Норильск. Фрагмент аварийного дома, под которым подтаяла вечная мерзлота.
Мария Покровская
Более половины территории России находится в зоне вечной мерзлоты. Именно там добывается бОльшая часть российской нефти, газа, угля и цветных металлов. Спустя 30 лет после распада СССР доходы от эксплуатации северных земель получает государство (и некоторые из приближенных к государству миллиардеров, как стоило бы добавить справедливости ради). В целом здесь, получается, всё стабильно. А вот насколько стабильна сама вечная мерзлота, на которой стоят нефтяные вышки, горно-обогатительные комбинаты и ёмкости с дизельным топливом?
Весной 2020 года из одной такой ёмкости, принадлежащей дочерней компании «Норникеля», в таймырскую тундру вылилось 20 тысяч тонн нефтепродуктов. Первоначально одной из причин аварии в «Норникеле» называли проседание резервуара из-за подтаивания мерзлоты. В феврале 2021 года суд обязал «Норникель» выплатить 146 млрд рублей — рекордный штраф за вред природе в российской истории. Но могут ли повториться такие аварии в условиях глобального потепления? Ведь когда проектировалась практически вся промышленная инфраструктура в северных регионах России, изменение климата не было предметом экспертной дискуссии. Поговорили обо всём этом с Михаилом Железняком, директором Института мерзлотоведения имени П.И.Мельникова.
Фотографии, которые иллюстрируют это интервью, сделаны Марией Покровской в Норильске зимой 2020 года.
— Большинство людей, наверное, удивятся, что для изучения вечной мерзлоты существует целый институт в Якутии. Правильно ли я понимаю, что его создание в 1961 году было связано с активным освоением северных территорий, наращиванием добычи нефти — словом, с производственной необходимостью?
— На самом деле, на проблемы освоения вечной мерзлоты начали обращать внимание в конце 19 века, при строительстве Западно-Сибирской железной дороги. В 1929 году по инициативе основателя мерзлотоведения профессора Сумгина и академика Вернадского была создана Комиссия по изучению вечной мерзлоты, которую в 1936 году реорганизовали в Комитет по вечной мерзлоте. В 1939 году в рамках экспедиции Совета по изучению производительных сил были начаты мерзлотные исследования в Якутии — в составе этой экспедиции был, в частности, молодой специалист Павел Иванович Мельников. По итогам работы и рекомендации участников этой экспедиции в 1941 году была создана Якутская научно-исследовательская мерзлотная станция, которая в 1956 году стала филиалом Института мерзлотоведения имени Обручева, а в 1961-м году — самостоятельным отдельным институтом Сибирского отделения РАН [Мельников последовательно возглавлял все эти научные учреждения — Republic]. Бытует легенда, что это произошло после того, как Хрущев, проходя по столице и увидев вывеску «Институт мерзлотоведения АН СССР», сказал: «А что тут делает институт мерзлотоведения? Мерзлоты же в Москве нет!».
Конечно, институт, который занимается мерзлотой, в России просто необходим. Представьте, многолетние мерзлые породы развиты на 65% территории нашей страны. Грунты в северных регионах могут состоять на 100% из льда, а ледовая толща может достигать 30 и более метров. Чтобы научиться жить на этих территориях, осваивать их, строить на них, необходимо знать особенности строения и залегания этих высоко-динамичных систем.
— Скажите, а где южная граница мерзлоты в России проходит?
— Есть понятие «сплошное распространение», где многолетние мерзлые породы встречаются на более чем 90% территории. К таким территориям у нас относятся Якутия, Чукотка, Магаданская область, Север Красноярского края и Западной Сибири. Южная граница в Восточной Сибири проходит по северу Амурской области, в Западной Сибири и Красноярском крае она намного севернее.
— То есть, она не совпадает с Полярным кругом?
— Нет, конечно. В Центральной России она выклинивается к Западу и выходит к Полярному кругу в районе Архангельска, где носит островной характер распространения. Тем не менее, на ней приходится строить, вести сельхозработы и т.д.
— А в чем основные особенности жизни на вечной мерзлоте?
