Строительство зданий и сооружений в районах многолетней мерзлоты

Анализ  данных мониторинговых наблюдений и  геотермических исследований свидетельствует  о широко распространенной деградации верхних горизонтов криолитозоны (повышение  температуры вечномерзлых пород, уменьшение их площади, возрастание глубины сезонного протаивания) за последние 15-25 лет.

В качестве наглядного примера происходящих термических  изменений в криолитозоне используем данные наблюдений стационара Марре-Сале (Западный Ямал), расположенного на участке  одноименной метеостанции. Здесь почти на всех экспериментальных площадках зафиксировано повышение температуры мерзлых пород на глубине 10 м за 1979-1998 годы (схема 20).

Схема 20. Изменение  температуры вечномерзлых пород  на глубине 10 м на стационаре Марре-Сале (Западный Ямал)

Оно изменялось от 0,1 до 1 градуса Цельсия. Только в  полосе поверхностного стока воды (площадка 34) многолетние изменения температуры  пород практически не отмечались. По результатам геотермических исследований обнаружено, что современное потепление пород достигает глубин в десятки метров. Рассмотрение материалов наблюдений того же стационара Марре- Сале показывает, что несмотря на большие междугодовые вариации глубины сезонного протаивания, в целом обнаруживается слабая тенденция к ее возрастанию за 1978-1998 годы (рис. 4). Прогнозируемая глубина сезонного протаивания на 2020 год возрастет на Севере всего на 15-20 см в песках, а в супесях, глинах и торфах еще меньше. Прогнозируемые региональные повышения температуры поверхности пород не превысят 1,4 градуса Цельсия на 2020 (2025) и 2,3 градуса Цельсия на 2050 год (схема 21).

Схема 21. Изменение  глубины сезонного протаивания  пород на стационаре Марре-Сале (Западный Ямал) за 1978-1998 гг.

На рис. 3 показана эволюция вечной мерзлоты в России в том случае, если оправдаются приведенные выше прогнозные оценки потепления климата на Севере в XXI веке. Выделены 4 зоны, отличающиеся разной степенью и неодинаковыми сроками начала повсеместного глубокого оттаивания вечномерзлых пород сверху.

Рис. 3. Вероятные  изменения вечной мерзлоты в России при потеплении климата к 2020 и 2050 гг.

За начало глубокого оттаивания мерзлых пород  принят момент, когда слой грунтов, оттаявший за лето, зимой промерзнет не полностью и кровля вечномерзлых пород начнет прогрессивно понижаться. Временной интервал, за который вечномерзлые породы оттают полностью, зависит не только от потепления климата, но также от состава и льдистости пород, их температуры и мощности, от теплопритока снизу (из земных недр).

Таяние  может продолжаться годами, десятилетиями, сотнями и тысячами лет.

При составлении  карты-схемы (см. рис. 3) учитывалось, что на одинаковые изменения глобального климата вечная мерзлота в разных ландшафтных условиях будет реагировать по-разному. Наибольший вклад в разнообразие реакции мерзлоты на атмосферные воздействия вносит рельеф земной поверхности. На карте показаны три категории рельефа: равнины, плоскогорья и горы. [8]

Первая  с юга зона - это территории, на которых вечная мерзлота к 2020 году будет  оттаивать сверху повсеместно, где  она развита. Эта зона сформируется только в пределах Западно-Сибирской низменности, на южном пределе современной криолитозоны. Здесь в настоящее время встречаются редкие острова-линзы вечномерзлых пород с температурой выше -0,5 градуса Цельсия, приуроченные к торфяникам. После их оттаивания южная граница криолитозоны отступит к северу на 300 км и более, таяние вспученных льдом торфяников будет сопровождаться интенсивными просадками их поверхности, но серьезных изменений в природную обстановку и деятельность человека это не внесет: вечномерзлые торфяники встречаются редко и в хозяйственную деятельность практически не вовлечены.

Вторая  зона - территории, где вечномерзлые породы будут повсеместно таять к 2050 году. На севере европейской части России криолитозона к этому времени отступит в северном или северо-восточном направлении на 50-100 км, в Западной Сибири - на 100- 250 км, на юге Среднесибирского плоскогорья - на 600 км. В горах изменения криолитозоны будут минимальными: острова вечномерзлых пород будут оттаивать повсеместно только на Енисейском кряже и в небольшой части гор Южной Сибири и юго-восточного Забайкалья. Как и в предыдущей зоне, последствия оттаивания мерзлых пород окажутся незначительными: исчезнут острова и небольшие массивы мерзлых пород в самых неудобных для человека урочищах - торфяниках, на сильно замшелых участках тайги, на затененных днищах узких, глубоких долин, на склонах северной экспозиции. Современная температура этих пород не ниже -1 градуса Цельсия.

