Геокриологический мониторинг: для чего он нужен и как проводится

Наука Экология
18 Мая, 2021 | 11:50
Геокриологический мониторинг: для чего он нужен и как проводится

Шахта Шергина в Якутске, где проводились одни из первых измерений температуры вечной мерзлоты в период с 1844 по 1846 гг. в рамках экспедиции А.Ф. Миддендорфа. Источник.


Вечная мерзлота является основой ландшафтов и природной среды в Арктике. Поэтому геокриологический мониторинг необходим для оценки её современного состояния и тенденций развития, особенно в условиях потепления климата и существенных климатических аномалий. Система мониторинга вечной мерзлоты с достаточной длительностью рядов наблюдений позволяет делать оценки цикличности и трендов мерзлотных процессов. На Европейском Севере и в Сибири практически повсеместно вслед за потеплением климата наблюдается деградация естественных ландшафтов: повышение температуры мёрзлых пород и увеличение глубины сезонного протаивания. Геокриологический мониторинг – это комплексная система наблюдений за вечной мерзлотой, оценки и прогноза изменений её состояния. Название и основные принципы такого мониторинга в современном виде были предложены выдающимся геокриологом А.В. Павловым, хотя его основы закладывались поколениями русских учёных, начиная с А.Ф. Миддендорфа и М.И. Сумгина.

В России систематические наблюдения за изменениями вечной мерзлоты начались более полувека назад и проводились в различных регионах Арктики по инициативе, в основном, научных организаций, часто по запросам и на средства нефтегазового комплекса. За эти годы был накоплен большой опыт проведения такого рода работ, создана методическая база, изданы методические пособия и рекомендации. Геокриологический стационар является основой наблюдательной сети мониторинга криолитозоны. На стационарах сооружают наблюдательные площадки или посты, где изучают естественные (фоновые) территории, а также нарушенные, «техногенные». При этом изучаются не только температуры грунтов, но и влажность грунтов, глубина сезонного протаивания-промерзания, криогенные процессы (пучение, морозобойные трещины, смещения грунта по склону и другие), снежный и растительный покровы, которые влияют на состояние мерзлоты.

Особенность геокриологического мониторинга – его длительность, обычно измеряемая годами и десятилетиями, когда тенденции изменения температур грунтов, их промерзания и оттаивания становятся очевидны. Сегодня в системе Минприроды действуют только два объекта мониторинга: Воркутинский полигон и стационар Марре-Сале на Ямале. Стационар Марре-Сале организован институтом ВСЕГИНГЕО в 1978 г. и сохранил до настоящего времени функции полевого центра по апробации новых методик и технических средств наблюдений в арктической криолитозоне, включая побережье и мелководный шельф Карского моря. По данным мониторинга, на Европейском Севере и Ямале отмечается практически повсеместное повышение температуры вечной мерзлоты и расширение таликов, то есть происходит процесс деградации мёрзлых массивов. Потепление обусловило частичное (локально – полное) протаивание подземного льда и, как следствие, термокарстовые осадки земной поверхности.

В основе наблюдательной сети лежит строительство наблюдательных скважин для всестороннего изучения геологического (геокриологического, гидрогеологического и т.п.) разреза и обустройство скважины для регулярного наблюдения за температурой горных пород, являющейся одним из основных показателей стабильности состояния криолитозоны. Геофизические и другие дистанционные методы дополняют изучение разреза, а в ряде случае являются собственно мониторинговыми методами наблюдений. Термокаротаж или термометрические наблюдения в скважинах, расположенных в основных типах ландшафтов и мёрзлых толщ, позволяют судить о состоянии и динамике теплового режима мёрзлых пород на различных глубинах в годовом и многолетнем циклах. Дистанционная видеосъёмка для изучения очагов развития криогенных термоэрозионных и термоабразионных процессов выполняется как с применением вертолётов, так и с помощью радиоуправляемых моделей беспилотных летательных аппаратов. Наблюдательные скважины, как правило, оборудованы автономными измерительными комплексами на базе логгеров, где регистрация температур производится с периодичностью от одного до четырёх и более раз в сутки.

