СОСТОЯНИЕ КРИОЛИТОЗОНЫ
И ПРОГНОЗ ЕЕ РАЗВИТИЯ
Практически на каждом заседании Президиума СО РАН слушаются отчеты по комплексной проверке институтов Отделения.
Так, 31 мая директор Института мерзлотоведения СО РАН доктор технических наук Р.Каменский рассказал о научной и научно-организационной деятельности своего института, о перспективах дальнейшей работы.
К достижениям института в области фундаментальных исследований за отчетный период можно отнести следующие результаты.
Предложена концептуальная модель взаимосвязи между основными глобальными климатообразующими факторами (космопланетарными, астропланетарными и геопланетарными). Предполагается, что периоды свободных гармонических колебаний температуры, обусловленных глобальными факторами, постоянны во времени, а амплитуды их относительно невелики. Однако, в моменты совпадения фаз отдельных климатообразующих циклов возможно проявление своеобразного резонансного эффекта, который значительно усиливает степень влияния глобальных факторов на климат и термический режим горных пород в верхней части геологического разреза. Определено, что именно данный эффект, названный терморезонансным, приводит к значительным циклическим глобальным изменениям климата и обуславливает пульсационный характер развития криолитозоны по площади и разрезу.
На основе подобных представлений составлена схема взаимосвязи между главными климатообразующими факторами в течение последних 130 тысяч лет для территории северной Евразии.
Уже четверть века научная общественность и средства массовой информации обсуждают проблему глобального потепления климата вследствие антропогенного увеличения содержания "парниковых газов" в атмосфере. Все существующие модели показывают, что потепление может быть значительным, особенно в высоких широтах (до 6--8 градусов Цельсия). Толщи мерзлых пород должны реагировать на это изменение климата уменьшением мощности или полной деградацией. На основе современных радиационно-циркуляционных моделей атмосферы в институте были составлены сценарии повышения температуры поверхности горных пород в зависимости от времени и местонахождения, для Западной Сибири и Якутии на период до 2100 года. По прогнозу на предстоящие 100 лет, протаивание вблизи южной границы криолитозоны может достигнуть 12--18 метров, а сама граница сдвинуться на север на 400 км. Все это может случиться, если произойдет прогнозируемое удвоение содержания парниковых газов в атмосфере.
Теоретические модели нуждались в фактической проверке. Она проводилась в институте разными путями в течение нескольких последних лет. В результате сложилось мнение, что говорить о глобальном потеплении климата под влиянием парникового эффекта в настоящее время нет оснований. Более того, из анализа следует, что в ближайшие годы начнется похолодание, которое будет длиться около 30 лет.
Разработан новый численно-графический метод реконструкции палеотемператур поверхности мерзлых пород на момент максимума сартанского оледенения (18 тысяч лет назад) по данным геотермических изменений в глубоких скважинах в районах с нестационарной криолитозоной. Он основан не на анализе температурной кривой, а на выявлении динамики разности тепловых потоков в мерзлой и талой зоне на нижней фазовой поверхности. С его помощью рассчитаны палеотемпературы и палеомощности мерзлых пород сартанской эпохи в 19 пунктах на севере Западной Сибири и в низовьях Енисея. Они указывают на то, что в сартанскую эпоху температура мерзлых пород и воздуха была на 9--12 градусов ниже современной, а мощность мерзлых пород на 200 м больше. Аномальный ход температуры по меридиану севернее Полярного круга дает основание полагать, что эта область была защищена от охлаждения ледником небольшой мощности, вследствие чего породы имели более высокую температуру, чем в южных районах.
Построена физико-математическая модель термодинамического состояния и процессов преобразования геологической среды в подмерзлотном пространстве при периодических изменениях мощности мерзлой толщи в связи с длиннопериодными колебаниями климата Земли. Эта модель позволила объяснить многие явления, наблюдающиеся в зонах развития нестационарных мерзлых толщ, которые распространены на всей территории Западной Сибири и в депрессиях Сибирской платформы. В настоящее время идет процесс уменьшения мощности мерзлой толщи за счет ее оттаивания снизу под влиянием внутриземного теплового потока. В сильно закрытой системе создается огромный дефицит гидростатического давления (до 300--400 м). Вблизи фазовой границы давление может упасть до нуля, в результате чего развиваются процессы внутрипорового испарения, стремящиеся уменьшить дефицит давления и скорость оттаивания. При наличии сквозных таликов действует поршневой эффект всасывания воды с поверхности в подмерзлотное пространство.
