CC BY
6КОЛЫМСКАЯ МЕРЗЛОТНАЯ ТРАНСЕКТА (ПЕРВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ)
Роберт Гамлетович Сысолятин,
младший научный сотрудник ФГБУН
Институт мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН (ИМЗ СО РАН), г. Якутск
Светлана Вячеславовна Калиничева,
кандидат географических наук, научный сотрудник ИМЗ СО РАН, г. Якутск
Александр Николаевич Фёдоров,
доктор географических наук, главный научный сотрудник ИМЗ СО РАН, г. Якутск
Р. Г. Сысолятин, С. В. Калиничева, А. В. Литовко, А. Н. Фёдоров, М. С. Рожина, М. А. Сивцев DOI: 10.24412/1728-516Х-2022-2-28-32
В последние годы наблюдается повышенный интерес к теме современных климатических изменений. Для регионов развития криолитозоны негативные последствия при потеплении климата связаны с потерей сельскохозяйственных угодий, разрушением зданий и сооружений, удорожанием содержания инженерной инфраструктуры, таянием ледников, изменением режима поверхностных и подземных вод и т.д. При пессимистичном сценарии изменения климата ущерб для России к 2050 г в денежном эквиваленте может составить около 9 трлн рублей (https://ria. ш/20201124/агкйка-1586051387.Мт1).
На данный момент по всем метеостанциям Якутии фиксируется повышение средней годовой температуры воздуха, однако величина и динамика климатических изменений имеют существенные различия [1]. Согласно расчётам, наибольшая величина дальнейшего роста температуры приземного воздуха будет наблюдаться в высокоширотных областях [2]. Различными авторами также отмечается повышенная восприимчивость горной мерзлоты на климатические изменения [3, 4]. Исходя из этого, можно предположить, что и реакция мёрзлых пород будет различной, зависящей от сочетания факторов, оказывающих влияние на условия теплообмена на поверхности Земли,
величину поступления тепловой энергии в толщу горных пород, на их тепловую инерционность и т. д.
Проведение геотермического мониторинга является эффективным способом оценки реакции криолитозоны на климатические изменения. Продолжительный мониторинг температурного режима мёрзлых пород на различных участках территории Якутии (Чабыда -40 лет; Спасская падь - 20, Сунтар-Хаята - 12) показал важность проведения подобных режимных наблюдений и позволил сделать ряд ценных выводов о современном состоянии многолет-немёрзлых пород [5, 6]. Однако при анализе методик организации и проведения температурного геомониторинга становятся очевидными некоторые недостатки: 1) различие в методике проведения мониторинга; 2) фокусировка только на температурном режиме мёрзлых пород; 3) непубличность исходных данных; 4) уязвимость мониторинговой сети для вандалов и вмешательства диких животных.
Колымская мерзлотная трансекта -это проект организации участков мониторинга за температурой многолетне-мёрзлых пород на метеостанциях вдоль федеральной автодороги «Колыма» на территории Республики Саха (Якутия). Сеть из семи скважин глубиной 30 метров, расположенных вблизи площадок
Андрей Владимирович Литовко,
научный сотрудник ИМЗ СО РАН, г. Якутск
Мария Сергеевна Рожина,
инженер, аспирант ИМЗ СО РАН, г. Якутск
Максим Алексеевич Сивцев,
инженер, аспирант ИМЗ СО РАН, г. Якутск
продолжительного наблюдения за метеопараметрами, создаётся для определения реакции температурного режима мёрзлых пород при учёте максимально возможного количества климатических факторов. В 2022 г. проект получил поддержку со стороны Российского научного фонда. Наблюдательную сеть планируется задавать с учётом известных недостатков используемых методик проведения температурного мониторинга. Реализация проекта даёт возможности:
1) получить сведения о формировании температурного режима горных пород в слое сезонного оттаивания и годовых колебаний в различных геологических, географических и геоморфологических условиях;
2) провести сравнение температурного режима мёрзлых пород как между наблюдательными участками, так и с данными других исследований;
3) оценить мощность многолетнемёрзлой толщи при стационарном распределении температуры пород с глубиной;
4) определить теплофизические параметры горных пород как лабораторными исследованиями керна скважин, так и расчётными методами.
Отметим, что согласно различным строительным нормам и правилам (напр. СП 131.13330.2012), при строительстве и проектировании зданий и сооружений за базовые значения при определении некоторых расчётных параметров принимаются данные о климатических параметрах ближайших метеостанций [7]. Логично полагать, что и температурный режим горных пород, определяемый на метеоплощадках, может служить исходной основой для проведения инженерных расчётов ещё до проведения изысканий.
