Многолетнемерзлые грунты. Строительство зданий и сооружений в районах многолетней мерзлоты

 

 Тем не менее нельзя забывать, что в пределах криолитозоны России сосредоточено более 30% разведанных запасов всей нефти страны, около 60% природного газа, неисчислимые залежи каменного угля и торфа, большая часть гидроэнергоресурсов, запасов цветных металлов, золота и алмазов, огромные запасы древесины и пресной воды. Значительная часть этих природных богатств уже вовлечена в хозяйственный оборот. Создана дорогостоящая и уязвимая инфраструктура: нефтегазопромысловые объекты, магистральные нефте- и газопроводы протяженностью в тысячи километров, шахты и карьеры, гидроэлектростанции, возведены города и поселки, построены автомобильные и железные дороги, аэродромы и порты. На вечной мерзлоте стоят Магадан, Анадырь, Якутск, Мирный, Норильск, Игарка, Надым, Воркута, даже в границах Читы имеются острова вечной мерзлоты. В настоящее время хорошо разработаны методы прогнозирования последствий строительства зданий и сооружений на вечной мерзлоте. Однако не только деятельность человека меняет мерзлотные условия. В гораздо больших масштабах оказывают влияние на мерзлые толщи труднопредсказуемые изменения климата.

 

Прогрессивное оттаивание мерзлых пород может обернуться катастрофическими последствиями. Дело в том, что верхние горизонты вечномерзлых пород мощностью от 2-5 до 30-50 м и более содержат лед в виде мелких линзочек и жилок, а также крупных залежей в виде клиновидной решетки (полигональной в плане) или пластовых залежей мощностью до 30-40 м. На некоторых участках северных равнин лед составляет до 90% объема мерзлых пород (см. рис. 1).

 

Оттаивание льдонасыщенных пород будет сопровождаться просадками земной поверхности и развитием опасных мерзлотных (криогенных) геологических процессов: термокарста, термоэрозии, солифлюкции и др. Целые регионы с низкими абсолютными отметками поверхности окажутся затопленными морем. Возникнет угроза разрушения зданий и инженерных сооружений, возведенных с сохранением мерзлого основания. Такие последствия потепления климата станут разорительными для экономики.

 

Рис.1. Крупные ледяные жилы в вечномерзлых породах.Хребет Кулар, Северная Якутия

 

 Мерзлотоведы в состоянии  количественно оценить грядущие  изменения вечной мерзлоты на  любой срок времени и предотвратить  многие вредные их последствия, свести к минимуму затраты  на стабилизацию мерзлотной обстановки, но только в том случае, если  достоверно известны исходные  климатические параметры. Загвоздка  в том, что климатические прогнозы  еще далеки от совершенства, что  объясняется сложной природой  изменений погоды и климата. Климат  постоянно претерпевает естественные  изменения. В 1625 г. сэр Фрэнсис Бэкон обратил внимание на то, что кроме суточных и сезонных изменений метеорологических элементов имеются еще многочисленные многолетние циклы их изменения. В 1957 г. Дж.К.Чарлсуэрт уже насчитывал около 150 циклов колебаний климата различной продолжительности. А.С.Монин и Ю.А.Шишков выделяют миллиардолетние циклы, циклы продолжительностью в сотни и десятки миллионов лет и более мелкие (в историко-геологическом понимании) колебания с периодом от десятков тысяч до десятков лет. Хорошо известны короткопериодные колебания метеорологических элементов: 9-14-летние, 5-6-летние и др. Все разнопериодные циклы изменения климата и погоды накладываются друг на друга и создают сложный интегральный ход изменения метеорологических элементов. В последние два-три десятилетия на естественные климатические циклы все заметнее стали накладываться направленные изменения, связанные с техногенезом.

 

 К сожалению, достоверность  и оправдываемость долгосрочных метеорологических прогнозов пока оставляют желать много лучшего. В итоге результаты прогнозов климата получаются разноречивыми, что, в свою очередь, вызывает неоднозначность в мерзлотных прогнозах. Различаются сценарии значительного потепления климата области вечной мерзлоты в XXI веке (М.И.Будыко, О.А.Анисимов, М.К.Гаврилова, Ф.Э.Нельсон) и умеренного потепления (Е.П.Борисенков, А.В.Павлов), имеется даже сценарий похолодания (Н.А.Шполянская). Сценарии значительного потепления климата распространяются на территорию вечной мерзлоты лишь с учетом самых общих ее свойств. По М.К.Гавриловой, к середине грядущего столетия среднегодовая температура воздуха в Сибири и на Дальнем Востоке повысится на 4-10 градусов Цельсия, вследствие чего вечная мерзлота будет оттаивать и со временем сохранится только в высоких горах и на равнинах севера Восточной Сибири и Дальнего Востока. О.А.Анисимов и Ф.Э.Нельсон считают, что увеличение глобальной температуры воздуха на 2 градуса Цельсия приведет к полному оттаиванию мерзлых пород на 15-20 % территории криолитозоны. Метеорологические данные за последние 10-15 лет показывают, что экстремальные сценарии изменения климата не оправдываются, потепление идет, но более скромными темпами.

