Укротить вечную мерзлоту

Вечная мерзлота (другие названия: мно­голетняя криолитозона, многолетняя мерзлота) представляет собой верхний слой земной коры, который характе­ризуется отрицательной температурой почв и горных пород и отсутствием пе­риодического (сезонного) протаивания.

Границы вечной мерзлоты неодно­кратно менялись с течением времени, в том числе за время существования человечества. Так, климатические ус­ловия обитания Зарайской верхнепа­леолитической стоянки в Подмосковье, имеющей возраст порядка 20 000 лет, соответствовали нынешней тундре с соответствующим сезонным промер­занием грунтов. Следы характерного рельефа до сих пор видны на геомаг­нитных картах Бородинского поля и Суздальского ополья. А за несколько десятков тысяч лет до этого на терри­тории нынешней Чукотки произраста­ли леса, так как температура была на несколько градусов выше современной.

На первый взгляд «жонглирование» десятками и сотнями тысяч лет мало связано с современностью. Однако чередование ледниковых эпох и меж­ледниковых периодов происходит при­мерно в таких временных интервалах, и последняя ледниковая эпоха закон­чилась «всего» около 10 000 лет назад.

С климатическими изменениями -сменой «римского климатического оптимума» (~I—IV века) на «пессимум раннего Средневековья» («Ш-IX века) — часто связывают Великое пере­селение народов. Общее похолодание климата стало катализатором мигра­ции северных племен в более теплую Европу. Средневековое потепление сменилось Малым ледниковым пери­одом (=XIV-XIX века), завершившимся современным потеплением. Все это определило техническое и социальное развитие общества.

 

Общепринято, что вода является ос­новой жизни на Земле; причем для человечества главной ценностью яв­ляется питьевая вода, которая состав­ляет всего лишь 2,5 процента от всей воды на планете. Из этого небольшого количества почти 70 процентов замо­рожено в виде ледников и ледниковых покровов, то есть фактически недо­ступно к использованию. Еще около трети всех пресных запасов представ­ляет собой грунтовую влагу и лишь 1,2 процента относится к поверхностным водам, 69 процентов которых (что на­много больше всей воды в озерах и реках) содержится в виде грунтового льда и вечной мерзлоты.

Именно поиски питьевой воды по­служили толчком к началу иссле­дований вечной мерзлоты в России. Комфортность условий проживания переселенцев при освоении ими вновь открываемых территорий в значитель­ной степени определялась сохранением привычного жизненного уклада. В рос­сийских поселениях XIX века колодцы были естественным способом полу­чения питьевой воды как зимой, так и летом. Однако попытки добыть ее таким привычным способом в Якутске не увенчивались успехом: колодцы за­частую оставались сухими (мерзлыми) до значительных глубин. Например, ¹ один из таких колодцев (так называ­емая шахта Ф. Шергина), заложенный в 1828 году по уговору ученых и при поддержке Русско-американской ком­пании, в качестве эксперимента достиг глубины 116,6 метра, но до воды до­браться так и не удалось.

В нем были произведены измере­ния температуры на разных глубинах и геологическое описание. Пользуясь полученными данными и натурными исследованиями в окрестностях Якут­ска, А.Ф. Миддендорф оценил мощ­ность мерзлого слоя в 187-204 метра, что очень близко к значениям, полу­ченным в результате современных бу­рений на этой территории. Было обна­ружено, что в стенках колодца сезон­ные изменения температуры грунта исчезают на глубине 22 метров.

Базируясь на этих данных, Г.И. Вильд в 1882 году построил пер­вую «термическую» модель существо­вания «вечно»-мерзлых грунтов, при помощи которой впервые было при­ближенно определено положение юж­ной границы распространения вечной мерзлоты на территории России.
В середине 1990-х годов была созда­на международная сеть мониторинга глубины сезонного оттаивания вечной мерзлоты, которая в настоящее время включает 168 площадок в Северном полушарии, в том числе более 20 пло­щадок на территории России.

Новый этап изучения вечной мерз­лоты начался в 1950-х годах, когда якутский Институт мерзлотоведения организовал несколько геокриологи­ческих стационаров.

 

Постановка и решение фундаменталь­ных научных задач далеко не един­ственный результат продолжитель­ных исследований вечной мерзлоты. Северные территории активно осваи­вались, и перед исследователями сто­яли конкретные прикладные задачи по обустройству дорог, строительству зданий и сооружений, добыче полез­ных ископаемых. Ответы на еще не решенные вопросы о происхождении льда в грунте, его возрасте и его уяз­вимости по отношению к внешним воздействиям требуются для оценки рисков капиталовложений в развитие инфраструктуры в районах существо­вания вечной мерзлоты.

В Арктической зоне России, на тер­ритории вечной мерзлоты, расположе­ны крупные промышленные центры и города. Урбанизация территории спо­собна изменять условия существова­ния сезонно-талых и сезонно-мерзлых грунтов существенно значительнее, чем любые прогнозируемые измене­ния климата.

Технологии строительства на веч­ной мерзлоте предусматривают вмора­живание объектов в «вечно»-мерзлый грунт на определенную глубину. Одна­ко в результате изменения температу­ры воздуха, и прежде всего в резуль­тате воздействия самого сооружения на подстилающий грунт, изменяется глубина слоя сезонного протаивания. Таким образом «вмороженная» кон­струкция через некоторое количество лет может оказаться целиком в талом слое, со значительно меньшей несущей способностью. Для других сооружений опасно и противоположное — повыше­ние уровня грунтового льда, который в конечном итоге может привести к раз­рушению конструкций.

В последние годы были разработа­ны методы оценки неблагоприятных последствий изменения параметров вечной мерзлоты и построены коли­чественные прогнозы для различных климатических сценариев. Показано, что 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.

По существующим данным, в той или иной степени деформированности находится до 60 процентов зданий и со­оружений в Игарке и Хатанге, 50-60 — в Воркуте и окружающих промышлен­ных поселках, 25 — в Норильске, около 50 — в Певеке и Амдерме, почти 25 — в Тикси, 35 — в Диксоне, 40-55 — в город­ских поселениях Магаданской области и Якутии, более 80 процентов в нацио­нальных поселках Крайнего Севера.

Таким образом, то, что строилось на вечной мерзлоте, оказалось не столь уж «вечным». И приступая к новому строительству, несомненно, следует учитывать современные научные ре­зультаты, консультироваться с науч­ным сообществом, уже научившимся за последние десятилетия трансформи­ровать свою научную терминологию в соответствии с непосредственными требованиями экономистов и инжене­ров-строителей. Это важно, чтобы не повторять уже известных ошибок.

 

Сократова Ирина, заместитель начальника Отдела наук о Земле РАН

Добролюбов Сергей, декан географического факультета МГУ, член-корреспондент РАН