Третья  зона объединяет территории, где к 2050 году глубокое оттаивание вечномерзлых пород начнется не повсеместно. Современная  температура вечномерзлых пород  здесь меняется в основном в пределах от -1 до -5 градусов Цельсия. Оттаивать будут только малольдистые породы с температурами не ниже -1...-1,5 градуса Цельсия. Это преимущественно пески и скальные породы. Ширина зоны частичного оттаивания вечномерзлых пород на севере европейской части России достигнет 30-100 км, на севере Западной Сибири - 40-200 км, в Восточной Сибири - 240-820 км.

Зона  включает в себя также часть низких гор Южной Сибири, Забайкалья, юга  Дальнего Востока и Камчатки до 60-62 градусов северной широты.

В четвертую  зону, зону относительно стабильных вечномерзлых пород, входит северная часть криолитозоны с самыми низкими температурами пород - от -3 до -16 градусов Цельсия. Мощность их измеряется сотнями метров. При прогнозных масштабах потепления климата глубокое протаивание мерзлых пород на этой территории исключается. Незначительно увеличится лишь площадь таликов.

Таким образом, на основе вышеприведенных  данных можно сделать вывод об изменениях криолитозоны России к середине XXI века. Через 50 лет температура  поверхности грунтов повысится  на 0,9-2,3 С⁰, а глубина сезонного протаивания увеличится на 15-33%. В результате этого южная граница криолитозоны на равнинах и плоскогорьях отступит к северу и северо-востоку на 50-600 км. Если к зонам полного оттаивания вечномерзлых пород добавить зону частичного их таяния, то в целом образуется полоса деградации вечной мерзлоты, ширина которой на севере европейской части России достигнет 50-200 км, в Западной Сибири - 800 км и в Восточной Сибири - 1500 км. Сильно сократятся, но полностью не исчезнут острова и массивы вечномерзлых пород в горах Забайкалья, юга Дальнего Востока и на Камчатке.

Негативные  последствия климатического потепления будут отмечаться на всей территории криолитозоны: усиление деградации мерзлых  толщ как по вертикали, так и в  плане; нарушение функционирования природно-технических систем, при проектировании которых не была учтена возможность глобального потепления климата и деградации мерзлоты. На территории, где вечномерзлые породы относительно стабильны (третья и четвертая зоны на рис.3) из-за высокой льдистости верхнего горизонта мерзлых пород даже небольшое увеличение глубины сезонного протаивания приведет к активизации таких разрушительных мерзлотных процессов, как термокарст, термоэрозия и солифлюкция. Усилятся процессы разрушения береговых уступов арктических морей. Экономика Севера потребует дополнительных затрат для обеспечения сохранности мерзлого основания зданий и инженерных сооружений.

Ожидаемое к середине XXI века потепление климата  и криолитозоны сопоставимо с  потеплением в период голоценового климатического оптимума 4600-8000 лет назад, когда южная граница криолитозоны отступила к северу и заняла положение, близкое к прогнозируемому ее положению в 2050 г. На территориях, где вечная мерзлота сохранялась, увеличивалась глубина сезонного протаивания. Анализ строения верхнего горизонта вечномерзлых пород позволяет установить глубину сезонного протаивания в это время. В арктических и высокогорных районах она оказалась на 20-40 % больше современной глубины, то есть сопоставимой с прогнозируемой величиной прироста мощности сезонноталого слоя к 2050 году. Подобное совпадение лишний раз подтверждает реальность предложенного сценария потепления климата и криолитозоны. [8] 
 
 
 
 
 
 
 
 

ГЛАВА IV

Региональные  закономерности инженерно-геологических  условий и районирование Сибирской платформы 

4.1. Формационные и геолого-структурные особенности.  

     Инженерно-геологическое районирование Сибирской платформы необходимо для установления на ее территории закономерностей пространственной изменчивости инженерно-геологических условий. Эта задача может быть успешно решена при строгом соблюдении историко-генетических принципов изучения и систематизации всех факторов, определяющих инженерно-геологические условия территории. В основе регионального инженерно-геологического районирования Сибирской платформы лежит инженерно-геологический анализ горных пород и слагаемых ими комплексов, исследование закономерностей их распространения в земной коре.

   Современный инженерно-геологический облик горных пород этой  территории сформировался под воздействием сложного тектонического режима и климатической обстановки на протяжении всех этапов геологического развития. На основе современных представлений о геологическом строении Сибирской платформы и законах ее развития можно установить генетическую связь между строением, составом, состоянием, физико-механическими свойствами горных пород и их комплексов, приуроченностью этих комплексов к определенным геологическим структурам.