— В области распространения мерзлоты вода в грунтах находится в твердой фазе (лед). Лед — это термодинамичная система, которая при изменении теплового режима переходит из твердого состояния в жидкое состояние. Среднегодовые температуры воздуха на территории могут быть отрицательными, но мерзлоты там может не быть вследствие различных условий теплообмена на поверхности. Это растительный, почвенный покровы и снежный покровы, которые являются колоссальным теплоизоляторами, определяющим тепловое состояние грунтов.
На всей этой огромной территории, где распространена мерзлота, формируется сезонно-талый слой, который промерзает и протаивает в течение года. Соответственно, в этом слое происходят деформационные процессы — если вода замерзает, она увеличивается в объеме, а если протаивает — то уменьшается. Поэтому, когда в северных районах начинают что-то строить, стараются выбрать грунты, которые под воздействием промерзания и протаивания незначительно изменяют свои физико-механические свойства (непучинистые грунты). Часто используют свайные фундаменты, которые заглубляют в многолетнемерзлые грунты на значительную глубину. В Якутске, например, глубина заложения таких свай — до 18 метров. Сваи смерзаются с многолетнемерзлыми грунтами и становятся надежным основанием для того, чтобы не происходили деформации домов. Если силы смерзания сваи с грунтами превышают силы пучения, основание сооружения будет устойчивым.
— В Норильске есть целые кварталы так называемых размороженных домов (см. фотогалерею ниже). Как рассказывают норильчане, этот феномен появился в 1980–90-е годы, когда в городе перестали следить за температурным режимом под жилой застройкой — и эти дома стали аварийными. Вы же знаете эту историю? Как это произошло?
— Я в Норильске работал в 1970-е — 1980е годы, был неоднократно в 2005, 2008 и 2014 годах. Все крупные здания в городе построены на сваях-стойках, которые опираются на скальный-интрузивный массив. Под зданиями существует проветриваемое подполье. В зимний период холодный воздух интенсивно проветривает эти подполья и охлаждает пространство под зданиями, а в летний период туда не поступает прямая солнечная радиация — и в результате там формируется специфичный тепловой режим.
Но при этом зимой в Норильске выпадает очень много снега, заметая проветриваемые подполья. Утечки из коммуникаций, высокая влажность в проветриваемых подпольях, формируют неблагоприятные условия для сохранения рен-балок и других несущих конструкций, которые начинают разрушаться. Ну и конечно, под воздействием утечек формируются талые водонасыщенные зоны. Если нормально эксплуатировать коммуникации, содержать в рабочем состоянии проветриваемые подполья — проблем будет меньше. Кроме того, несомненно, при освоении городской территории изменяются и грунтовые условия, особенности и характер подземных вод (грунтовые надмерзлотные воды), что необходимо контролировать и проводить превентивные мероприятия по их отведению.
Если грамотно контролировать эти условия, инженерные сооружения будут стоять нормально. Такие проблемы есть не только в Норильске, но и в Западной Сибири, Якутии, Магаданской области, Забайкалье. На Севере это происходит и с автомобильными и железными дорогами, если их эксплуатируют без специальных мероприятий.
— Прогнозировала ли советская наука глобальное потепление? Какая по этому вопросу была позиция у мерзлотоведов?
— Интенсивная дискуссия по этому вопросу началась в 1990-х годах, когда общество почувствовало потепление климата. Хотя и до 1980-го года были работы, связанные с изменением климата. Например, в Институте мерзлотоведения этим вопросом занималась Мария Кузьминична Гаврилова, ею написано ряд публикаций и монографий об изменении климата в северных регионах. Помню, в 1980-е годы на научных дискуссиях в Институте, прогнозы Гавриловой вызывали у ряда ученых много сарказма. Она говорила, что лет через 30–40 среднегодовая температура повысится на полтора-три градуса. Сегодня я сам могу подтвердить, что за последние 45 лет среднегодовые температуры на территории Центральной Якутии повысились на 3,2 градуса. Эти изменения, несомненно, происходят, и нам нужно готовиться к тому, чтобы инженерные сооружения могли нормально существовать в изменяющихся климатических, а соответственно, грунтовых условиях.
