Sk.ru перепечатывает статью, оригинал которой был опубликован в журнале «Российская энергетика и энергосбережение» (№5-6, 2019), с разрешения авторов, Калабиной Марии Викторовны (специалиста компании «РУСГЕОТЕХ», резидента Фонда «Сколково») и Зворыкиной Юлии Викторовны, директора института исследований и экспертизы ВЭБ
В сентябре 2019 г. Россия стала 187-й страной, присоединившейся к Парижскому соглашению по климату 2015 г. Изменение климата – одна из основных современных глобальных проблем. Изменения климата в Арктическом регионе оказывают огромное влияние на развитие общества и экономику во всем мире, поскольку климатические изменения в Арктике идут более высокими темпами. Для оценки рисков изменения арктических систем особое значение имеет оценка современного и будущего состояния многолетнемерзлых грунтов.
Фото: flickr.com.
Криолитозона широко распространена на суше всех континентов земного шара. В мире мерзлые породы занимают около 36 млн км2, что составляет около 24% от всей площади суши. Они занимают около 70% территории России, 50% – Канады, 60% – Аляски, 65% – Монголии, 22% – Китая. Мерзлые породы – это естественно-историческое образование, неоднократно возникавшее в процессе геологического развития в различных частях планеты. Тепловое состояние многолетнемерзлых пород связано с теплообменом на поверхности Земли между литосферой и атмосферой. В то же время этот теплообмен совершается в определенной геологической и географической среде, определяющей состав мерзлых пород и специфику их развития.
Наибольший практический интерес к исследованиям последствий влияния изменений климата в Арктике связан с тем, что в макрорегионе залегает более четверти мировых запасов углеводородов. Сейчас темпы и интенсивность освоения этих территорий возрастают. Преобладающая часть месторождений нефти и газа России находится на территории распространения вечной мерзлоты.
Выполнение поставленных Президентом Российской Федерации В.В.Путиным задач по обеспечению к 2024 г. объемов транспортировки по Северному морскому пути в объемах 80 млн тонн, требуют детализированной оценки рисков добычи и транспортировки ресурсов. На данном этапе развития для транспортной инфраструктуры характерна значительная зависимость от сезонных и погодных условий. Слаборазвитая транспортная инфраструктура затрудняет добычу полезных ископаемых и делает ее значительно дороже. Недостаточно развиты железнодорожный и автомобильный транспорт. Например, на 1000 кв. км территории Ненецкого автономного округа приходится лишь 0,32 км автодорог общего пользования с твердым покрытием. Автодороги представлены зимниками. Единственный вид транспорта – авиационный.
На арктическом шельфе пока не развита крупномасштабная добыча нефти и газа и поэтому отсутствует крупная сеть транспортной инфраструктуры. Сложности при разработке месторождений на шельфе связаны с низкими температурами воздуха, ледовыми условиями добычи и транспортировки, необходимостью соблюдения более жестких экологических требований. Проектирование сооружений нефтегазового комплекса требует выяснения инженерно-геологических условий на больших территориях, прогноза последствий освоения, овладения набором возможных технических решений по применению тех или иных типов и конструкций и инженерной защиты территории.
Проблемы климата давно вышли за рамки национальных интересов. Не только научная, но и мировая политическая общественность признают необходимость и неотложность их изучения с целью выявления позитивных, неблагоприятных и катастрофических последствий глобального изменения климата для природной среды, экономики и социальной сферы, а также разработки экономических и политических стратегий адаптации к предстоящему потеплению.
Изучение климатических изменений и реакция криолитозоны на них – одно из ключевых направлений в современном мерзлотоведении. Проблема глобального потепления возникла еще в 1960-х. Потепление климата в различных регионах выражено по-разному. В некоторых регионах оно выражено слабо или практически не наблюдается, в других – потепление превышает 1,50С за последние 30 лет. Максимальное потепление характерно для континентальных районов, а на морских побережьях оно выражено слабо. Установлено также, что глобальная температура планеты за последние 200 лет повысилась на 0,50С, при этом на 0,40С за последние 30 лет. Факт потепления установлен, но пока не выявлено, способствуют ли этому естественные причины или активная техногенная деятельность. Последствия изменения климата многообразны. Если произойдет оттаивание мерзлых толщ в криолитозоне, то из-за значительного содержания в них льда, средняя осадка грунтов может составлять 10 метров и более.
