Добыча полезных ископаемых на многолетней мерзлоте
Что такое многолетняя мерзлота
Горные породы, находящиеся в верхнем слое земной коры, могут промерзать достаточно большое количество времени, десятки, а то и сотни лет. Такое явление в научном мире принято называть многолетней мерзлотой. Подземные льды круглый год сохраняют нулевую или отрицательную температуру.
Причины образования многолетней мерзлоты
Основная версия о причинах возникновения многолетней мерзлоты связана с четвертичным оледенением. Так почему же одни участки земли остались без последствий оледенения, а другие остаются в промерзшем состоянии до сих пор? Ученые дают следующее объяснение. Дело в том, что в тех областях, где выпадало достаточно большое количество осадков, было покровное оледенение. Земля была покрыта толстым слоем льда, который не давал грунту промерзать. Лед был своеобразной защитой. А там, где этой защиты не было, вследствие малого количества осадков, грунт промерз очень сильно.
Особенности многолетней мерзлоты
Одной из особенностей многолетней мерзлоты можно считать то, что распространение ее неравномерно, и можно выделить три разновидности.
- Зона сплошного распространения.
- Зона прерывистого распространения.
- Зона островного распространения.
Интересны также формы льда, цементирующего горные породы: линзы, жилы, пятна, клинья, пласты.
Причины сохранения многолетней мерзлоты
Можно назвать комплекс факторов, способствующих сохранению многолетней мерзлоты.
- Резко-континентальный климат.
- Отрицательный радиационный баланс.
- Преобладание антициклона, особенно в зимнее время.
- Очень короткое лето, во время которого мерзлый грунт не успевает оттаивать.
- Малое количество осадков зимой.
- Отрицательные среднегодовые температуры.
Регионы распространения многолетней мерзлоты
Многолетняя мерзлота присутствует практически на каждом континенте, исключением является Австралия. Общая площадь многолетней мерзлоты на нашей планете – 35 млн. км2, это четвертая часть всей суши.
Если мысленно представить карту мира, то можно прочертить границы этого уникального явления природы. Если начинать от Западной Сибири, то точкой отсчета будет широта Тобольска и Подкаменной Тунгуски. Продвигаясь на юг, и уткнувшись в Северную Монголию, нужно повернуть в сторону Благовещенска и Татарского пролива. Камчатка практически полностью занята многолетней мерзлотой.
Северная Америка также сохранила это реликтовое явление. Многолетнюю мерзлоту здесь можно встретить в бассейне рек Мекензи, Юкон, также на полуострове Лабрадор.
Многолетняя мерзлота в России
В разных частях России многолетнемерзлые грунты не однородны, да это и понятно, ведь климат хоть и незначительно, но различается. Так, например, единый замороженный монолит можно увидеть на Севере Сибири, а в районе Кольского полуострова он достигает нескольких десятков метров.
Как уже упоминалось ранее, вечная мерзлота распространена зонами. Зона сплошного распространения самая обширная. Начинается она на островах Северного Ледовитого океана в европейской части, затем спускается к югу и к востоку азиатской части России. Это самая северная часть страны, в частности это северо-восточная часть западносибирской равнины, большая часть среднесибирского плоскогорья и северо-восточная Сибирь.
Вечная мерзлота накладывает отпечаток на ландшафт, лед значительно деформирует поверхность, создавая особые микрорельефы. При очень сильных морозах грунт покрывается трещинами, в которые попадает вода. Вода замерзает, образуя своеобразные решетчатые полигоны.
Еще одно интересное явление – это гидролокколиты, или бугры вспучивания. Образуют их линзы льда, залегающие на глубине и приподнимающие грунт, находящийся над ними. Гидролокколиты могут достигать сорока метров, такие бугры вспучивания распространены в центральной Якутии.
На склонах Буранга и плато Плуторана распространены каменные осыпи. Из-за чередования промерзания и оттаивания, они начинают перемещаться вниз по склону гор. Такое явление называют солифлюкацией.
