различных типах местности соснового леса. Объектами исследований являются грунты слоя годовых теплооборотов до глубины 10-15 м, а основными термическими параметрами являются мощность сезонноталого слоя и среднегодовая температура на глубине нулевых амплитуд. Для количественной оценки влияния таких нарушений на термический режим грунтов натурные наблюдения были организованы в песчано-грядовом, низкотеррасовом, межаласном, плакорном типах местности [14].

Сплошная и выборочная рубки сосновых лесов на старых гарях, находящихся на песчаной гряде и вершине водораздела, привели к повышению температуры пород на 0,3-0,5°С и формированию надмерзлотных таликов. Выборочная рубка 1992 г. и пожар 2002 г. на пологом склоне с сосново-лиственничном лесу через 6 лет привели к повышению температуры пород на 0,2°С и увеличению глубины оттаивания на 1,2 м. Выборочная рубка и низовой пожар 1997 г. на пологом склоне водораздела в сосново-лиственничном лесу через 11 лет повысили температуру пород на 0,8°С и увеличили оттаивание на 0,9 м. Резкое увеличение мощности грунтов талого слоя обусловлено влиянием многоводного весеннего периода в последние 2 года.

Зимой 2007 г. при подготовке просеки шириной 50 м по трассе будущей железной дороги Томмот-Якутск изучалось влияние лесных пожаров на тепловое состояние грунтов на двух старых гарях. Установлено, что на этих участках с самовосстановлением лиственного и березового лесов произошло увеличение сезонноталого слоя на 0,3-0,4 м и повышение температуры пород на 0,4-0,7оС.

В межаласном типе была проведена сплошная рубка лиственничного леса и сожжение неделовой древесины с частичным уничтожением мохово-торфяного покрова. В августе 2008 г. на просеке температура грунтов на глубине 5 м по данным с 6 участков повысилась на 0,2-0,4°С. Глубина сезонного протаивания грунтов в конце второго летнего сезона увеличилась в пределах 0,1-0,42 м.

Изменение условий теплообмена грунтов с атмосферой в пределах развития березово-кустарникового покрова после пирогенного воздействия и вырубки леса привело через год к повышению температуры пород на 0,5°С и увеличению слоя оттаивания на 0,15 м, а через 3 года – соответственно на 0,8°С и 0,43 м. В связи с началом самовосстановления напочвенного покрова на 5-6 годы после пожара отмечается стабилизация термического состояния грунтов. В целом за 8-ми летний цикл наблюдений повышение температуры пород в пределах гаревого участка составило 1,8°С.

Установлено, что в различных типах местности пирогенез приводит к увеличению сезонноталого слоя на 0,3-1,2 м и повышению температуры грунтов на подошве слоя годовых теплооборотов на 0,4-1,1°С. Эти изменения, произошедшие в результате пожаров, особенно опасны в типе местности с близким от поверхности залеганием на глубине 1,5-2 м сильно льдистых отложений с активным развитием негативных криогенных процессов, угрожающих устойчивости инженерных объектов.

Итак, мониторинговые исследования позволили количественно оценить пространственно-временную изменчивость термического режима грунтов пирогенных территорий. Динамика термического состояния пород определяется возрастом гарей и стадиями развития растительного покрова. Результаты исследований используются при строительстве северного участка железнодорожной магистрали Томмот-Якутск.

 

Оценка последствий техногенеза для ММП

В последнее время были разработаны количественные методы оценки неблагоприятных последствий изменения ММП в результате техногенеза и составлены прогнозы для различных ландшафтных условий. При инженерных оценках геокриологических опасностей, связанных с разрушением зданий и сооружений на мерзлых породах, в ряде работ использовались различные варианты количественных прогнозов [1-3, 29-31]. В общем виде установлено, что вероятность развития деструктивных геокриологических процессов становится максимальной в случае содержания в мерзлом грунте большого количества льда, значительных глубинах сезонного оттаивания грунтов и нарушении почвенно-растительного слоя. В таких районах возможны осадки и провалы оттаивающих грунтов оснований за счет интенсивных термокарста и термоэрозии.

К районам с наибольшим геокриологическим риском относятся побережье Карского моря, значительная часть Западно-Сибирской равнины, о-в Новая Земля, бассейны верхнего течения Индигирки и Колымы, юго-восточная часть Якутии, п-в Чукотка, а также часть островной мерзлоты на севере европейской территории. В этих районах имеется развитая инфраструктура крупных населенных пунктов, в частности газо- и нефтедобывающие комплексы и трубопроводы, Билибинская атомная станция и связанные с ними ЛЭП. Деградация мерзлоты на побережье Карского моря может привести к значительному усилению береговой эрозии, за счет которой берег будет отступать ежегодно на десятки метров, как это происходит в настоящее время в восточном арктическом секторе [13].