Уровень мирового океана за последние 100 лет уже повысился на 10–25 см, из-за термического расширения воды и таяния льда. За счет таяния ледников уровень океана может подняться еще на 1–3 м. Так за последние 5 тыс. лет береговая линия п-ва Ямал сместилась в сторону суши на 15–20 км, а сейчас она перемещается со скоростью 4–6 м/год. За счет увеличения количества воды в Мировом Океане, повышения его температуры и снижения солености изменится характер и направленность теплых и холодных течений. Объем влагозапасов на севере Западной Сибири может вырасти на 20–40%, что приведет к сильному заболачиванию территории.
В настоящее время уже фиксируются такие последствия изменения климата как уменьшение оледенения Земли, исчезновение ряда ледогрунтовых островов в шельфовой зоне Северного Ледовитого океана, широкое распространение деградирующей криолитозоны (как сверху, так и снизу). По результатам наблюдений на Тянь-Шане за период с 1960 по 1980-е площадь оледенения сократилась на 11%. Объем стока ледников увеличился на 15%. При такой высокой скорости таяния ледников они могут исчезнуть за 160–200 лет. В Западной Сибири в ближайшие 20–30 лет южная граница мерзлоты может переместиться к северу на 50–80 км, южная граница сплошной криолитозоны на 150–200 км к северу.
С деградацией приповерхностных многолетнемерзлых грунтов связана активизация таких геологических процессов, как термокарст, солифлюкция, термоэрозия, криогенные оползни и другие образования преимущественно отрицательных форм рельефа. Следствием является формирование оврагов, полостей, озерных котловин и заболоченных территорий, приводящее к нарушениям ландшафтов. Потепление климата окажет сильное влияние на инженерные сооружения. Одно из возможных последствий – осадка поверхности грунта при оттаивании. Согласно экспертным оценкам, площадь, где сохранится режим сезонного оттаивания может сократиться от современного значения в 16,6 до 7,9 млн кв. км к концу XXI века. При этом произойдет увеличение глубин сезонного оттаивания на 0,2 – 0,6 м.
Повышение температуры грунтов способствует переходу грунтов из твердомерзлого состояния в пластично-мерзлое и оттаявшее. Изначально мерзлые грунты обладают высокими показателями прочности, так как грунтовые частицы связывают льдоцементационные связи. Но при оттаивании мерзлые грунты превращаются в разжиженные массы, не способные выдержать нагрузки от сооружений. Изменения параметров природной среды. при выходе за пределы расчетного диапазона, могут вызвать повреждение объектов инфраструктуры, их частичное или полное разрушение.
Существующая инфраструктура северных регионов достаточно хорошо адаптирована к современным мерзлотно-климатическим условиям и ее устойчивость будет определяться не абсолютным, а относительным изменением несущей способности мерзлого грунта. В области наибольшего геокриологического риска попадают Чукотка, бассейны верхнего течения Индигирки и Колымы, юго-восточная часть Якутии, значительная часть Западно-Сибирской равнины, побережье Карского моря, Новая Земля, а также часть островной мерзлоты на севере европейской территории. В этих районах имеется развитая инфраструктура, в частности газо- и нефтедобывающие комплексы, система трубопроводов Надым-Пур-Таз на северо-западе Сибири, Билибинская атомная станция и связанные с ней линии электропередач от Черского на Колыме до Певека на побережье Восточно-Сибирского моря. Деградация мерзлоты на побережье Карского моря может привести к значительному усилению береговой эрозии, за счет которой в настоящее время берег отступает ежегодно на 2–4 метра. Особую опасность представляет ослабление вечной мерзлоты на Новой Земле в зонах расположения хранилищ радиоактивных отходов.
Даже без значительных температурных изменений широкое распространение засоленных грунтов на арктическом шельфе окажет негативное влияние на инженерные сооружения. Засоленные грунты даже при отрицательной температуре могут оттаять и потерять несущую способность при незначительном изменении температурных условий. Уже сейчас для сооружений, спроектированных и построенных в 1950-х во многих регионах (например, в Забайкалье), выявлено, что в процессе потепления климата большинство из них претерпело значительные деформации.