Зона прерывистого распространения многолетней мерзлоты расположена южнее предыдущей зоны. Очевидно, что лед в этой местности не залегает сплошным пластом, а располагается участками. Оттаявший грунт образует воронку, которую называют термокарстовой. Часто в таких воронках образуются озера, но вода из них может уйти в ближайшую реку, а водоем превращается в болото.
На территории Прибайкалья и юге Забайкалья преобладает зона островной многолетней мерзлоты. Для этой зоны характерны те же самые особенности микрорельефа, но встречаются они значительно реже.
Оттаивание многолетней мерзлоты
Оттаивание многолетней мерзлоты не сулит человечеству ничего хорошего. Это и глобальное потепление, и огромные воронки в земной коре, образующиеся в следствие просадки грунта и формировании подземных полостей. Дело в том, что земная поверхность проседает от того, что мерзлый грунт начинает протаивать, появляются провалы, которые постепенно заполняются водой.
Из-под земли выходит природный газ метан, который образуется в результате оттаивания различных органических останков, таких как реликтовые растения и животные. Вода в таких озерах ярко-голубого цвета, поэтому такие водоемы легко отличить от обычных, термокарстовых. Отличаются они еще и тем, что на дне таких озер огромная воронка. Обилие этих озер, которые хорошо видно на съемке сверху, говорит о том, что проблема оттаивания многолетней мерзлоты стоит уже очень остро и ее непременно нужно решать.
Оттаивание многолетней мерзлоты в России
Чем опасно оттаивание мерзлого грунта? Во-первых, это грозит образованием гигантских провалов, таких как Батагайский кратер в Якутии. Размеры его пугают не только обывателей, но даже ученые относятся к этому явлению настороженно. Такой провал в результате оттаивания вечной мерзлоты может случиться в любом месте и в любое время.
Во-вторых, в результате провалов, в атмосферу выходит природный газ метан, один из парниковых газов. Дело в том, что накопленные тысячелетиями органические вещества, законсервированные в природном холодильнике, начинают постепенно оттаивать под влиянием глобального потепления. Отсюда и природный газ. Чем больше выброс метана, тем выше средние показатели температуры на планете. Получается замкнутый круг.
Ухудшения состояние мерзлого грунта вредит не только природе, но и отражается на человеке. Например, в течение последних десяти лет в Норильске подверглись разрушению более 250 многоэтажных домов. Получается, что с одной стороны человечеством был сделан огромный шаг в сторону освоения многолетней мерзлоты. Люди стали жить, работать, учиться в таких условиях, в которых, казалось бы, жить невозможно. А с другой стороны, вмешательство в природу привело к деградации мерзлого грунта, что пошатнуло природный баланс. Спустя десятилетия человечество вынуждено наблюдать, что научные достижения рушатся как карточный домик.
Влияние человека на многолетнюю мерзлоту
К большому сожалению, влияние технических достижений человечества на многолетнюю мерзлоту только пагубное. Здесь и загрязнение окружающей среды, и последствия строительства различных сооружений. Получается, что любое вмешательство человека в природу, нарушает хрупкий баланс и приводит к деградации мерзлых пород.
Влияние многолетней мерзлоты на хозяйственную деятельность человека
Освоение регионов с многолетней мерзлотой началось в тридцатых годах 20 столетия. Ряд трудностей, возникающий при работе в этих регионах, подтолкнул ученых к созданию особых способов ведения хозяйственной деятельности.
Например, строителям пришлось пересмотреть основные правила возведения сооружений, таких как жилые дома, мосты, теплотрассы, дороги. При постройке и эксплуатации жилых домов приходится учитывать тот факт, что при определенных условиях грунт начинает оттаивать, дома проседать и трескаться. Земляные работы очень трудоемки, требуют больших энергетических затрат, это тоже приходится учитывать.
