Святослав Матросов,
ученик 6 класса ГБОУ г. Москвы «Школа № 354 имени Д.М. Карбышева», член Клуба юных геологов Межвузовского академического центра навигации по специальностям горно-геологического профиля ГГМ им. В.И. Вернадского РАН
Изучая историю Земли, геологию и географию нашей страны, я заинтересовался темой вечной мерзлоты. Оказалось, что эта зона претерпевает значительные изменения, и правильно называть ее зоной многолетней мерзлоты.
В этой статье я хочу рассказать о профессии геокриолога, о жизни и работе в условиях многолетней мерзлоты. Геокриолог – это специалист, занимающийся исследованиями в области мерзлой зоны коры литосферы (криолитозоны). Он изучает геофизические и геологические закономерности формирования и развития сезонно- и многолетнемёрзлых (вечномёрзлых), морозных и талых горных пород, образующих криолитозону, уделяя особое внимание их происхождению, составу, строению и свойствам [1].
Криолитозона представлена горными породами, имеющими отрицательную среднегодовую температуру. Причины её существования – в недостаточном поступлении солнечной энергии, особенностях физико-географического положения и рельефа. Схема строения криолитозоны представлена на рисунке 1.
Науку геокриологию также называют мерзлотоведением – это раздел геологии и криологии, изучающий криолитозону.
Геокриология включает ряд направлений исследований: физику, химию и механику мёрзлых пород, динамическую, литогенетическую, региональную, историческую и инженерную геокриологию.
Инженерная геокриология изучает научные основы проектирования и строительства различных сооружений на многолетнемёрзлых грунтах, их водную и тепловую мелиорации, а также другие прикладные задачи.
В задачи геокриолога входят: исследование криолитозоны, изучение ее географии и истории развития, осуществление геокриологической съёмки и составление геокриологических карт, наблюдение за сезонным промерзанием и оттаиванием, криогенными процессами и явлениями, составление прогнозов и систем управления процессами и свойствами мёрзлых, промерзающих и оттаивающих горных пород [2]. В зависимости от полученных данных и проведенных расчетов геокриолог составляет рекомендации по проектированию сооружений на мёрзлых грунтах, добыче полезных ископаемых в зоне многолетней мерзлоты и рациональному использованию природной среды в условиях криолитозоны.
Криолитозона занимает около 65% площади Российской Федерации и располагается на территории 30 субъектов РФ. Большая доля природных ресурсов расположена в зоне многолетней мерзлоты: до 93% запасов газа, до 75% запасов нефти, уголь, медь, золото, алмазы, никель, титан, платина, молибден, вольфрам, уран, железные руды, олово и соли. В этих регионах создана мощная промышленная инфраструктура: объекты добывающего комплекса, магистральные трубопроводы протяженностью тысячи километров, электростанции, в т.ч. Билибинская АЭС, шахты, железные дороги, аэродромы, морские и речные порты [3].
Но негативные процессы, широко развивающиеся в зоне многолетней мерзлоты, значительно осложняют жизнь людей и развитие промышленности. Так, в криолитозоне происходят [1]:
• Термокарст – процесс неравномерного проседания почв из-за вытаивания подземного льда.
• Сезонное многолетнее пучение. Происходит при чередовании протаивания и замерзания верхнего слоя грунтов, сложенного глинистыми породами.
• Солифлюкция – медленное передвижение почв и рыхлых грунтов под влиянием попеременного протаивания и промерзания и силы тяжести.
• Наледи – нарост льда, возникающий при замерзании подземных вод, изливающихся на поверхность земли, или речных вод, выходящих на поверхность ледяного покрова.
• Бугры пучения – однолетние или многолетние бугры, возникающие при промерзании увлажненных почв и рыхлых горных пород из-за кристаллизации в них воды и разуплотнения минеральных частиц (рисунок 2).