Для оценки геокриологических последствий потепления климата наиболее информативны данные мониторинга криолитозоны. В настоящее время криолитозона, особенно зона со сплошным распространением мерзлых пород, достаточно устойчива в современных условиях изменяющегося климата. Но потепление климата в будущем, совмещенное с интенсивным техногенезом, представляет серьезную опасность для функционирования природно-технических систем севера.
Уже более 20 лет осуществляется международная программа по циркумполярному мониторингу деятельного слоя (CALM) и международный проект по термическому состоянию вечной мерзлоты (TSP). В них участвуют практически все страны, на территории которых наблюдаются явления многолетнего, сезонного и кратковременного промерзания грунтов. В оценках реакции криолитозоны на современные и прогнозируемые изменения климата недостаточно учитывается специфика теплообмена толщи многолетнемерзлых пород с внешней средой. Все внешние воздействия на мерзлые толщи осуществляются через систему покровов – растительный, почвы, грунты деятельного слоя. Сложность состоит в том, что свойства покровов и интенсивность их влияния изменяется в зависимости от сезона года. Ситуация еще более осложняется, когда происходят направленные изменения климата, которые вызывают изменения в других компонентах природной среды, являющихся важными факторами теплообмена атмосферы и мерзлой толщи. Так возникает ряд связей, которые приводят к тому, что мерзлые толщи реагируют на изменения, например, температуры с разной интенсивностью.
Изменение условий на поверхности, сопровождающее потеплении или похолодание, может сильно трансформировать направленность мерзлотного процесса, и привести к развитию или деградации мерзлых толщ. В одних ландшафтных условиях оно будет действовать в том же направлении, что и климатический тренд, усиливая его, в других – в противоположном, ослабляя климатический тренд. Пространственные закономерности имеют аналогию и во временных закономерностях развития криолитозоны. Таким образом, характер взаимодействия климатических и мерзлотных характеристик сложный и неоднозначный.
Сейчас большинство прогнозных моделей, описывающих взаимодействие климата и многолетнемерзлых пород однофакторные, учитывающие только прямые связи криолитозоны с отдельными показателями природной среды, например с температурой воздуха. Для полного понимания происходящих процессов и определения вклада и каждого фактора необходимо создание обширной системы мониторинга за природной средой, включающей наблюдения за климатическими и геокриологическими параметрами. Площадки наблюдений необходимо оборудовать на различных геоморфологических уровнях и ландшафтах для оценки и анализа вклада каждого фактора и их комбинации.
При анализе современной динамики криолитозоны в связи с изменениями климата, а также при разработке прогнозных сценариев изменения криолитозоны необходимо анализировать всю совокупность свойств меняющегося вслед за изменениями климата ландшафта и его отдельных компонентов и в особенности эффекты, противодействующие проявлению ведущего процесса. Этот анализ должен быть основан на региональных особенностях взаимосвязей в системе: климат – ландшафт – криолитозона.
Часто для оценки динамики климата используются данные моделирования и изучения климатов прошлого. Связь климата с космическими факторами и геологическими характеристиками, хотя и установлена, но недостаточно изучена количественно. В настоящее время накоплено достаточное количество данных о климате отдельных, наиболее освоенных и обжитых районов, например по Западной Европе. Но на большей части арктических территорий наблюдений не проводится. При этом выявлено, что имеются региональные различия. Экстраполяции результатов измерений и соответствующие климатические прогнозы являются гипотетическими, основанными на небольшой продолжительности наблюдений.
Кроме того, в настоящее время остро поставлен вопрос о возможности глобально быстрого потепления климата Земли за счет техногенного увеличения в атмосфере парниковых газов, которые пропускают коротковолновую и активно поглощают длинноволновую радиацию, создавая «парниковый эффект». Результаты прогнозов изменения климата в будущем по данным климатологов, географов, мерзлотоведов неоднозначны.
Одной из задач инженерного мерзлотоведения является прогноз экзогенных явлений, оценка устойчивости и долговечности существующих сооружений, разработка мероприятий и технологий закрепления грунтов оснований, а также мероприятий, которые необходимо учитывать при перспективном строительстве и хозяйственном освоении северных регионов. Эти работы могут быть выполнены с учетом знания закономерностей, получаемых в области механики мерзлых грунтов, которые бы раскрывали механизм и позволяли выполнять прогнозы формирования напряженно-деформированного состояния мерзлых грунтов в широком диапазоне тепловых и механических нагрузок и времени их воздействия.