Особую опасность представляет оттаивание ММП на Новой Земле в зонах расположения хранилищ радиоактивных отходов. В то же время, на больших территориях Якутии и Западной Сибири запас надежности инженерных сооружений и построек на вечной мерзлоте, рассчитанных с учетом современных климатических тенденций, позволяет им сохраняться в устойчивом состоянии.

Еще одним последствием техногенеза на Севере является длительное освоение природных ресурсов с применением несовершенных технологий добычи и переработки различных видов сырья, приводящее к накоплению многих сотен миллионов тонн опасных токсичных часто радиоактивных загрязнителей. Примером формирования подобных негативных явлений является Норильский промышленный район [8], где содержание сульфатов в грунтах ограждающих дамб хвостохранилища №1 Норильской обогатительной фабрики достигает 25–30 г/л, хлоридов — 5–8 г/л. Чрезмерны там и концентрации меди, никеля и других тяжелых металлов.

В настоящее время загрязнители внутри накопителей находятся в законсервированном мерзлосвязанном состоянии, однако при оттаивании ММП они вовлекутся в кругооборот живой природы, через транзитные водотоки попадут в Арктический и Тихоокеанский бассейны, могут разрушить при этом не только биогеоценозы Севера, но и экосистемы Мирового океана. Несомненно, что токсичные вещества через пищевую цепочку организмов существенно ухудшат качество морепродуктов, скажутся на здоровье населения.

Разрушение могильников, в которых законсервированы в мерзлом состоянии опасные вирусы и бактерии сибирскай язвы, чумы, оспы и др., сохраняющие свои свойства даже в замороженном состоянии, способно вызвать пандемии.

При увеличении речного стока, связанного с оттаиванием подземных льдов, возможно увеличение опресненности морей и отепление Арктического бассейна, последующее ощутимое возрастание стока в Мировой океан, повышение его уровня, затопление многих низменных районов Земли. 

Особо следует отметить одно важное обстоятельство, связанное с уменьшением геокриологической суровости в результате наблюдавшегося в недавнем прошлом изменения климата. Большинство отмечавших это явление специалистов отводят ему применительно к ММП негативный эффект: рост глубины сезонного оттаивания пород, вызывающий активизацию криогенных процессов, уменьшение несущей способности оснований геотехнических объектов и нарушение их устойчивого состояния и т.д. Все перечисленное увеличивает риски существенных деформаций и разрушения зданий и сооружений, масштабных негативных изменений северных геосистем с уничтожением лесов и заболачиванием больших территорий, активизацией деструктивных процессов (термокарст и термоэрозия), наиболее активно проявляющихся по берегам северных морей и многих арктических островов, сопровождающимся их активным отступанием со скоростью в десятки метров в год. Подобные явления отмечаются на протяжении нескольких последних десятилетий и, в результате РФ ежегодно теряет значительные площади своего побережья [6,13]. Вместе с тем, многие из прогнозируемых последствий изменения мерзлотных условий весьма благоприятны для природы России. К их числу относятся:

  • уменьшение суровости климата в северных районах и связанные с этим значительное сокращение расходов на отопление, улучшение тепловой комфортности, уменьшение аварийности на теплосетях и иных сооружениях;
  • уменьшение пиковых нагрузок в энергосистемах, уменьшение расхода энергоносителей, улучшение условий и удлинение периода проведения строительных, монтажных и иных работ на открытом воздухе в зимний период, положительное влияние на здоровье населения;
  • увеличение и более равномерное распределение водных ресурсов на большей части России, внутригодовое рассредоточение стока, уменьшение интенсивности весенних паводков и связанных с этим разрушительных процессов в затопляемых зонах;
  • повышение продуктивности бореальных лесов;
  • улучшение агроклиматических показателей, расширение зоны продуктивного земледелия, увеличение продолжительности вегетационного периода и, как следствие, возможность более интенсивной и продуктивной сельскохозяйственной деятельности;
  • уменьшение продолжительности ледового периода и улучшение условий и продолжительности речной и морской навигации, в том числе по Северному морскому пути.