Создание «Колымской мерзлотной трансекты» предполагает бурение с отбором керна 30-метровых скважин на семи метеостанциях: Чурапча, Ытык-Кюель, Тёплый Ключ, Восточная, Агаякан, Томтор (Оймякон) и Делянкир (рис. 1). Проведение геотермического мониторинга планируется осуществлять в следующих точках: на дневной поверхности и на глубинах 0,15; 0,3; 0,6; 1,0; 1,2; 1,6; 2,0; 2,6; 3,0; 3,2; 5,0; 7,0; 10; 13; 15; 20; 25 и 30 м датчиками с точностью измерений до 0,05 °С и с частотой замера 8 раз в сутки (как и на метеостанциях). Выбор глубин измерений осуществлён, исходя из необходимости сопоставления получаемых данных с измерениями температуры на метеостанциях и в мониторинговых скважинах проектов GTN-P, TSP, PACE и других [4].
Для всех указанных метеостанций проведён анализ имеющихся метеорологических данных за 1970-2020 гг. По геотермической базе лаборатории геотермии крио-литозоны Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН сделана выборка данных по ближайшим глубоким геотермическим скважинам (табл.).
Первой мониторинговой площадкой стала метеостанция «Восточная». Покажем на её примере некоторые предварительные результаты.
Метеостанция «Восточная» основана в 1942 г на 690 км федеральной автодороги «Колыма» (рис. 2) для предоставления метеоданных и синоптических прогнозов авиадиспетчерам воздушной трассы АлСиб при перегоне самолётов по программе ленд-лиза из США в СССР
За последние 50 лет на метеостанции «Восточная» фиксируется повышение средних годовых температур
1JZ CXJ' в.д.
1JBG0 Й-Д.
б^ТО' С-Щ.
fc OHV.hkuh лет наблкэденнй
««кп-СИЬ" '"ос,
в"С1"" м/с Якутск? ¡f**^: □ ujJJC пет няблщен!
Чурапч^™" 1 oil*.
Лил.-**) Atojijj
Ч™**0 V, Div™ ■
A ..."
/с Теплый клич SO лег наблюдении^
Ытык-Кк£ль лет наблюдений „^п yti£ '
и лет наблюдений „гЛ,
-df—1
Планируемая ось наблюдательной сети мониторинга сдстоянир ыноголетнемерэлык ■ пород ь Восточной Сибири вдоль ФАД -Колыма» на территории Республики Сана (Якутия)
Рис. 1. Схема расположения метеостанций и продолжительность периода метеонаблюдений на них
Таблица
Основные данные по метеостанциям Колымской мерзлотной трансекты за 1971-2020 гг.
Чурапча Ытык-Кюёль Тёплый Ключ Восточная Агаякан Оймякон Делянкир
Абс. отметка, м 186 152 289 1288 777 740 801
Элемент рельефа Плоская вершина холма 1-я надпойменная терраса 1-я надпойменная терраса Межгорная долина (моренный вал) Северовосточный склон хребта Долина реки 1-я надпойменная терраса
Температура воздуха, °С Средняя годовая -10,0 -12,9 -10,6 -12,2 -14,3 -15,4 -13,5
Абс. минимум (дата) -59,5 (01.1982) -57 (02.1976) -59 (01.1979) -54,4 (01.1982) -60,6 (02.2012) -65,4 (01.1973) -65 (01.1973)
Абс. максимум (дата) +38 (07.2011) +35,6 (07.2018) +34,2 (07.2018) +29,9 (07.2010) +36 (07.1976) +34,6 (07.2010) +38,7 (08.1979)
Средняя скорость ветра, м/с 1,5 1,2 1,6 2,1 0,8 1,2 1,4
Среднее количество осадков за год, мм 271 172 133 243 191 219 216
Средняя максимальная величина снежного покрова, см 42 56 66 57 82 34 113
Плотность снега в течение года, кг/м3 120-230 (поле) 120-200 (лес) 120-220 (поле, лес) 110-320 (лес) 130-260 (поле) 100-230 (лес) 130-230 (поле) 130-240 (лес)
Расстояние до ближайшей глубокой скважины, км (мощность мёрзлой толщи, м) 17 км (750 м) 78 км (750 м) 61 км (405 м) 44 км (205 м) 122 км (420 м) 93 км (420 м) 45 км (293 м)
воздуха (рис. 3). Наложение пятилетней средней скользящей также указывает на постепенное потепление климата. В 2012 г был зафиксирован абсолютный максимум средней годовой температуры воздуха, равный -11,3 °С. Амплитуда температур воздуха в горном районе обычно не превышает 80 °С, минимальная температура год от года варьируют в пределах минус 45-52 °С.