Мерзлый грунт – прекрасное основание для постройки, потому что он крепок, как камень, пока он мерзлый. Но при нагревании он меняет свою структуру, возводимые сооружения деформируются, возникает опасность разрушения. Геокриолог проводит исследования грунта в области предполагаемого строительства и добычи, составляет геокриологическую карту местности, даёт прогнозы протаивания почв и рекомендации по возведению объектов. Существует два базовых принципа проектирования и строительства в условиях многолетней мерзлоты.
Рис. 2. Образование бугров пучения
Первый принцип
Мерзлые грунты применяются в исходном состоянии, которое сохраняется на протяжении всего строительства и дальнейшего периода эксплуатации сооружения. Особое внимание здесь уделяется сохранению мерзлого состояния грунта. Для этого строения возводят на подсыпках и обеспечивают теплоизоляцию поверхности и грунта. Устраивают вентилируемые подполья. Располагают на 1-м этаже неотапливаемые помещения. Применяют свайные фундаменты или фундаменты глубокого заложения, врезаемые в вечномерзлый грунт ниже глубины возможного оттаивания его под строением (рисунки 3, 4). Вблизи скважин строят парожидкостные термостабилизаторы грунта. Нежелательное тепло также может идти от добываемых нефти и газа, поэтому сами скважины также теплоизолируют.
Рис. 3. Дома на свайном фундаменте. (Источник: sergeydolya.livejournal.com)
Рис. 4. Устройство свайного фундамента
Второй принцип
В этом случае вечномерзлые грунты необходимо использовать в талом состоянии, с учетом того, что они будут оттаивать уже при эксплуатации здания (на допустимую, согласно расчетам, глубину). Нужно учитывать дополнительные просадки фундаментов. Следует возводить здания малочувствительных конструкций. При строительстве использовать бетоны специальных составов, с присадками, которые не успевают замерзнуть в процессе заливки [5].
Таяние многолетней мерзлоты
Повышение температуры из-за глобальных климатических изменений приводит к деградации поверхности земли, и это становится экономической и социальной проблемой государственного масштаба. Таяние мерзлых грунтов, вызванное изменением климата, грозит разрушением важным объектам инфраструктуры – домам, дорогам, тысячам километров нефте- и газопроводов в Западной Сибири.
Геокриолог просчитывает геокриологические риски для инженерной инфраструктуры и экосистемы криолитозоны, создает временные модели многолетнемерзлых грунтов.
Государственным гидрологическим институтом Росгидромета был разработан ряд моделей, описывающих возможные изменения, которые могут произойти с многолетней мерзлотой в будущем. Результаты этих моделей показывают, что ее общая площадь может сократиться на 10-12% к 2030 году, а к 2050 году – на 15-20%, при этом граница мерзлоты может сместиться к северо-востоку на 150-200 км, а глубина сезонного протаивания увеличится в среднем на 15-25% [3].
29 мая 2020 года на предприятии «Норильский никель» случилась авария – утечка дизельного топлива. Это экологическая катастрофа, чрезвычайная ситуация федерального масштаба, произошедшая при разгерметизации бака с дизельным топливом на ТЭЦ-3 в Кайеркане (район Норильска). Это одна из крупнейших утечек нефтепродуктов в арктической зоне в истории, создающая угрозу для экосистемы Северного Ледовитого океана.
Одной из причин произошедшей катастрофы называют увеличение протаивания грунта и, как следствие, деформацию хранилища нефтепродуктов.
Образование кратеров
Также большую опасность представляют огромные кратеры, образующиеся в криолитозоне.
Ямальский кратер – округлое углубление на земной поверхности диаметром 20 м и глубиной более 50 м, образовавшееся в период с осени 2013 года по весну 2014 года в центральной части полуострова Ямал. Расположен вблизи от уже действующего газового промысла Бованенковского месторождения (в 30 км южнее Бованенковского НГКМ и менее чем в 5 км от магистрального газопровода Бованенково–Ухта). К счастью, повреждений инфраструктуре не нанесено. Вокруг воронки расположен вал из выброшенных горных пород. Новообразованная воронка быстро заполнилась водой и уже к осени 2016 года превратилась в озеро (рисунок 5).