Из-за многолетней мерзлоты очень остро стоит вопрос водоснабжения и обеспечения теплом жилых домов.
Земледелие затруднено из-за заболоченности почвы. Прежде чем приступить к обработке земли и непосредственно к посевам, приходится проводить работы по удалению лишней влаги из грунта.
Хозяйственная деятельность на многолетней мерзлоте
К основным видам хозяйственной деятельности в условиях многолетней мерзлоты можно считать оленеводство, пушной промысел, рыболовство, чуть менее распространено коневодство. Равнинная и горная тундра – это отличные пастбища для оленей, а для крупного рогатого скота подходят луга в долинах рек. Это отличная кормовая база.
С точки зрения добычи природных ископаемых, это своеобразная кладовая природы. Здесь присутствуют уголь, алмазы, газ, никель, золото, медь, олово. К тому же добыча упрощается тем, что мерзлота является прекрасным крепежным материалом при организации шахт.
Вечная мерзлота используется людьми как природный холодильник. В ней сохраняются ягоды, рыба, мясо, фрукты.
Земледелие на вечномерзлом грунте затруднительно, но возможно, оно несет с собой массу трудностей. Распаханная земля более темная, она притягивает тепло, грунт оттаивает, местность покрывается болотами, которые приходится осушать. Но люди постепенно осваивают земли Восточной Сибири, хотя грунт никогда не прогревается, корневая система растений слабая, но при этом людям удается выращивать некоторые овощи и даже овес. С точки зрения плодородия тоже не все гладко. Из-за низких температур почвенный покров образуется очень медленно, гумус практически отсутствует.
Строительство в условиях многолетней мерзлоты
По мнению ведущих архитекторов, строительство возможно при любых климатических условиях, важно лишь учесть особенности грунта и погодных условий. При строительстве в условиях вечной мерзлоты важно соблюсти следующие принципы.
- При возведении любого сооружения важно сохранить мерзлое состояние грунта, как при строительстве, так при эксплуатации.
- Начинать строительство в местах, где грунт оттаял.
Так как же сохранить целостность вечномерзлого грунта? Можно возводить постройку на подсыпках, используя теплоизоляцию поверхности и грунта. Эффективны также вентилируемые подполья и не отапливаемые первые этажи, сооружение установок для искусственного охлаждения грунтов, свайные фундаменты.
При возведении монолитных сооружений, и при укладке фундамента, используют особые способы работы с бетоном. Также разработали состав бетонных смесей таким образом, что они эффективно застывают и сохраняют свою целостность долгое время в условиях вечной мерзлоты.
Но даже при соблюдении всех технологий строительства зданий, трубопроводов, аэродромов, плотин, дорог, промышленных сооружений приводит к тому, что грунт все же начинает оттаивать. Земля в местах неравномерного оттаивания проседает, постройки рушатся, предотвратить это достаточно сложно. Тем не менее, начиная с тридцатых годов, были возведены такие города как Якутск, Норильск, Мирный.
Заключение
Многолетняя мерзлота – уникальное явление на земле, хотя она так же естественна как пустыни, джунгли или степи, только менее изучена. Исследования в области мерзлотоведения очень необходимы, и они ведутся по сей день. Новые технологии позволяют более детально изучать мерзлый грунт, открывая его новые особенности. И если в начале двадцатого столетия основной целью изучения было эффективное освоения, то сейчас одно из направлений изучения – это предотвращение деградации многолетней мерзлоты. Десятилетия используя природу исключительно для своего обогащения, человечество, наконец-то, пришло к выводу, что сохранение природы гораздо более выгодно и безопасно.