     Сибирская платформа имеет двухъярусное  строение. Нижний структурный ярус слагают сложнодислоцированные и сильнометаморфизованные формации архейского и раннепротерозойского возрастов, образующие фундамент платформы. На дневную поверхность они выходят, на Алданском и Анабарском щитах и в Ангаро-Канской части Енисейского кряжа. Верхний структурный ярус сложен породами от позднепротерозойского до четвертичного возраста. [4] 

4.2. Мерзлотно-гидрогеологические условия.  

     Закономерности распределения и мощности многолетнемерзлых пород зависят главным образом от историко-климатических и геолого-структурных особенностей платформы. Учитывая динамику изменения геокриологических условий в голоцене, на территории Сибирской платформы можно выделить две геокриологические зоны: Северную и Южную. Граница зон совпадает с границей смыкания позднеголоценовых и плейстоценовых криогенных толщ и имеет большое инженерно-геологическое значение, так как разделяет территорию с различными современными геокриологическими характеристиками (см. приложение табл. 2). На границе мощность криогенной толщи резко увеличивается, подчеркивая ее разновозрастность. Вблизи границы происходит и переход от сплошного распространения к островному через переходную зону прерывистого распространения мерзлоты. К югу от этой линии отсутствуют плейстоценовые сингенетические мерзлые породы и повторно-жильные льды, но широко развиты термокарст и псевдоморфозы.

   При всем разнообразии влияния региональных и местных факторов на территории Сибирской платформы прослеживается широтно-зональное изменение основных характеристик криогенной толщи. В южных районах платформы температура мерзлых горных пород изменяется от О до -1°, а мощность островных массивов мерзлых пород - от 3 до 50 м. В северных районах платформы температура горных пород понижается до -14°, а криогенные толщи мощностью до 1500 м и более залегают практически повсеместно. Площади таликов не превышают здесь нескольких процентов.

   Внутризональная неоднородность геокриологических  условий определяется влиянием региональных и местных факторов. Важнейший из региональных факторов - мобильность отдельных районов в тектоническом отношении. При оценке роли неотектонических движений с геокриологических позиций следует обращать особое внимание на два аспекта: с одной стороны, на существенное изменение рельефа, а с другой - на образование и омоложение тектонических разломов. Устойчивые поднятия (от 100 до 500 м) характерны для большей части территории Сибирской платформы и обусловливают платообразный расчлененный рельеф, абсолютные высоты которого обычно не превышают потолка инверсии температуры воздуха. В условиях зимнего максимального давления воздуха повышение температуры горных пород происходит от днищ долин к водоразделам. Высотный градиент повышения температуры в среднем 2-3°/100 м.

   Только в областях, где тектонические поднятия достигали 500-1000 м (плато Путорана, Енисейский кряж, Ангаро-Ленское и Алданское плато), рельеф поднимается выше потолка инверсии температур воздуха и широтно-зональные закономерности формирования основных характеристик криогенной толщи нарушаются влиянием высотно-поясных особенностей теплообмена. Здесь выше потолка инверсии отмечается увеличение суровости геокриологических условий с повышением абсолютной высоты местности. Градиент понижения температуры горных пород с высотой ориентировочно равен 0,5-0,7°/100 м. С увеличением высоты на каждые 100 м мощность криогенной толщи увеличивается на 40-50 м. На вершинах гор Путорана температура пород достигает -15°, что на 7-8° ниже зонально обусловленных (Фотиев и др., 1974).

     На большей части территории  коренные породы залегают практически с поверхности. Их криогенное строение определяется трещиноватостью, пористостью и содержанием воды к началу промерзания. Сильная трещиноватость, а следовательно, и льдистость коренных пород до глубины 30-50 м является характерной особенностью Северной зоны. Среди криогенных процессов наиболее развиты: криогенное выветривание и сортировка грунтов, склоновые процессы, а также морозобойное растрескивание грунтов с образованием повторно-жильных льдов и первично-грунтовых жил. Относительные опускания и аккумуляция предопределили геокриологические особенности обширной Центрально-Якутской низменности. Промерзание мощных песчано-глинистых толщ здесь в основном происходило синхронно с накоплением отложений, в результате чего отложения характеризуются значительной льдистостью из-за льда-цемента и широкого развития мощных (до 50 м) сингенетических повторно-жильных льдов. В связи с высокой льдистостью четвертичных отложений и широким развитием повторножильных льдов широко развиты термокарстовые процессы, морозобойное растрескивание и пучение.