Авторы статьи пытаются проанализировать устойчивый тренд на увеличение среднегодовой температуры российской Арктики и сопредельных территорий: за последние десять лет увеличение составило на 1,4 ºС. С большой вероятностью причиной данного явления является антропогенное влияние, которое в свою очередь оказывает фундаментальное влияние как на окружающую среду, так и на жизнедеятельность человека. Поэтому крайне важно определить основные направления деятельности человека, на которые эти процессы оказывают наибольшее влияние.
Ключевые слова: вечная мерзлота, добыча углеводородов, изменение климата.
Известно, что естественные природные процессы потепления усиливаются хозяйственной деятельностью человека: фундаменты зданий деформируются из-за криогенных процессов, серьезные проблемы возникают при строительстве железных и автомобильных дорог, вдоль магистральных трубопроводов происходит заболачивание и т. д. Изменение теплового режима мерзлоты и криогенные процессы, по некоторым подсчетам, оказываются причиной более трети аварий и отказов технических систем на объектах инфраструктуры в зоне вечной мерзлоты. По подсчетам экспертов, в этой зоне испытывают деформации около 40 % всех инженерных сооружений [1–3].
Установлено, что повышение температуры сильно увеличивает объемы высвобождаемого свободного метана. В дальнейшем это приведет к необратимым последствиям в виде увеличения объемов выбросов парниковых газов с поверхности тундры и темпов глобального потепления. При текущем уровне увеличения среднегодовых температур в арктической зоне, ежегодные экономические потери России в связи с таянием вечной мерзлоты составляют от 50 млрд до 150 млрд руб., а в дальнейшем сумма ущерба будет только расти. Детальное изучение этой зоны и выявление наиболее сильно влияющих на ее развитие факторов позволит значительно уменьшить суммы экономических потерь и найти способы сдерживания процессов разрушения и таяния зоны вечной мерзлоты.
В настоящее время существуют некоторые расхождения, связанные с терминологией вечно мерзлых пород. В данной работе будут использоваться следующие термины:
Вечная мерзлота — осадочные породы, находящиеся при температуре ниже 0 ºС в течение двух или более лет. Она представляет собой систему, которая напрямую зависит от стабильности климата нашей планеты (рис. 1).
Рис. 1. Принципиальная схема строения зоны вечной мерзлоты
1 —– Острова современной мерзлоты; 2 — четвертичные отложения, супеси, суглинки; 3 — верхнепалеогеновые отложения; 4 — реликтовая мерзлота; 5 — среднепалеогеновые отложения
Криолитозона — верхний слой поверхности Земли, характеризующийся отрицательными температурами и наличием подземных льдов. В ее состав входят многолетнемерзлые горные породы, подземные льды и непромерзающие горизонты сильно минерализованных подземных вод.
Многолетняя мерзлота — скопления льда в многолетнемерзлых породах в виде линз, клиньев, прослоев и прожилков льда.
Вечная мерзлота неоднородна по своей структуре не только в разных географических зонах, но и в пределах даже одной геологической структуры [4–5]. В первую очередь это связано с особенностью разреза криолитозоны, к которой относятся: сильная латеральная неоднородность, связанная с наличием линз оттаявших пород; большой контраст состава и состояния между мерзлой толщей и талыми линзами пород, появлением полигональных форм рельефа (рис. 2).
Рис. 2. Модель неоднородного строения зоны вечной мерзлоты
На инженерные сооружения в зоне вечной мерзлоты негативное влияние оказывают не только значения климатических факторов (температура воздуха, количество осадков, число переходов температуры через точку замерзания, количество дней с экстремально низкими температурами и т. д.), но и процесс деградации грунтов под воздействием постоянного увеличения среднегодовых температур.
Основные типы воздействия многолетней мерзлоты на объекты инженерной инфраструктуры можно разделить на три основных группы:
- давление на воспринимающую поверхность инженерных сооружений, обусловленное подвижками крупных массивов грунта;
- формирование пустот в грунте, что ведет к существенному изменению напряженно-деформированного состояния объектов или их фундамента;
- нарушение целостности инженерных объектов за счет постоянно действующих процессов наледи, затопления, замерзания и др. [6–7].
Для минимизации рисков разрушения объектов при отрицательных температурах необходимо разрабатывать новые конструкции и технологии, устойчивые к перепадам температур, а также разработать показатели учета изменения климатических условий и определить степень риска для каждого из них.
Помимо этого, свои особенности имеет и добыча и транспортировка углеводородного сырья, т. к. основная часть новых месторождений нефти и газа в России разрабатывается в арктической зоне. Из-за крайней недоступности нефтегазовых объектов более половины российских запасов арктических ресурсов нефти и газа до сих пор остаются малоизученными. Тем не менее ввод в эксплуатацию этих месторождений является приоритетным направлением развития всей нефтегазовой отрасли России. Добыча нефти и газа в Арктике является основой экономического развития Ямало-Ненецкого и Ненецкого автономных округов, достигая в них, по данным местной администрации, соответственно около 83 и 98 % от валового продукта в 2012–2013 гг.
В таких условиях разработка месторождений, расположенных в криолитозоне, приводит к значительному повышению капитальных затрат за счет значительного увеличения объема отсыпки грунтов, затрат на обустройство месторождений, порчи насосного оборудования и т. д.
Согласно данным [8], растепление в результате бурения становится причиной 23 % отказа технических систем и 29 % потерь добычи нефти и газа. Снижение показателей риска может произойти за счет использования теплоизолированных конструкций скважин, которые предотвращают таяние вечномерзлых пород вокруг них и обеспечивают эффективные тепловые режимы эксплуатации.