 

 При обосновании сценариев  умеренного потепления климата, помимо данных метеостанций, используются  также результаты наблюдений  на геокриологических (мерзлотных) стационарах, где одновременно с  метеорологическими измерениями  исследуются тепловой режим грунтов, сезонное промерзание - протаивание и мерзлотные процессы (А.В.Павлов). Такое сочетание повышает достоверность мерзлотно-климатических прогнозов. Остановимся на этой проблеме подробнее.

 

 До недавнего времени  сеть метеостанций на севере  России была достаточно разветветвленной; продолжительность метеорологических измерений в нашей стране достигает 180 лет. Кроме того, к началу 1990 г. здесь существовало около 25 геокриологических стационаров - опорных пунктов мониторинга криолитозоны.

 При изучении многолетних  колебаний современного климата  необходимо осреднять метеорологические данные за ряд соседних лет, чтобы исключить случайные вариации. Наиболее часто выбирают период осреднения в 10 лет.

 

Можно выделить два периода с отчетливо выраженным повышением температуры воздуха на Севере: с конца XIX века по 1940-е годы XX века (этот период называется "потеплением Арктики") и с середины-конца 1960-х годов до настоящего времени (схема 20). Последнее (современное) потепление пока не достигает размеров "потепления Арктики". Более того, в начале 1990-х годов на ряде арктических метеостанций наблюдалось заметное похолодание. Однако последующие годы оказались достаточно теплыми, что явилось причиной сохранения общей тенденции потепления климата в наши дни.

 

Схема 20. Отклонение средних скользящих 10-летних значений среднегодовой (1), среднелетней (2) и среднезимней (3) температур воздуха от нормы в Салехарде (север Западной Сибири)

 

Темп повышений среднегодовой температуры воздуха за последние 25-30 лет составляет 0,02-0,03 градуса Цельсия в год в условиях Европейского Севера, 0,03-0,07 - на севере Западной Сибири и 0,01-0,08 градуса Цельсия в год - в Якутии. Само повышение температуры воздуха за этот период изменяется от 0,4 до 1,8 градуса Цельсия. Потепление климата обусловлено главным образом повышением зимней температуры воздуха.

 Если тенденция к  климатическому потеплению сохранится  в первой половине XXI века, можно  ожидать повышение среднегодовой  температуры воздуха к 2020 году  на 0,9-1,5 градуса Цельсия и к 2050 году на 2,5-3 градуса Цельсия. Атмосферные  осадки к этим же годам возрастут  на 5 и 10-15 %, соответственно.

 

 Анализ данных мониторинговых наблюдений и геотермических исследований свидетельствует о широко распространенной деградации верхних горизонтов криолитозоны (повышение температуры вечномерзлых пород, уменьшение их площади, возрастание глубины сезонного протаивания) за последние 15-25 лет.

 

 В качестве наглядного  примера происходящих термических  изменений в криолитозоне используем данные наблюдений стационара Марре-Сале (Западный Ямал), расположенного на участке одноименной метеостанции. Здесь почти на всех экспериментальных площадках зафиксировано повышение температуры мерзлых пород на глубине 10 м за 1979-1998 годы (схема 21).

 

Схема 21. Изменение температуры вечномерзлых пород на глубине 10 м на стационаре Марре-Сале (Западный Ямал)

 

Оно изменялось от 0,1 до 1 градуса Цельсия. Только в полосе поверхностного стока воды (площадка 34) многолетние изменения температуры пород практически не отмечались. По результатам геотермических исследований обнаружено, что современное потепление пород достигает глубин в десятки метров. Рассмотрение материалов наблюдений того же стационара Марре- Сале показывает, что несмотря на большие междугодовые вариации глубины сезонного протаивания, в целом обнаруживается слабая тенденция к ее возрастанию за 1978-1998 годы (рис. 4). Прогнозируемая глубина сезонного протаивания на 2020 год возрастет на Севере всего на 15-20 см в песках, а в супесях, глинах и торфах еще меньше. Прогнозируемые региональные повышения температуры поверхности пород не превысят 1,4 градуса Цельсия на 2020 (2025) и 2,3 градуса Цельсия на 2050 год (схема 22).

Схема 22. Изменение глубины сезонного протаивания пород на стационаре Марре-Сале (Западный Ямал) за 1978-1998 гг.

На рис. 2 показана эволюция вечной мерзлоты в России в том случае, если оправдаются приведенные выше прогнозные оценки потепления климата на Севере в XXI веке. Выделены 4 зоны, отличающиеся разной степенью и неодинаковыми сроками начала повсеместного глубокого оттаивания вечномерзлых пород сверху.

 

Рис. 2. Вероятные изменения вечной мерзлоты в России при потеплении климата к 2020 и 2050 гг.

 

За начало глубокого оттаивания мерзлых пород принят момент, когда слой грунтов, оттаявший за лето, зимой промерзнет не полностью и кровля вечномерзлых пород начнет прогрессивно понижаться. Временной интервал, за который вечномерзлые породы оттают полностью, зависит не только от потепления климата, но также от состава и льдистости пород, их температуры и мощности, от теплопритока снизу (из земных недр).