Но существует и другая точка зрения — и она не безосновательна: в последующие 50 лет нас ожидает понижение температуры воздуха. Этой точки зрения придерживаются коллеги из академических институтов РАН (В.Т.Балобаев, О.Г Сорохтин и др), зарубежные коллеги из Британского университета Нортумбрии и другие. Балобаев [член-корреспондент РАН, 1930–2011] об этом говорил начиная с 1990-х годов. Проанализировав гармонические колебания температуры воздуха в Якутске и Верхоянье, он пришел к выводу, что за ближайшие 50 лет температура воздуха понизится и будет на уровне 1970-х годов.
— То есть, дело не в антропогенном факторе?
— Нет. Это естественные колебания природной среды, связанные с циркуляционными процессами в атмосфере. Такие изменения были и раньше, поэтому с тем, что это антропогенный фактор, я не могу согласиться. Может быть, есть какое-то влияние, но не столь существенное.
— Тем не менее, пока что мы находимся в фазе потепления. Чем это грозит России, 65% территории которой находится в зоне вечной мерзлоты? Закладывалась ли вероятность изменения климата в советскую инфраструктуру, построенную на мерзлотных грунтах?
— При строительстве любого инженерного сооружения, необходим прогноз состояния инженерно-геологических условий в процессе его эксплуатации. Возьмем инженерное сооружение или каменный жилой дом со сроком эксплуатации 70 лет. Когда его проектируют, все понимают, что он строится на мерзлоте, а она может деградировать (отступать) или вновь образовываться (аградация), под воздействием каких-либо изменений — климатических, антропогенных. То есть, мы должны предусмотреть возможные изменения и определить условия эксплуатации сооружений. Технические решения при строительстве и опыт эксплуатации инженерных сооружений в северных регионах показывает, что создание проветриваемого подполья под зданием и правильная его эксплуатация в условиях Центральной Якутии позволяет понизить температуру грунтов на 2 °С. В таком регионе, как Норильск, этого эффекта добиться сложно, в связи с особенностями снегонакопления здесь (зимой снег заметает проветриваемые подполья и не достигается такого эффекта охлаждения грунтов в зимний период).
Если мы нормально следим за состоянием инженерных сооружений (грунтовые условия, экзогенные процессы), то влияния современных изменений климата во многих случаях можно избежать простыми превентивными мероприятиями. Несомненно, в районах с высоко-температурными условиями мерзлых грунтов (до −1,0 °С), необходимо будет применение охлаждающих систем. Так, на большей части северных территорий в Западной Сибири развиты глинистые и суглинистые грунты, здесь деградация мерзлоты нанесет и наносит значительные ущербы. Вследствие этого там применяют специальные охлаждающие системы, которые позволяют поддерживать низкие температуры — и грунт остается в мерзлом состоянии. При строительстве новых сооружений в условиях современного темпа потепления климата необходимы проектные решения, позволяющие обеспечить устойчивость инженерных сооружений: увеличение глубины заложения свай, организаций вентилируемых подполий и др.
Вообще мерзлота — система очень консервативная. Для того, чтобы перевести лед в жидкое состояние, необходимо достаточно большое количества тепла (теплота фазовых переходов). И это даем нам временную возможность для разработки правильных превентивных мероприятий. Управлять этими процессами можно. Но для того, чтобы управлять, их нужно контролировать. Поэтому сейчас много говорят о воссоздании мониторинга и контроля, которым раньше занимались научные организации. В большинстве случаев мониторинг был выброшен из нашей жизни. К сожалению, пока беда не случится, у нас этим не занимаются.
— История с разливом топлива в Норильске в мае 2020 года — это, наверное, первый громкий случай, когда в качестве причин аварии называлось подтаивание вечной мерзлоты под промышленным объектом. Насколько эта версия состоятельна и были ли такие случаи где-нибудь еще?