В периоды похолоданий (ледниковые эпохи), когда мощность мерзлых пород возрастает, в подмерзлотной зоне возникает избыточное давление, которое выдавливает воду на поверхность. Оно часто достигает величины предела прочности пород, вследствие чего происходит их уплотнение, разрушение и появление специфической трещиноватости, аккумулирующей избыток воды. Сотрудниками института выявлены особенности пространственного распределения физических и теплофизических свойств магматических, метаморфических и сцементированных осадочных горных пород основных геологических структур Северо-Востока России в пределах Сибирской платформы, Верхояно-Чукотской и Джугджуро-Становой горноскладчатых областей. Например, проявляется зональность в распределении коэффициента теплопроводности терригенных пород. Зональность наблюдается и в распределении плотности скелета осадочных пород по глубине. Для терригенных пород порядок возрастания их плотности соответствует степени тектонической активности геологических структур.
Создана теоретическая модель частиц пород с изменяющейся формой для оценки коэффициента теплопроводности горных пород разного генезиса, структуры, пористости и плотности.
Установлен характер эволюции высокогорной криолитозоны Северного Тянь-Шаня за последние 25 тысяч лет и дан прогноз изменения мерзлотных условий этого региона до 2025 года. Показано, что максимум потепления фиксируется в период 10--7 тысяч лет назад, когда температура пород была выше современной на 1--1,5 градуса С. На конец прогнозного периода образуется мерзлота несливающего типа, верхняя поверхность которой будет наблюдаться на глубине 6--8 м. Высотная граница распространения многолетней мерзлоты поднимется на 200--250 м, а область распространения мерзлоты сократится на 20 процентов.
Изучены условия формирования подземного ледового комплекса арктических низменностей и определены скорости современного разрушения берегов северных морей. Исследования подошвы ледового комплекса на побережьях морей Восточно-Сибирского и Лаптевых позволили уточнить представления о его геологическом возрасте. По термолюминесцентным данным установлено, что процессы аккумуляции отложений в нижней части ледового комплекса происходили в интервале 94--114 тысяч лет назад. В результате стационарных наблюдений на ключевых участках побережий морей Лаптевых и Восточно-Сибирского определены скорости разрушения и переработки их береговой зоны, которые могут достигать нескольких метров в год.
Получены данные о миграции и концентрации широкого круга химических элементов в 2--5-метровом слое мерзлых пород. На этой основе выявлена возможность формирования специфически наложенных криогенных геохимических ореолов, которые являются индикаторами скрытых в толще мерзлых пород месторождений полезных ископаемых.
Исследованы особенности влагопереноса и льдовыделения в полиминеральной глине при предельных величинах внешнего давления. Результаты этих исследований дают основание предполагать, что максимальная глубина распространения шлировых криотекстур в подобных отложениях не может превышать 50 м.
Разработан комплекс программ для решения задач тепломассопереноса в трещиноватых и пористых средах при моделировании процессов, происходящих на действующих гидротехнических сооружениях в области криолитозоны.
В области прикладных исследований можно отметить следующие результаты. Впервые разработан принцип учета геокриологических условий при сооружении подземных резервуаров в криолитозоне для хранения различных жидкостей и газов. Подобные резервуары создаются методом гидроразмыва мерзлых грунтов. Выявлены закономерности протекания нестационарных процессов тепломассообмена вокруг подземных резервуаров при взаимодействии заполняющих их жидкостей или газов с окружающим мерзлым грунтовым массивом. На основе этого предложены обоснованные методы обеспечения надежности создаваемых подземных резервуаров в мерзлых грунтах.
Предложены новые инженерные решения устройства малозагубленных фундаментов зданий и методы их расчета при глубоком сезонном промерзании сильносыпучих грунтов.
Разработан новый способ складирования токсичных отходов горного производства в условиях криолитозоны. Суть способа заключается в устройстве многосекционного хвостохранилища с круглогодичным регулированием цикла заполнения его емкостей и последующим замораживанием складируемых отходов за счет теплообмена с атмосферой в зимнее время.
Перспективы дальнейших исследований Института мерзлотоведения определяются основным направлением деятельности, которое формулируется так: "Природные криогенные геосистемы и их изменчивость под влиянием естественных и техногенных факторов". При этом задачами института являются: изучение закономерности формирования береговой и шельфовой криолитозоны арктических морей; комплексное прогнозное моделирование состояния криолитозоны в условиях изменяющейся природной среды; исследование геоэкологического состояния и тенденций развития криогенных ландшафтов и их влияния на формирование температурного режима мерзлых грунтов; изучение особенностей формирования и динамики развития геофизических, геохимических и тепловых полей в криолитозоне на площадях техногенного воздействия; разработка новой концепции создания инженерной инфраструктуры на мерзлых грунтах с учетом изменения их состояния.