 

Заключение

Приведенные результаты свидетельствуют о возможности прогноза будущей динамики ММП в условиях изменения климата, а также количественной оценки последствий, связанных с этим. Так, районирование территории по степени геокриологической опасности позволяет прогнозировать возможность возникновения аварийных ситуаций и их специфику, и принять необходимые меры для минимизации негативных последствий, включая разработку системы предохранительных и компенсационных мероприятий. Ранее подобные построения были сделаны нами для дифференциации территории РФ по условиям проживания с учетом геокриологической обстановки [28].

Результаты исследований ИМЗ в различных районах криолитозоны убедительно свидетельствуют, что резко активизирующиеся в начале освоения негативные экзогенные процессы деструктивной направленности (термокарст, термоэрозия и т.д.), в результате грамотно подобранных и своевременно проведенных мероприятий могут существенно стабилизироваться, что позволяет привести ранее нарушенные геосистемы в устойчивое состояние.

В последние годы сотрудники Института мерзлотоведения СО РАН провели геокриологические исследования на участках действующего нефтепровода «ВСТО». Установлено, что в процессе эксплуатации нефтетранспортной системы происходит стабилизация геокриологических условий, благоприятствующая повышению надежности объекта. Выше были приведены результаты проведения компенсирующих мероприятий, существенно уменьшившие негативные последствия активизации экзогенных процессов в начале создания «ВСТО». Наряду с этим направлением исследования ИМЗ на всех ранее освоенных и неоднократно обследованных участках нефтепровода зафиксировали в последнее время однозначный тренд уменьшение амплитуды и понижения температуры грунтов деятельного слоя.

Существующие в инженерной геокриологии методы стабилизации фундаментов и оснований на вечномерзлых грунтах должны быть предложены частью общей стратегии адаптации к предстоящим изменениям природных условий северных регионов, ориентированной на минимизацию негативных последствий техногенеза.

 