Известно, что температурный режим верхних горизонтов криолитозоны определяется радиационным балансом подстилающей поверхности, величиной и режимом выпадения атмосферных осадков, особенно снега, циркуляционными процессами в атмосфере, влажностью приземного воздуха и другими климатическими факторами, а также их взаимодействием с почвой, и литосферой. Отсюда следует, что при оценке и прогнозе температурного режима грунтов знание климатических факторов не только важно, но и обязательно. Определяются они в основном на станциях и постах государственной метеорологической сети. К началу 1990-х годов наблюдения за температурой почв и верхнего слоя грунтов проводились на 110 метеостанциях северных регионов страны, в том числе в Восточной Сибири на 48 станциях. Однако максимальная глубина измерения температуры грунтов на метеостанциях (1,6 и 3,2 м) недостаточна для разрешения многих теоретических и прикладных геокриологических и инженерно-геокриологических задач и должна быть увеличена минимум до десяти или пятнадцати метров, то есть до глубины годовых колебаний температуры горных пород. 

Кроме того, места расположения скважин, предназначенных для установки вытяжных термометров, выбираются без учёта ландшафтных и гидрогеологических условий; в таёжной зоне, например, они размещаются на безлесных открытых участках, что не соответствует типичным ландшафтным условиям данной зоны; в особо влажные периоды на некоторых метеостанциях формируются надмерзлотные воды сезонноталого слоя, которые не только трансформируют температурный режим почвогрунтов, но и могут вызывать процессы заболачивания и подтопления территории метеостанций. На метеостанциях необходимо включение в комплекс мониторинговых работ наблюдений за динамикой слоя сезонного протаивания и промерзания грунтов, их влажностью, за уровнем и химическим составом надмерзлотных вод сезонноталого слоя, а также за свойствами снежного и растительного покровов. 

На важность организации подобных наблюдений на метеостанциях, особенно в условиях криолитозоны, указывал в 40-х годах ХХ века известный климатолог П.И. Колосков. Важное значение при использовании данных, получаемых на метеостанциях, имеет их репрезентативность. Это качественный показатель, зависящий в основном от правильности выбора местоположения метеостанции, от влияния антропогенных факторов и соблюдения чёткой периодичности в проведении наблюдений. На территории Якутии, например, проводились и проводятся измерения температуры почвогрунтов на 45 метеостанциях, из которых на 23 метеостанциях осуществлялся перенос метеоплощадок на другие места (на четырёх из них -- дважды). При переносе места установки температурных датчиков нарушается непрерывность ряда наблюдений, тем самым снижается ценность как предыдущих, так и последующих температурных измерений, т.е. полученные данные являются нерепрезентативными. 

Метеоплощадки на восемнадцати станциях в Якутии подвергались серьёзному антропогенному воздействию (подтоплению паводковыми и надмерзлотными водами, заболачиванию, пожарам и т.д.). На одиннадцати метеостанциях отмечались разные по продолжительности перерывы в наблюдениях за температурой почвогрунтов. Таким образом, на учтённых сорока пяти метеостанциях Якутии, где проводились измерения температуры почвогрунтов, репрезентативными являются данные лишь двадцати двух метеостанций. Из них в настоящее время продолжаются геотермические наблюдения только на одиннадцати метеостанциях республики. В Арктической зоне Якутии насчитывается около двадцати метеостанций, из них лишь на восьми проводились наблюдения за температурой почвогрунтов на глубинах до 1,6 и 3,2 м. Репрезентативными из этих станций являются лишь две: Верхоянск и Усть-Мома. На последней наблюдения за температурой почвогрунтов прекратились с 1988 г.  Самое главное, что расположение метеостанций, как правило, не позволяет проводить фоновый мониторинг, потому что площадки находятся в частично изменённых, нарушенных условиях. С другой стороны, наблюдения на метеостанциях тем более не позволяют оценить, что происходит с мерзлотой на территории застройки, в основаниях зданий и инженерных сооружений.

Хорошо изученные территории криолитозоны России являют собой своеобразные «ключевые участки», позволяющие экстраполировать и интерполировать информацию. Режимные наблюдения за слоем сезонного промерзания или протаивания горных пород на Европейским Севере и в Западной Сибири научными институтами осуществляются на нескольких площадках, размещённых так, чтобы, по возможности, охватить все природно-климатические зоны. Длина рядов систематических наблюдений за температурами горных пород составляет 25-45 лет. Наблюдения за толщиной деятельного слоя (СТС-СМС) проводились поначалу не систематически, разрозненно; в единую систему они были сведены лишь после организации международной сети «Циркумполярный мониторинг деятельного слоя CALM. Длина рядов наблюдений по протоколу CALM в основном не превышает 10-20 лет. Основой для оценки широтной изменчивости является Западно-Сибирский транссект, захватывающий природно-климатические зоны от северной тайги до высокоарктической тундры. Площадки на Восточно-Сибирском плоскогорье и в Якутии характеризуют секторальную изменчивость.