В августе 2020 г на метеоплощадке этой станции была установлена измерительная аппаратура (логгер Hobo) для мониторинга за температурой на дневной
поверхности и на глубине 1 м (рис. 4). Сопоставление результатов геотермического мониторинга со среднесуточной температурой воздуха и режимом снегонакопления позволяет сделать вывод о существенной теплоизолирующей роли снежного покрова даже незначительной толщины (11 см). Резкое увеличение снежного покрова в марте-апреле совпало с повышением средних суточных температур воздуха, но практически не отразилось на температуре дневной поверхности по причине чрезмерного выхолаживания горных пород. При
Рис. 2. Вид с метеостанции «Восточная» на ФАД «Колыма»
Рис. 3. Изменение средней годовой (сплошная линия) и пятилетней скользящей (пунктирная линия) температуры воздуха на метеостанции «Восточная»
ззлыа» и.м.гом
ил лп! доыш гои шмж!
Рис. 4. Изменение мощности снежного покрова (1) и средней суточной температуры воздуха (2), температуры дневной поверхности (3) и пород на глубине 1 м (4) на метеостанции «Восточная» в 2020-2021 гг.
температурах от -10 до -15 °С на глубине 1 м горный массив уже становится источником холода, поскольку покрыт достаточно толстым теплоизолирующим слоем снежного покрова. Формированию столь низких температур благоприятствуют следующие факторы: резкое установление низких температур воздуха (ниже -20 °С), малая мощность снежного покрова в первой половине зимнего периода (около 11 см), высокая тепло- и температуропроводность горных пород флювиагляциального происхождения (песчаники и алевролиты триасового возраста) и полное отсутствие растительного покрова, за исключением невысокой травы.
В начале августа 2021 г была пробурена скважина глубиной 15 м на метеостанции «Восточная». Время выстойки и восстановления температурного поля после бурения составило пять дней. После этого на протяжении трёх недель наблюдалось понижение температуры на глубинах 3, 5 и 15 м. Результаты контрольного замера, приведённые на рис. 5, показывают распределение температуры пород в слое годовых теплооборотов на начало сентября. При отрицательной температуре пород перед зимним сезоном на глубине 3 м и положительной их температуре на глубине 1 м (см. рис. 4) можно предположить, что мощность слоя сезонного протаивания пород составила 1,5-1,6 м. Наиболее низкой температурой (около -6,5 °С) характеризуются горные породы в интервале глубин от 10 до 15 м.
Геологоразведочная скважина на рудопроявлении «Лазурное», расположенном в 60 км на юго-запад, является ближайшим участком проведения глубинных геотермических измерений, которые позволили определить мощность много-летнемёрзлой толщи в данном районе (210 м). Установленная для региона величина внутриземного теплового потока
варьирует в пределах 75-85 мВт/м2 [8]. На данный момент из-за отсутствия керна по скважине на метеостанции «Восточная» оценить эффективную теплопроводность толщи позволяют геологическое строение района и лабораторные определения теплофизических свойств [8, 9]. Теплопроводность отдельных образцов керна, состоящих из песчаников и алевролитов с включениями пирита и кварца, изменяется от 3,17 до 4,45 Вт/м2ч. Эффективная теплопроводность толщи горных пород может зависеть от многих факторов: состава, трещиноватости, ориентации прослоев и др. Эмпирическое значение эффективной теплопроводности толщи в 3,0 Вт/м2ч на участке рудопроявления «Лазурное» было получено нами при принятии теплового потока в мёрзлой толще, равным 60-65 мВт/м2. Используя эти значения, мощность многолетнемёрзлой толщи на метеостанции «Восточная» при допущении стационарного распределения температуры пород ниже слоя годовых колебаний составляет 310-320 м.
Таким образом, на основе пока лишь эпизодических геотермических наблюдений оценена мерзлотная обстановка в труднодоступном, удалённом и практически неизученном в геологическом отношении регионе. Дальнейшая поэтапная реализация проекта «Колымская мерзлотная трансекта» позволит определить температурные и теплофизические параметры мёрзлых горных пород в семи различных регионах Якутии. Это станет базисным узлом для дальнейшего эффективного расширения мониторинговых геотермических исследований на территории республики.