Список литературы
1. Анисимов О.А., Белолуцкая М.А. Оценка влияния изменения климата и деградации вечной мерзлоты на инфраструктуру в северных регионах России. // Метеорология и гидрология, 2002. № 6, С. 15-22.
2. Анисимов О.А., Лавров, С.А. Глобальное потепление и таяние вечной мерзлоты: оценка рисков для производственных обьектов ТЭК. // Технологии ТЭК, 2004. № 3, С. 78-83.
3. Анисимов О.А., Лобанов В.А., Ренева С.А. Анализ изменений температуры воздуха на территории России и эмпирический прогноз на первую четверть 21 века. // Метеорология и гидрология, 2007, № 10. С. 20-30.
4. Браун Дж., Граве Н.А. Нарушение поверхности и ее защита при освоении Севера. - Новосибирск: Наука,1981. - 88 с.
5. Варламов Степан, Скрябин Павел Антропогенные воздействия на тепловой режим грунтов Центральной Якутии. Lap Lambert Academic. Pablishing Saarbrucken. 2013, 89 с.
6. Второй оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации, Росгидромет, 2014 г., с.1008. электронный ресурс. Источник: http://downloads.igce.ru. Код доступа: http://downloads.igce.ru/publications/OD_2_2014/v2014/htm/1.htm. Дата обращения: 17.03.2016 г.
7. Геокриологические опасности. Природные опасности России. М., Издательская фирма «Крук», 2000, 316 с.
8. Гребенец В.Г. Опасное умирание «мерзлоты». Электронный ресурс. Источник: Заполярная правда. Код доступа: http://dikson.narod.ru/aticle/died.html.
9. Ершов Э.Д. Общая геокриология. Учебник. Издательство Московского университета, 2002, 682 с.
10. Землетрясение в Амурской области не отразилось на работе ВСТО. Электронный ресурс. Источник: www.angi.ru/news, Код доступа  Дата обращения: 12 ДЕКАБРЯ 2016, 15:28.
11. Матусевич В.М., Ковяткина Л.А., Беспалова Ю.В. Определяющие факторы техногенеза на примере Тобольского, Среднеобского, Тазовского бассейнов стока подземных вод // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 2-6. – С. 1238-1241; URL: https://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=37011. Дата обращения: 06.02.2017 г.
12. Мельников П.И., Граве Н.А., Шац М.М., Шумилов Ю.В. Проблемы мониторинга криолитозоны // Известия АН, серия географ., М., 1987, - №5, С. 103-108.
13. Разумов С.О. Катастрофическое разрушение береговых криогенных геосистем восточной Арктики в современных и прогнозируемых природно-техногенных условиях // Материалы IX международной конференции «Анализ, прогноз и управление природными рисками в современном мире ГЕОРИСК -2015», Москва, 12-14 октября. – М.: РУДН, 2015. – Т. 2. – С. 517-523.
14. Скрябин П.Н. Влияние лесных пожаров на тепловое состояние ландшафтов. // Материалы XIII научного совещания географов Сибири и Дальнего Востока. Иркутск: Изд-во Института географии СО РАН. 2007. С. 93-95,
15. Тумель Н.В., Зотова Л.И. Геоэкология криолитозоны. / Учебное пособие. – M.: Издательский дом Россельхозакадемии, 2014. – 244 с.
16. Тумель Н.В., Зотова Л.И. Отклик геосистем криолитозоны на антропогенез. // Арктика, Субарктика: Мозаичность, контрастность, вариативность криосферы. Труды международной конференции. Тюмень, Изд-во «Эпоха», 2015, С.379-383.
17. Федоров А.Н. Формирование криоэкологической напряженности в ландшафтах Центральной Якутии // Материалы Первой конференции геокрологов России. - М., 1996. - Книга 2. - С.348-355.
18. Федоров А.Н. Влияние развития лесов на криоэкологическое состояние мерзлотных ландшафтов Центральной Якутии // Стратегия сохранения, восстановления и устойчивого использования бореальных лесов. Материалы международного семинара, 16-17 декабря 1996, г.Якутск, Республика Саха (Якутия) - М., 1997. - С.92-97.
19. Шац М.М. Основные принципы систематизации эколого-геокриологической информации. // Теоретическая и прикладная экология, М., 2008, №4, С.15-21.
20. Шац М.М. Геоэкологические проблемы нефтегазовой отрасли Якутии // Промышленная безопасность и экология. Пермь, 2009. №10 (43). С. 36-42.
21. Шац М.М. ВСТО: проблемы реальные и мнимые // Трубопроводный транспорт: теория и практика, 2011. №2 (апрель). С.16-22.
22. Шац М.М. Сравнительная характеристика эколого-геокриологических условий новых магистральных газопроводов Восточной Сибири // Трубопроводный транспорт: теория и практика. М., 2014. №2 (42). С. 3-8.
23.Шац М.М. Систематизация эколого-геокриологической информации и подготовка тематических баз данных природно-техногенных комплексов Севера. Основные направления и подходы. // Электронный ресурс: Источник: Технопарк РФ. Обзоры и аналитика. Код доступа: http://технопарк.рф/?p=225. Дата обращения: 23.03.2017 г.
24. Шац М.М., Дорофеев И.В. Геокриологическое тематическое космофотокартирование Южно-Якутского ТПК // Дистанционные исследования Сибири. – Новосибирск, Наука, 1988, С. 78-88.
25. Шац М.М., Соловьев В.С. Дистанционный мониторинг геоэкологической обстановки Севера. Учебное пособие. Якутск, Изд-во Ин-та мерзлотоведения СО РАН, 2002, 63 с.
26. Шац М.М., Скачков Ю.Б. Климат Севера: Потепление или похолодание? \\ Климат и природа. 2016, №2 (19), С.27-37.
27. Шац М.М., Скачков Ю.Б. Основные тенденции и последствия динамики современного климата Севера. // Климат и природа. - 2017. - № 1(22). - С.3-15.
28. Шепелев В.В., Шац М.М. Районирование территории РФ по условиям проживания с учетом геокриологической обстановки // Наука и образование, Якутск,2005, №4, С. 72-79.
29. Nelson F.E., Anisimov O.A., Shiklomanov, N.I. Subsidence risk from thawing permafrost. Nature, 2001 (410), С. 889-890.
30. Nelson F.E., Anisimov O.A., Shiklomanov, N.I. Climate change and hazard zonation in the circum-Arctic permafrost regions. Natural Hazards, 2002, № 26 (3). С. 203-225.
31. Sazonova T.S., Romanovsky V.E. A model for regional-scale estimation of temporal and spatial variability of active-layer thickness and mean annual ground temperatures. Permafrost and Periglacial Processes, 2003, № 14 (2), С. 125- 140.
32. Shur Y., Hinkel, K.M., Nelson, F.E. The transient layer: implications for geocryology and climate-change science. Permafrost and Periglacial Processes, 2005, №16, С. 5-17.

Отправить сообщение, заявку, вопрос

Отправить заявку на посещение мероприятия

Отправить заявку на участие как экспонент

Запросить консультацию специалистов по данному техническому решению