Организация сети геокриологических стационаров в Большеземельской тундре началась в 80-е годы ХХ века в связи с проведением работ по разведке и пионерному освоению месторождений углеводородного сырья. Фоновый мониторинг геокриологических условий начал проводится на опорных стационарах, расположенных в непосредственной близости от разведанных месторождений. Круглогодичные геокриологические наблюдения осуществлялись специалистами Тиманской ГРЭ под научным руководством Л.В.Чистотинова, Е.С. Мельникова, В.А.Дубровина, Ю.Б.Шешина и др. (институт ВСЕГИНГЕО). В 1982-1983 г. были организованы регулярные геокриологические стационары Шапкино (вблизи Лая-Вожского нефтегазоконденсатного месторождения), мыс Болванский (в устье р. Печора, Кумжинское ГКМ). К сожалению, из-за прекращения финансирования к середине 90-х годов все исследования на стационарных площадках были прекращены, скважины с термокосами в них – законсервированы. После перерыва, при организационной поддержке Комитета Природных ресурсов и администрации НАО, геокриологический мониторинг стал возобновляться. Отличительной чертой этого периода является переход на автоматизированные средства получения информации. В 1999 г. на базовом стационаре Болванский, расположенном в южной тундре на побережье Печорской губы, были восстановлены для термических наблюдений десять скважин в различных ландшафтных условиях. Затем в рамках международных проектов TSP и CALM эти скважины были оснащены современным измерительным оборудованием, позволяющим проводить измерения и накапливать данные в круглогодичном режиме. В настоящее время на стационаре Болванский мы располагаем тридцатисемилетним (с 1983 по 2019 гг.) массивом режимных наблюдений за температурой поверхности и грунтов на разных глубинах (до 10-12 м), из них последние 15 лет измерения проводились с частотой четыре раза в сутки в автоматическом режиме. Разрозненные геотермические наблюдения стали собираться в единую международную базу данных GNN-P, доступную для пользователей на сайте; база в настоящее время расширяется, но, тем не менее, остаётся недостаточно полной. В эту базу переданы и наблюдения в скважинах на территории НАО. Данные наблюдений за динамикой глубины сезонного протаивания пород также передаются в единую международную базу.

Наряду с геологическими, гидрогеологическими и геокриологическими исследованиями и съёмкой различного масштаба, на территории НАО на протяжении всех этапов проводились наблюдения на метеостанциях (г. Нарьян-Мар, мыс Болванский, мыс Константиновский, Шапкина, п. Амдерма, п. Усть-Кара и др), включающие температурные и гидрологические исследования, снегомерную съёмку и др. К сожалению, некоторые из них в середине 90-х годов перестали работать, а результаты наблюдений на других остаются недоступными. Таким образом, для территории НАО на Европейском севере за прошедшие десятилетия был накоплен фактический материал, хранящийся в виде отчётов в геологических фондах Москвы, Архангельска, фондах Тиманской ГРЭ, ВСЕГИНГЕО, ИКАЗ СО РАН и др. Этот материал требует обобщения, а также разработки и организации единой электронной базы геокриологических данных для дальнейшего совмещения, анализа, хранения и создания ГИС. Научный коллектив ИКЗ ТюмНЦ СО РАН располагает базой геокриологических данных, включающей десять специализированных площадок по наблюдению за динамикой глубины сезонного протаивания и семьдесят пять температурных скважин, расположенных в различных биоклиматических и геокриологических зонах, что, тем не менее, сегодня недостаточно для понимания общих закономерностей изменения мерзлотных условий.

Геокриологические стационарные (режимные) площадки в криолитозоне Западной Сибири закладывались с начала 1970-х годов в связи с разведкой и начинающимся обустройством крупнейших нефтегазоконденсатных месторождений. В то время эффект глобальных климатических изменений и реакция криолитозоны на них практически не обсуждались. Сложившаяся на тот момент природная обстановка и геокриологические условия были зафиксированы в материалах среднемасштабной (1:100 000) инженерно-геокриологической съёмки, выполненной в 1970-е гг. производственными, научно-производственными и научными организаций (ВСЕИНГЕО, ПНИИИС, Фундаментпроект, ЮжНИИгипрогаз, МГУ и др.). Около половины работ выполняло Министерство геологии СССР.