Фото: Sergey Anisimov/Anadolu Agency/Getty Images
Москва. 21 января. INTERFAX.RU – Минвостокразвития представило в Минприроды исследовательскую работу “Анализ состояния вечной мерзлоты, тенденций ее изменения и социально-экономических последствий для регионов Арктики”. В подготовке приняли участие ученые РАН и ФГБУ “Гидроспецгеология”. Результатом их деятельности стал проект “Концепции создания федерального объединения по изучению, мониторингу и регулированию состояния вечной мерзлоты в Арктической зоне РФ”.
Документ касается одной из животрепещущих проблем современной России. Запустив очередной этап освоения Арктики, государство в 2020 году выдало грандиозный пакет преференций для новых проектов в этом регионе. Но в тот же год в Норильске произошла одна из крупнейших промышленных аварий в истории российского Севера. Она показала, что цена освоения Арктики чрезвычайно высока не только с финансовой точки зрения, но и с позиции экологии, а, соответственно, репутации страны.
На фоне споров о причинах глобального потепления вопросы сохранения природы Арктики в процессе ее экономического развития, состояние инфраструктуры в Заполярье, а также предупреждение аварий на объектах в районах вечной мерзлоты вышли на первый план.
Вечная мерзлота или криолитозона – верхняя часть земной коры, отличающаяся отрицательной температурой почв и горных пород, в большинстве случаев с наличием в них льда, переохлажденной воды и различных флюидов.
Две трети страны и минимум данных
В докладе подчеркивается, что криолитозона занимает 65% страны: “Это огромное по площади геологическое тело из горных пород различного состава и генезиса с отрицательной температурой. Одна часть находится в многолетнемерзлом состоянии и содержит лёд-цемент, тонкие ледяные прослои. Другая часть содержит не замерзающие растворы разнообразного химического состава. По площади криолитозона России больше таких стран как Канада, США или Китай”. При этом данных о текущем состоянии вечной мерзлоты в России нет.
В Арктике мерзлота занимает 85% территории, ее глубина здесь достигает своих максимальных значений (до 1,5 км), а в среднем изменяется от 250 м до 400 м. В толщах вечной мерзлоты и под ней скрыта большая часть минерально-сырьевых ресурсов страны: золото, олово, ртуть, алмазы, нефть, газ… Независимо от способов и технологии добычи этих полезных ископаемых в мерзлоте происходят значительные геоэкологические изменения. В большинстве случаев они мало контролируемы, а потому опасны. Но до сих пор в России не существует ни одной государственной программы комплексного изучения вечной мерзлоты.
Собранные в прошлом веке данные о состоянии вечной мерзлоты сейчас совсем устарели. В текущем столетии ведомства не уделяли этой теме почти никакого внимания. Минприроды фактически не проводит работ мерзлотной направленности, регионального изучения в Арктике нет. Минстрой не ведет мониторинг градостроительных объектов, межвеждомственного обмена данных нет. Массивы инженерных изысканий скрыты за грифом “коммерческой тайны” и не доступны для экспертного и научного сообщества. Исследования ученых способны сформулировать лишь самые общие закономерности, поскольку экспериментальный потенциал весьма ограничен, делают выводы составители доклада.
“Страна, две трети территории которой расположены в криолитозоне, активно осваивающая сырьевые богатства северных регионов, не может не заниматься изучением проблем вечной мерзлоты или “русского сфинкса”, как это явление когда-то назвали на Западе. Экологические кризисы и катастрофы наступают там, где темпы научного обеспечения значительно уступают темпам освоения”, – подчеркивают эксперты.
Ни в одном федеральном законе нет упоминания о существовании в РФ вечной мерзлоты. Чтобы снизить природные риски и предотвратить экологические катастрофы, России нужны документы государственного уровня: “Концепции изучения вечной мерзлоты”, федеральная программа “Криолитозона России” и закон “О вечной мерзлоте”. Критически важным становится формирование наблюдательной сети мониторинга криолитозоны, делают выводы ученые.