 

 Таяние может продолжаться  годами, десятилетиями, сотнями и тысячами лет.

 

 При составлении карты-схемы (см. рис. 3) учитывалось, что на одинаковые изменения глобального климата вечная мерзлота в разных ландшафтных условиях будет реагировать по-разному. Наибольший вклад в разнообразие реакции мерзлоты на атмосферные воздействия вносит рельеф земной поверхности. На карте показаны три категории рельефа: равнины, плоскогорья и горы.

 

 Первая с юга зона - это территории, на которых вечная  мерзлота к 2020 году будет оттаивать  сверху повсеместно, где она развита. Эта зона сформируется только  в пределах Западно-Сибирской низменности, на южном пределе современной криолитозоны. Здесь в настоящее время встречаются редкие острова-линзы вечномерзлых пород с температурой выше -0,5 градуса Цельсия, приуроченные к торфяникам. После их оттаивания южная граница криолитозоны отступит к северу на 300 км и более, таяние вспученных льдом торфяников будет сопровождаться интенсивными просадками их поверхности, но серьезных изменений в природную обстановку и деятельность человека это не внесет: вечномерзлые торфяники встречаются редко и в хозяйственную деятельность практически не вовлечены.

 

 Вторая зона - территории, где вечномерзлые породы будут  повсеместно таять к 2050 году. На  севере европейской части России  криолитозона к этому времени отступит в северном или северо-восточном направлении на 50-100 км, в Западной Сибири - на 100- 250 км, на юге Среднесибирского плоскогорья - на 600 км. В горах изменения криолитозоны будут минимальными: острова вечномерзлых пород будут оттаивать повсеместно только на Енисейском кряже и в небольшой части гор Южной Сибири и юго-восточного Забайкалья. Как и в предыдущей зоне, последствия оттаивания мерзлых пород окажутся незначительными: исчезнут острова и небольшие массивы мерзлых пород в самых неудобных для человека урочищах - торфяниках, на сильно замшелых участках тайги, на затененных днищах узких, глубоких долин, на склонах северной экспозиции. Современная температура этих пород не ниже -1 градуса Цельсия.

 

 Третья зона объединяет  территории, где к 2050 году глубокое  оттаивание вечномерзлых пород  начнется не повсеместно. Современная  температура вечномерзлых пород  здесь меняется в основном  в пределах от -1 до -5 градусов  Цельсия. Оттаивать будут только  малольдистые породы с температурами не ниже -1...-1,5 градуса Цельсия. Это преимущественно пески и скальные породы. Ширина зоны частичного оттаивания вечномерзлых пород на севере европейской части России достигнет 30-100 км, на севере Западной Сибири - 40-200 км, в Восточной Сибири - 240-820 км.

 

 Зона включает в  себя также часть низких гор  Южной Сибири, Забайкалья, юга Дальнего  Востока и Камчатки до 60-62 градусов северной широты.

 

 В четвертую зону, зону  относительно стабильных вечномерзлых  пород, входит северная часть  криолитозоны с самыми низкими температурами пород - от -3 до -16 градусов Цельсия. Мощность их измеряется сотнями метров. При прогнозных масштабах потепления климата глубокое протаивание мерзлых пород на этой территории исключается. Незначительно увеличится лишь площадь таликов.

 

 Таким образом, на основе  вышеприведенных данных можно  сделать вывод об изменениях  криолитозоны России к середине XXI века. Через 50 лет температура поверхности грунтов повысится на 0,9-2,3 С0, а глубина сезонного протаивания увеличится на 15-33%. В результате этого южная граница криолитозоны на равнинах и плоскогорьях отступит к северу и северо-востоку на 50-600 км. Если к зонам полного оттаивания вечномерзлых пород добавить зону частичного их таяния, то в целом образуется полоса деградации вечной мерзлоты, ширина которой на севере европейской части России достигнет 50-200 км, в Западной Сибири - 800 км и в Восточной Сибири - 1500 км. Сильно сократятся, но полностью не исчезнут острова и массивы вечномерзлых пород в горах Забайкалья, юга Дальнего Востока и на Камчатке.

 

 Негативные последствия  климатического потепления будут  отмечаться на всей территории  криолитозоны: усиление деградации мерзлых толщ как по вертикали, так и в плане; нарушение функционирования природно-технических систем, при проектировании которых не была учтена возможность глобального потепления климата и деградации мерзлоты. На территории, где вечномерзлые породы относительно стабильны (третья и четвертая зоны на рис.3) из-за высокой льдистости верхнего горизонта мерзлых пород даже небольшое увеличение глубины сезонного протаивания приведет к активизации таких разрушительных мерзлотных процессов, как термокарст, термоэрозия и солифлюкция. Усилятся процессы разрушения береговых уступов арктических морей. Экономика Севера потребует дополнительных затрат для обеспечения сохранности мерзлого основания зданий и инженерных сооружений.