Для поиска наиболее оптимальных путей и инструментов при решении вопроса климата необходимо достаточное количество данных и оценка ответных действий человека на происходящие в природной среде изменения. Для накопления информации о природной среде и ее параметрах, а также формирования базы данных необходимо проводить постоянные наблюдения на всей территории Арктики. Создание крупномасштабной сети мониторинга за природной средой – один из основных инструментов наблюдения за природной средой, на основе использования которого возможна разработка и создание управляющих решений. Для наблюдений за верхними слоями грунтов необходимо устраивать наблюдательные площадки с различным термометрическим оборудованием. Сеть мониторинга должна состоять из стационарных пунктов наблюдений различной иерархии – стационаров, профилей, площадок и скважин. Основная цель исследований заключается в осуществлении геокриологических прогнозов, разработке мер контроля и управления параметрами криолитозоны.
Для дальнейшего устойчивого развития северных территорий необходима разработка мер по снижению рисков и адаптации к происходящим изменениям, а также учет использования новых возможностей природной обстановки.
В настоящее время достаточно новое направление деятельности крупных промышленных компаний Арктики – разработка мер по адаптации. Такие мероприятия применяются к производствам и инфраструктуре, расположенным в зонах вечной мерзлоты, в прибрежных районах и на шельфе, а также к используемым технологиям, особо уязвимым по отношению к экстремальным природным явлениям. Адаптационные мероприятия включают создание инфраструктурных объектов по защите водных ресурсов, уменьшению береговой эрозии, снижению рисков наводнений и подтоплений населенных пунктов и промышленных предприятий. Также необходимо совершенствование систем реагирования на чрезвычайные ситуации и предупреждения населения. Необходимо применять уже известные меры и использовать новейшие данные. К ним относится использование новых строительных технологий и практик, используемых в условиях деградации мерзлоты; меры по развитию транспортной инфраструктуры в изменяющихся природных условиях; инструменты по планированию населенных пунктов. Конкретные направления работ должны определяться региональными приоритетами и местной спецификой отдельных субъектов России.
В условиях меняющегося климата необходимо также научно-техническое сопровождение проектирования и строительства промышленных объектов. Особого внимания требует разработка основных технических решений по основаниям, фундаментам крупных инженерных объектов. В их число входит: стабилизация температуры мерзлых грунтов оснований с применением тепловых экранов, охлаждающих установок сезонного и круглогодичного типа, армирование поверхности грунтов георешетками и геосетками; устройство большепролетных ростверков повышенной несущей способности, многоуровневая система водоотвода. Также необходимо проводить районирование территории по степени устойчивости к потеплению климата. Под крупные хозяйственные объекты необходимо проводить комплекс детальных инженерно-геокриологических исследований, в том числе крупномасштабное инженерно-геокриологическое картирование, изучение физико-механических свойств мерзлых, засоленных и охлажденных грунтов, экологические исследования. На основе данных полевых, лабораторных исследований и проведения математического моделирования составляется инженерно-геокриологической прогноз.
Для транспортной инфраструктуры необходимо систематизировать мероприятия по строительству и эксплуатации автомобильных и железных дорог. Они должны включать способы регулирования теплообмена на поверхности грунта, совместное использование термосифонов и теплоизоляторов для стабилизации мерзлого основания, мониторинг земляного полотна дорог. Необходимо разработать показатели учета климатических изменений при оценке риска потерь функциональности объектов транспортной инфраструктуры в результате опасных природных явлений и использовать их в технико-экономических расчетах при проектировании, строительстве и эксплуатации транспортных объектов.
Международное сотрудничество в рамках реализации положений Парижского соглашения предполагает формирование комплекса мер по снижению негативного воздействия человека на климат, для оценки эффективности мер, необходимо создание профессиональных систем объективного мониторинга. Осуществление работ по геотехническому мониторингу криолитозоны в комплексе с анализом метеорологических данных позволит охарактеризовать современные изменения температуры верхних горизонтов многолетнемерзлых грунтов на всей территории Арктики и определить условия и факторы, влияющие на формирование температурного режима грунтов. При появлении базы данных, станет возможным установление закономерностей изменения природных обстановок и создание достоверных прогнозных моделей климата будущего.