■8
Тсшчрйтур*, "С ■4 □
Тсм1К1нт>ра, "С
= Г
220
Рис. 5. Температура горных пород на метеостанции «Восточная» на 06.09.2021 г. (слева) и на рудопроявлении «Лазурное» на 02.09.2020 г. (справа)
Список литературы
1. Скачков, Ю. Б. Динамика изменения среднегодовой температуры воздуха в Республике Саха (Якутия) за последние 50 лет / Ю. Б. Скачков // Баланс углерода, воды и энергии и климат бореальных и арктических регионов с особым акцентом на Восточную Азию: материалы IX Международного симпозиума, 1-4 ноября 2016 г. - Якутск, 2016. - С. 208-211.
2. Балобаев, В. Т. Геотермия мёрзлой зоны литосферы севера Азии / В. Т. Балобаев. - Новосибирск : Наука, 1991. - 193 с.
3. Haeberli W, Noetzli J, Arenson L, Delaloye R, Gaertner-RoerI, Gruber S, Isaksen K, Kneisel C, Krautblatter M, Phillips M. 2010. Mountain permafrost: development and challenges of a young research field. Journal of Glaciology 57 (200): 1043-1058.
4. Harris, C., D. Vonder Mu" hll, K. Isaksen, W. Haeberli, J. L. Sollid, L. King, P. Holmlund, F. Dramis, M. Guglielmin, and D. Palacios (2003), Warming permafrost in European mountains, Global Planet. Change, 39, 215-225.
5. Варламов, С. П. Результаты 35-летних мониторинговых исследований криолитозоны на стационаре «Чабыда» (Центральная Якутия) / С. П. Варламов, Ю. Б. Скачков, П. Н. Скрябин // Наука и образование. -2017. - 86 (2). - С. 34-40.
6. Sysolyatin R, Serikov S, Zheleznyak M, et al. (2020) Temperature monitoring from 2012 to 2019 in central part of Suntar-Khayat Ridge, Russia. Journal of Mountain Science, 17, 2321-2338.
7. СП 131.13330.2012 «(Строительная климатология» актуализированная редакция СНиП 23-01-99*/ Минрегион России, введ.2013-01-01. - М. : ФАУ «<ФЦС», 2012. - 115 с.
8. Балобаев, В. Т. Геотермические особенности и мёрзлая зона хребта Сунтар-Хаята / В. Т. Балобаев, А. И. Левченко // Геотеплофизические исследования в Сибири. - Новосибирск : Наука. Сиб. отд-ние, 1978. -С. 129-142.
9. Гаврильев, Р. И. Каталог теплофизических свойств горных пород Северо-Востока России / Р. И. Гаврильев; отв. ред.-ры: М. Н. Железняк, В. И. Жи-жин. - Якутск: ИМЗ СО РАН, 2013. - 172 с.
1<Е1&€ИШ
шЫш
Алексеева, О. И. Инженерные сооружения на мёрзлых основаниях : учебное пособие / О. И. Алексеева ; отв. ред. д.т.н. Р В. Чжан. - Якутск : Изд-во ФГБУН Ин-т мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН, 2022. - 154 с.
В основу пособия положен курс лекций, который автор читала студентам геологоразведочного факультета Северо-Восточного федерального университета им. М. К. Аммосова с 1991 по 2011 гг.
Пособие состоит из введения, пяти разделов, заключения, приложения и списка литературы. В работе подчёркивается особая роль геолога при возведении и эксплуатации инженерных сооружений в сложных природных условиях, характеризующихся наличием многолет-немёрзлых грунтов. Рассматриваются физические, механические, теплофизические и другие свойства мёрзлых грунтов, являющихся дополнительными по сравнению с немёрзлыми грунтами. Приводятся основные способы разработки мёрзлых грунтов и средства механизации, конструктивные особенности фундаментов и наиболее распространённых классов сооружений: зданий, трубопроводов, дорог, вертикальных горных выработок, земляных плотин и дамб, линий электропередач, аэродромов. Излагаются основы проектирования оснований и фундаментов, методы температурной стабилизации мёрзлых оснований и вопросы охраны окружающей среды в криолитозоне.
Данное пособие может быть полезно студентам-геологам, а также специалистам геологического и инженерно-строительного профилей.
7,R ЧжЛ
Л. Al kl rt
pCIIOflM iLHSitHEPhoS [TOulOl 111!
Чжан, Т. Р. Основы инженерной геологии : учебное пособие / Т. Р. Чжан, А. А. Куть. - Якутск : Из-во ФГБУН Институт мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН, 2022. - 108 с.
В настоящем учебном пособии кратко изложены основы грунтоведения, основные сведения по инженерной геодинамике и методике инженерно-геологических исследований.
Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности 21.05.02 «Прикладная геология».