Рис. 5. Ямальский кратер. (Источник: maxpark.com)
Геокриологи пришли к выводу, что кратер образовался в результате так называемого газового выброса – подземного взрыва тающих газогидратов с выбросом на поверхность смеси, состоящей из пород, льда, воды и газов [4].
Я хотел бы работать геокриологом в добывающей отрасли. Люди этой профессии трудятся в нефтяных, газовых, угольных, металлургических и других компаниях, связанных с разработкой и добычей полезных ископаемых в Арктике. Именно в северных районах расположены многие богатые месторождения нефти, газа и других полезных ископаемых, и именно там сосредоточены усилия больших промышленных компаний (рисунок 6). В условиях развития добычи и климатических изменений геокриология играет ведущую роль в освоении ресурсов. Специалист на таких предприятиях занимается оценкой и прогнозом динамики многолетней мерзлоты, учитывает вероятность изменений и просчитывает последствия техногенного воздействия на криолитозону.
Рис. 6. Ковыктинское месторождение. (Источник: tomsk-tr.gazprom.ru)
Кафедра геокриологии МГУ
Первая в мире кафедра геокриологии (до 1986 г. кафедра мерзлотоведения) была открыта на геологическом факультете МГУ в 1953 г. под руководством профессора, заслуженного деятеля науки РСФСР В.А. Кудрявцева (23.07.1911 – 28.05.1982).
Владимир Алексеевич Кудрявцев родился в Санкт-Петербурге в 1911 г., окончил Ленинградский горный институт по специальности «гидрогеология». Работал в Комиссии по изучению вечной мерзлоты Академии наук СССР, начальником проектной геологической группы Октябрьской и Омской железных дорог, старшим научным сотрудником Института мерзлотоведения АН СССР.
В Московском университете начал работать с 1950 г. на кафедре грунтоведения. Основал и возглавил кафедру мерзлотоведения геологического факультета МГУ (1953– 1981 гг.). Автор более 300 научных работ. Основные области научного творчества – теплофизические основы мерзлотоведения и применение для этой цели вычислительных машин (ЭВМ и АВМ); теория развития криолитосферы Земли и региональное мерзлотоведение; методика мерзлотной съемки и мерзлотного прогноза; охрана окружающей среды в области вечной мерзлоты. Разрабатывал вопросы динамики мерзлотного процесса как природного явления. Внес неоценимый вклад в развитие геокриологии.
На кафедре геокриологии геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова готовят специалистов в области исследования мерзлых толщ земной коры во всех современных направлениях теоретической и прикладной геокриологии: криолитогенез, планетарная, историческая и региональная геокриология, математические методы и геокриологический прогноз, инженерная и экологическая геокриология, криология планет. Выпускники кафедры владеют всеми новейшими методами геологических и геокриологических исследований. Обучение включает научную и производственную практики.
Геокриология открывает мир возможностей для путешествий, приключений и открытий. Работа связана с длительными командировками, но много труда требуется и в кабинетах, и в лабораториях – для выполнения математических расчётов, моделирования температурного поля, анализа мёрзлых пород и испытания их механических свойств, составления карт.
В этой профессии важны такие качества, как внимание, ответственность, аналитические способности, широкие знания, умение работать в коллективе.
Минеральные и энергетические ресурсы страны, капитальное строительство, автомобильные и железные дороги составляют основу экономики. Ещё более они важны в труднодоступных районах с суровыми условиями, поэтому значение труда людей этой профессии так велико.
Список литературы:
1. Ершов Э.Д. Общая геокриология. М. : МГУ, 2002 г.
2. Дубиков Г.И., Ершов Э.Д., Пармузин С.Ю., Хрусталев Л.Н. Инженерная геокриология. Справочное пособие. М. : Недра, 1991 г.
3. Ермаченков И. Таяние вечной мерзлоты – угроза добыче нефти и газа. 2009 г.
4. Чувилин Е.М., Соколова Н.С. Кратеры меняют ландшафт Арктики. Сколковский институт науки и технологий. 2019 г.
5. Алешина Т. Строительство на мерзлоте: опыт и новшества. Издание Сибирского федерального университета. 2017 г.