Опасно не знать
Взаимосвязь между климатом и состоянием криолитозоны очевидна. Однако, причины изменения климатических условий, как и получения достоверных оценок последствий глобального потепления, остаются дискуссионными. Часть климатологов объясняет современное глобальное потепление преимущественно естественными причинами (в зависимости от солнечной активности, геологических процессов планеты, состоянием мирового океана и т.д.). Гораздо более многочисленные сторонники другого направления полагают – основной причиной современного потепления является антропогенное влияние.
Современная среднегодовая температура российской Арктики повысилась за последнее время в среднем на 1,4 С. “Анализ текущих климатических изменений убедительно показывает непрерывное, хотя и не монотонное, потепление климата. Повышение температуры воздуха или возрастание мощности снегоотложений вызывает увеличение глубины сезонного оттаивания, активизацию опасных криогенных процессов. Это уже сейчас приводит к снижению несущей способности мерзлых пород и представляет угрозу безаварийной эксплуатации сооружений”, – отмечается в документе.
Еще одно важное следствие потепления – усиление опасных мерзлотно-геологических процессов (термокарст, термоэрозия, криогенное оплывание склонов и др.). Кроме того, усиливаются разрушения в береговой зоне арктических морей, средняя скорость разрушения берегов сейчас достигает до 3-5 м/год и более.
Естественные процессы потепления усиливаются хозяйственной деятельностью: фундаменты зданий деформируются из-за криогенных процессов, серьезные проблемы возникают при строительстве железных и автомобильных дорог, вдоль магистральных трубопроводов происходит заболачивание и, как следствие, всплывание трубы. Изменение теплового режима мерзлоты и криогенные процессы, по некоторым подсчетам, оказываются причиной 23% отказа технических систем и 29% потерь добычи углеводородов. В целом испытывают деформации около 40% всех инженерных сооружений в криолитозоне, констатируют эксперты.
Авторы доклада подчеркивают, что при строительстве объектов на вечной мерзлоте важно: “Особое внимание уделять вопросам экологической безопасности и эксплуатационной надежности, мониторингу природной среды, условию безопасного хозяйствования. Это необходимо учитывать при разработке новых нормативных документов в данной области. Следует разработать, в том числе на базе современных ГИС технологий, национальную комплексную программу мониторинга состояния криолитозоны Российской Федерации, соответствующую коллективную базу данных и аналитический центр”.
Геокриологическая карта СССР была составлена по материалам, полученным 30-50 лет назад. С того времени появились новые данные, особенно многочисленные и важные на арктическом шельфе, изменился ряд геологических представлений, достигнуты успехи в теории, методологии и методике геокриологических исследований. Новую геокриологическую карту России нужно составлять с учетом актуальной информации и на основе современных технологий.
Концепция полигонов
До настоящего времени всё внимание чиновников было сконцентрировано на инженерных объектах Заполярья, вопрос о мониторинге характеристик вечной мерзлоты даже не ставился. Но кумулятивный эффект потепления климата и техногенное воздействие начали приводить к крупным авариям и к увеличению риска природопользования.
“Одна из последних таких экологических катастроф произошла весной 2020 года под Норильском, где в результате потери несущей способности мерзлых пород в основании резервуара с нефтепродуктами произошла авария и более 20 тыс. т. дизельного топлива попали в реки и наземные экосистемы. Оценки экологического и экономического ущерба достигают полторы сотни миллиардов рублей. Однако, этой аварии можно было бы избежать при своевременно организованной системе геотехнического мониторинга”, – считают авторы документа.
Созданию системы мониторинга посвящена значительная часть доклада. Проанализирован опыт контроля в нефтегазовой сфере, на объектах крупного и жилищного строительства, а также ЖКХ арктических городов. В результате авторами разработана “Концепция изучения вечной мерзлоты”, которая базируется на формировании сети стационаров и полигонов.