Влияние потепления климата на зону вечной мерзлоты
Крайне негативный характер носят последствия от таяния вечной мерзлоты, которые напрямую связаны с увеличением объемов выброса метана в атмосферу. Эти процессы оказывают непосредственное влияние на постепенное повышение среднегодовой температуры, которое активизирует бактерии и расщепляет древнюю биомассу, что приводит к процессу метаболизма парниковых газов — углекислого газа и метана.
Последние исследования [9] показывают, что эти процессы напрямую влияют не только на инженерные сооружения, но и на здоровье людей. Уменьшение зоны вечномерзлых пород может привести к высвобождению устойчивых к антибиотикам бактерий, неизвестных нынешним ученым вирусов и даже радиоактивных отходов с подводных лодок и ядерных реакторов времен холодной войны. В исследовании, опубликованном недавно в журнале Nature Climate Change [10], говорится, что в Сибири на глубине свыше трех метров были обнаружены более ста разнообразных и устойчивых к антибиотикам микроорганизмов. По мере таяния вечной мерзлоты, эти бактерии могут смешиваться с талой водой и создавать новые штаммы.
В процессе повышения среднегодовой температуры и таяния зоны вечномерзлых пород высвобождаются гигантские количества органического углерода, объем которого оценивается в 1700 млрд тонн. Особенностью появления в атмосфере такого большого объема свободного углерода является его длительная задержка в атмосфере и, соответственно, значительное усиление устойчивого парникового эффекта. Усиление всех перечисленных выше явлений в конечном итоге ведет к «ландшафтной революции» когда на территории, перешедшей из разряда повсеместной вечной мерзлоты в локальную, возникает большое количество пожаров, оползней, появляется новая гидрографическая сеть. По текущим прогнозам, в ближайшее время эти процессы будут только увеличиваться и к середине XXI века общая площадь криолитозоны на территории Росси уменьшится на 15–20 %. В связи с этим на первое место выходит стратегическое планирование минимизации рисков процессов изменения зоны вечной мерзлоты на окружающую среду и деятельность человека.
Выводы
- Вечная мерзлота является важной частью экосистемы арктических районов, от которых напрямую зависит климата нашей планеты;
- Разработка месторождений нефти и газа в зоне вечной мерзлоты гораздо сложнее, чем в южных регионах;
- Из-за повышения температуры существует реальный риск сильного повышения объемов парникового газа, что может увеличить среднюю температуру поверхности Земли и полностью изменить ландшафт арктической зоны;
- Существует реальный риск заражения огромных площадей устойчивых к антибиотикам бактериями, вирусами и радиоактивными отходами.
Литература:
1. Поднебесных, А. В. Перспективы промышленной разработки проявлений битумов рифтовых впадин на территории Забайкалья / А. В. Поднебесных // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ / Тюменский индустриальный университет (ТИУ). — 2017. — № 1. — С. 38–42.
2. Каменский, Р. М. Что мы знаем о вечной мерзлоте / Р. М. Каменский //Вестник РАН. — 2007. — № 2. — С. 164–168.
3. Бэр, К. М. Материалы к познанию нетающего почвенного льда / К. М. Бэр // Изд-во Института мерзлотоведения СО РАН. — Якутск. — 2000. — 159 с.
4. Курленя, М. В. Методика и результаты сейсмического исследования процессов образования оползней в условиях многолетнемерзлых пород / М. В. Курленя, Г. С. Чернышов, А. С. Сердюков, А. А. Дучков, А. В. Яблоков // ФТПРПИ. — 2016. — № 5. — С.6–14. Режим доступа: http://www.misd.ru/publishing/jms/numbers/2016/a5_2016/
5. Шполянская, Н. А. Особенности криолитозоны западного сектора Арктики в системе шельф-суша / Н. А. Шполянская // Вестник Московского университета. Серия 5. География. — 2010. — № 6. — С. 58–66.
6. Анисимов, О. А. Основные природные и социально-экономические последствия изменения климата в районах распространения многолетнемерзлых пород: прогноз на основе синтеза наблюдений и моделирования / О. А. Анисимов // М.: Гринпис. — 2010. — 44 с.
7. Анисимов, О. А. Климат в арктической зоне России: анализ современных изменений и модельные проекции на XXI век / О. А. Анисимов, В. А. Кокорев // Вестник МГУ. — 2016. — № 1. — С. 61–69.
8. Шанаенко, В. В. Бурение в вечной мерзлоте / В. В. Шанаенко // Экспозиция Нефть Газ. — 2013. — С. 38.
9. Lorente, A. Methane retrieved from TROPOMI: improvement of the data product and validation of the first 2 years of measurements / A. Lorente, T. Borsdorff, A. Butz, O. Hasekamp, J. aan de Brugh, A. Schneider, L. Wu, F. Hase, R. Kivi, D. Wunch, D. F. Pollard, K. Shiomi, N. M. Deutscher, V. A. Velazco, C. M. Roehl, P. O. Wennberg, T. Warneke, J. Landgraf // Atmos. Meas. Tech. — 2021. — Vol. 14. — P. 665–684, https://doi.org/10.5194/amt-14–665–2021
10. Miner, K. R. Emergent biogeochemical risks from Arctic permafrost degradation / K. R. Miner, J. D’Andrilli, R. Mackelprang, A. Edwards, M. J. Malaska, M. P. Waldrop, C. E. Miller // Nature Climate Change. — 2021. — Vol. 11. — P. 809–819.