Возможные тренды геокриологической обстановки предполагалось установить по результату повторной среднемасштабной инженерно-геокриологической съёмки, проведение которой планировалось через ~20 лет. Действительно, повторная съёмка началась в 1993 г. на территории Уренгойского НГКМ, но не была завершена из-за изменения обстановки в стране. Однако полученные данные показали, что тренд в температурах мерзлоты имеется, и очень существенный. Это заставило внимательно изучить ряды наблюдений на режимных площадках. По времени это совпало с улучшением финансирования научных исследований в РАН и вузах, а также со стартом двух международных программ по изучению вечной мерзлоты – TSP (тепловое состояние мерзлоты) и CALM (циркумполярный мониторинг деятельного слоя) – в которых Россия приняла участие. Это позволило частично восстановить наблюдения на площадках (измерение температуры ММП на глубине нулевых сезонных амплитуд (~10 м); измерение глубины сезонного оттаивания грунтов), частично восстановить повреждённые скважины, пробурить новые скважины и даже кое-где заложить новые площадки.

Самая южная из площадок организована в 2006 г. ТюмГНГУ и ТюмНЦ СО РАН. Это наблюдательный геокриологический полигон «Тарко-Сале» в северной тайге (левобережье реки Пур, 18 км к западу от г.Тарко-Сале, прерывистая мерзлота). Однако тогда был проведён только один цикл измерений. На глубине годовых нулевых температур (~10 м) температура составляла: на обширном плоском торфянике ‑1,7°С; на приречной покрытой торфом гряде ‑0,4°С. Наблюдательная площадка Надымская (R1 по международной нумерации) организована в 1972 г. близ головной компрессорной газопровода Надым-Пунга -- для наблюдения за его влиянием. Температура многолетнемёрзлых пород на торфяниках и участках с тундровой растительностью близка к ‑0°С. В примыкающих к ним лесных ландшафтах мерзлота отсутствует до глубины 10-15 м со времени начала наблюдений. Условно к западносибирскому геокриологическому транссекту можно отнести площадку «Талнах» (R32; 69°26’ N, 88°28’ E), расположенную в лесотундре. На территории Уренгойского НГКМ в середине 1970-х гг. в южной и северной лесотундре и в южной тундре было организовано три площадки, средняя из которых утрачена. Площадки размещены близ центра планировавшихся пунктов сбора и подготовки газа из эксплуатационных скважин (УКПГ). По прошествии сорока пяти лет инфраструктура УКПГ постепенно подобралась к площадкам, но условия на них до сих пор частично можно считать фоновыми.

Для леса и кустарников можно говорить о деятельном слое, в пределах которого на рубеже XX и XXI вв. сезонное протаивание сменилось сезонным промерзанием, что зафиксировано наблюдениями в скважинах, и подтверждено геофизикой. В условиях общего потепления ландшафтная экстраполяция этих результатов позволила выделить в пределах южной лесотундры территории с опусканием кровли мерзлоты, а в северной лесотундре прогнозировать начало этого процесса на площадях, где идёт продвижение на север лиственничных редколесий.

В 180 км к северу от г. Новый Уренгой находится площадка «Уренгой – северная лесотундра» (R50B; 67°28.5' N, 76°41.5' E). Температура грунтов здесь повысилась за 45 лет с ‑5…‑6°С до ‑3…‑4°С. На ненарушенных участках за время наблюдений глубина сезонного протаивания практически не изменилась, оставаясь в пределах 60-110 см, иногда несколько меньше. Активный техногенез привёл к образованию несливающейся мерзлоты. На северной оконечности Ямала в арктической тундре на острове Белый около метеостанции им. М.В. Попова в 2009 г. организована площадка «о.Белый» (73°20' N, 70°08' E). На Земле Франца-Иосифа на острове Хейса в высоко-арктической тундре в 3 км от метеостанции им. Э. Кренкеля в 2010 г. организована площадка «о. Хейса» (80°37' N, 57°52' E). Среднее протаивание в первой декаде августа ~33 см, температура грунтов –7°С. Данные получаются нерегулярно из-за сложности и дороговизны попадания на площадку вертолётом или судном. 

Продолжение следует.


Авторы: А. В. Брушков, Д. С. Дроздов, В. А. Дубровин, М. Н. Железняк, М. Р. Садуртдинов, Д. О. Сергеев, А.Б.Осокин, Н. А. Остарков, Д.О.Сергеев.


далее в рубрике