Сейчас в России действует ограниченное число геокриологических стационаров. Так в системе Минприроды функционирует всего 2 таких объекта в Арктике. Воркутинский опорный мерзлотно-гидрогеологический полигон (ведет государственный мониторинг состояния недр по Северо-Западному Федеральному округу) и геокриологический стационар Марре-Сале (оценивает Уральский Федеральный округ). Работают еще ряд профильных стационаров, но они не могут сформировать полную картину для всей страны.
Авторы документа подготовили структуру и архитектуру межведомственного мониторинга вечной мерзлоты Арктики. Суть подхода – создание системы геокриологических полигонов, имеющих собственную наблюдательную сеть, а также объединяющих все аналогичные объекты в недропользовании, транспорте, на промышленных сооружениях, в городских и муниципальных образованиях.
Предполагается, что полигоны будут организованы по единому стандарту. Они должны обладать собственной наблюдательной сетью, состоящей из опорных наблюдательных инженерно-геокриологических и гидрогеологических скважин и площадок периодического обследования. Ожидается, что информация от всех источников изначально концентрируется в региональных аналитических центрах, а после ее обработки частично передается в федеральный центр. Не исключено, что в начальный период организации системы государственного мониторинга криолитозоны Арктики функции региональных центров могут исполнять профильные научные организации (с отдельным целевым финансированием и основным штатным составом). Это позволит наиболее качественно проводить анализ получаемой информации в период становления и развития мониторинговой системы.
Учитывается и бурение опорных скважин для изучения ледяных тел, позже эти скважины планируется перевести в режим мониторинговых наблюдений. Кроме того, предлагается организация мерзлотных станций в крупных городах и поселках, формирование мерзлотных инспекций, а также работа региональных центров проектирования защиты и реконструкции зданий и сооружений. Большие перспективы связываются с применением дистанционных методов исследований от беспилотных летательных аппаратов до высоко разрешающей спектрозональной космической съемки, а также до сети спутников для космического мониторинга вечной мерзлоты.
Всего планируется создать 14 полигонов в нескольких секторах Арктической зоны: в европейской и западно-сибирской частях разместят 5 из них, а в восточно-сибирской, куда входят Якутия и Чукотка, – ещё 9. Часть полигонов требуют своей дезактивации, но при выделении средств они могут быть развёрнуты в достаточно короткие сроки: в течение 2-3 лет.
Снизить риски
Поэтапная реализации предлагаемой “Концепции создания федерального объединения по изучению, мониторингу и регулированию состояния вечной мерзлоты в Арктической зоне РФ” позволит на научной основе снизить риски возникновения экологически опасных ситуаций в Арктике, надеются эксперты.
Глава Минвостокразвития Алексей Чекунков, комментируя “Интерфаксу” итоги научно-исследовательской работы, отметил: “Эта работа, действительно, выявила слабые точки в изучении вечной мерзлоты в России. С главой Минприроды Александром Козловым мы детально обсуждали этот вопрос. Будем заниматься этой работой совместно с Минприроды, поскольку за экологию титульно отвечает министерство природных ресурсов и экологии. Совместными усилиями подготовим законопроект “О вечной мерзлоте”, и внесем его в правительство в этом году”.
Козлов подчеркнул “Интерфаксу”, что разработка соответствующего федерального закона уже внесена в приоритетный план по правовой работе Минприроды. “Почему нужен именно федеральный закон? Потому что на данный момент ни в одном законе даже в принципе нет упоминания о существовании в стране вечной мерзлоты. В России нет ни одной государственной программы комплексного изучения вечной мерзлоты. То есть фактически мы не знаем, что происходит на большой территории, покрытой мерзлотой. Но государство должно знать, как снижать природные риски и как предотвращать экологических катастрофы, происходящие в криолитозоне”, – сказал он.
“Изучение, постоянный мониторинг – это критически важные задачи, которые нужно решать, и одним каким-нибудь комплексным планом тут не обойтись. Нужна государственная позиция, прописанная в законе общероссийского значения”, – заявил глава Минприроды.