— Наши сотрудники участвовали в большой экспедиции Сибирского отделения Российской Академии наук, оценивающей причиненный ущерб. Территория размещения объекта расположена в области развития подземных льдов. Но сваи, на которых стояли емкости с топливом, опирались на скальное основание (сваи-стойки), которое имеет незначительный уклон. В процессе эксплуатации сооружений на территории сформировались таликовые зоны, но это не является, на мой взгляд, основной причиной аварии, которые, как правило, случаются при совокупности влияющих факторов. Отсутствие нормально работающего проветриваемого подполья под емкостью и повышенная влажность привели к разрушению конструкций основания (бетон, железо), а при сочетании с изменением физико-механических свойств грунтов, условиями наполнения емкости и сейсмическими подвижками произошла эта авария. Если бы контролировалось состояние основания этих сооружений, инженерно-геокриологические условия — аварии бы не случилось.
Случаев, связанных с протаиванием мерзлоты, много. Классический случай — деформированные дороги, которые неудачно построены на льдистых грунтах, это одна из серьезных проблем, которые сейчас есть в России. Дело в недостаточности или полном отсутствии материалов инженерно-геологических изысканий, в которых охарактеризованы геокриологические условия, при разработке проектных решений. Делать качественные изыскательные работы сегодня, к сожалению, не стимулирует и не позволяет существующая система тендеров на проведение этих работ.
— Наслышана о подземных лабораториях вашего института с вечной мерзлотой в естественном состоянии. Такое ещё где-то в мире есть?
— В мире таких лабораторий три, две из них находятся в России — одна у нас в Якутске, вторая в Игарке. Третья крупная подземная лаборатория — на Аляске, правда, она появилась немножко позже, чем наши. Как раз благодаря этим лабораториям и получены фундаментальные знания по физико-механическим свойствам мерзлых пород. Это сегодня по всему миру применяются различные холодильные системы, которые работают от электричества. Но первые эксперименты проводились в 1950–60-е годы именно в наших лабораториях, в том числе совместно с иностранными учеными.
Это искусственно выкопанные подземные выработки (камеры) до глубины 14–16 метров, которые оборудованы приборами для наблюдений. Сейчас здесь проводятся в основном, длительные эксперименты, которые идут от одного до шести месяцев. В подземные лаборатории можно спуститься и посмотреть, на каких грунтах стоят Якутск, Игарка, рассмотреть криогенные текстуры — как расположен лед в этих грунтах.
— А какая там температура?
— В Игарке естественная температура близка к нулю, и мерзлота здесь поддерживается интенсивным зимним проветриванием. Район Игарки — это один из тех уникальных регионов, где при средней годовой температуре воздуха — 7,0°С мерзлота имеет прерывистое и островное распространение, несмотря на то, что находится за Полярным кругом. Это связано с особенностями снегонакопления в регионе. В Якутской же лаборатории, с помощью вентиляционных шахт, поддерживается постоянная температура минус шесть — минус семь градусов..
— То, что в Якутии среднегодовая температуры выросла на 3,2 градуса, отражается на поведении грунтов? Это видно, когда вы спускаетесь в свои лаборатории?
— В подземной лаборатории этого не видно, потому что мы ее охлаждаем. В Якутске глубина сезонного протаивания изменяется от 1,2 до 3,5 метров, а температура пород, в зависимости от ландшафтных условий, варьирует от −1,5 до −3,5 °С. Как ни парадоксально может показаться, но за последние 50 лет тренды изменения температуры и сезонного протаивания в большинстве природных ландшафтах либо не изменились, либо изменились слабо. Тогда как на нарушенных участках эти изменения значительны и вызывают развитие криогенных процессов.
Наиболее стабильны геокриологические условия в лесных ландшафтах. На линейных сооружениях (аэродромы, автомобильные дороги), где регулярно проводят снегоуборочные работы и складируют снег в непосредственной близости, начинают формироваться более высокие температуры грунтов и таликовые зоны. Это не значит, что везде следует немедленно делать систему охлаждений. Если мы хотим, чтобы эти сооружения нормально функционировали, нужен контроль. Инженерами и учеными разработаны различные мероприятия, позволяющие поддерживать необходимые грунтовые условия. Например, когда с территории в зимний период убирают снег — грунты интенсивно промерзают. В летний период, для сокращения поступления прямой солнечной радиации отдельные можно перекрыть теплоизоляционным материалом и др.. Такие превентивные мероприятия и раньше применялись. Так что, если у нас будет голова на месте, собирать чемоданы и убегать от таяния вечной мерзлоты не придется.
