ЛАБОРАТОРИЯ ГЕОКРИОЛОГИИ

скрыть...
Методика оценки риска развития термокарста доработана для применения на региональном уровне (м-б 1:200 000) и рекомендована в первую очередь для природно-технических комплексов с линейными техногенными объектами.

скрыть...
В России в настоящее время многолетнемерзлые породы реагируют на изменения температуры воздуха не только с разной интенсивностью, но даже неоднозначно, в том числе в регионах с заметным потеплением климата. В сложившейся ситуации повышаются требования  к достоверности и надежности геокриологического прогноза, так как лишь на этой основе может быть выработана разумная стратегия народнохозяйственной и природоохранной деятельности на территории криолитозоны. Достоверность прогнозной модели определяется, в первую очередь, корректным назначением верхних граничных условий. Это подразумевает использование комплекса климатических факторов, которые имеют региональный характер, т.е. практически не зависят от микроклимата конкретного участка.

скрыть...
Развита физико-математическая  модель взаимодействия фильтрующихся растворов с мерзлыми породами и предложена программы для её компьютерной реализации. Данная модель не имеет аналогов в опубликованной литературе.

скрыть...
Выполнен сопряжённый региональный анализ характеристик пространственной и временной неоднородностей геокриологических характеристик, а также характеристик техногенеза и климата (на примере cевера Западной Сибири и Северного Забайкалья). Обосновано разделение региональной мелкомасштабной и локальной крупномасштабной систем геоэкологического мониторинга. Обоснованы принципы определения перечня приоритетных показателей мониторинга с учётом территориальной специфики геокриологических условий, характера техногенеза, а также наблюдаемой динамики климатических характеристик и криогенных процессов.

скрыть...

1. Проанализировано соотношение глобальных, региональных и локальных факторов, формирования геокриологических условий. Для низкогорных районов Забайкалья выполнено численное моделирование динамики многолетнемерзлых толщ под влиянием разнопериодных колебаний климата. Его результаты свидетельствуют о весьма значительном влиянии горного рельефа и вертикальной мерзлотной поясности на температурный режим и мощность криолитозоны.
2. С учетом масштаба, интенсивности воздействия на природную среду и особенностей нарушения экологического равновесия выделено семь крупных технических систем: гидротехнические, военно-промышленные, линейных сооружений, горнодобывающие, градопромышленные, сельскохозяйственные, лесозаготовительные. Техногенные воздействия приводят к существенно более значимым локальным изменениям геокриологических условий, чем динамика климата.
3. Проведено математическое моделирование динамики мерзлых пород севера Западной Сибири до 2050г. при различных трендах изменения температур воздуха. Минимальные тренды -0.007…-0.014°С/год. Максимальные составляют 0.048- 0.86°С/год.
   Созданы прогнозные карты реакции многолетнемерзлых горных пород на потепление климата к 2050 г. при максимальном тренде повышения среднегодовой температуры воздуха (0.048-0.051°С/год.). и с трендами температуры воздуха 0.003–0.01°С/год.
4. Проведен расчет  изменения глубины сезонного и многолетнего оттаивания  и сезонного промерзания грунтов при максимальном тренде температур воздуха   для двух районов севера Западной Сибири:
   - района г. Надым ( с начальной среднегодовая температура грунтов -1.9°С и -0.8°С);
   - района Марре-Сале (начальная среднегодовая температура грунтов -3.4°С).
5. Для условий Севера Западной Сибири разработана система критериев выделения потенциально опасных территорий по степени воздействия на сооружения, включающая геологические, геоморфологические, криогенные и др. показатели.
6. Проведен анализ локальных неоднородностей природной среды влияющих на температурный режим ММП севера Западной Сибири. Предложена система показателей для установления критериев допустимого воздействия на криогенные геосистемы.
   Предложены математические методы оценки распределения неоднородности природной среды (поверхностных условий, свойств грунтов) влияющих на динамику криолитозоны.

скрыть...
Результаты численного моделирования температурного режима горных пород и гидробалансовых расчётов позволили сделать основной вывод о том, что в условиях Южной Якутии инфильтрация атмосферных осадков на участках без многолетнемёрзлых толщ оказывает существенное влияние на температурное поле и конфигурацию мерзлоты для достаточно больших глубин. Возможное изменение геокриологических условий в сторону их смягчения вызовет увеличение площадей таликовых зон, что смягчит паводковый пик начала лета и растянет этот пик на 1.5-2.0 месяца. Описанный механизм влияния может играть ключевую роль при объяснении связи между динамикой атмосферных осадков и речного стока в условиях несовпадения тенденций их многолетнего изменения.

скрыть...
Собраны климатические данные по территории криолитозоны, включая т.н. нетемпературные факторы теплообмена, рассчитанные величины тепловых потоков из атмосферы на поверхность с температурой 0°С (q0). Оказалось, что в районе южной границы криолитозоны значения q0 близки к 0. Для районов освоения нефтегазовых месторождений Ямала подготовлен прогноз изменения температурного режима грунтов с учётом нетемпературных факторов теплообмена. Подготовлены рекомендации по использованию ресурсов природного тепла и холода в криолитозоне.

скрыть...
Методика позволяет полуколичественно оценить риски развития термокарста  на локальном уровне (м-б 1:10 000) и рекомендована для природно-технических комплексов с линейными техногенными объектами.

скрыть...
1. Продолжена разработка подходов к обоснованию сочетания детерминированных и вероятностных методов  количественного геокриологического прогноза с применением программы численного моделирования динамики криолитозоны с учетом пространственно-временных   неоднородностей параметров «внешнего» теплообмена  и теплофизических свойств  пород.
2. Для технологических процессов, в ходе которых используется послойное замораживании льдо-грунтовых смесей (складирование отходов обогатительных фабрик, ледяные переправы и др.), обоснованы параметры эксплуатации, основанные на оценке вероятности неблагоприятных событий, вызванных случайными отклонениями суточных температур воздуха от среднемесячных значений.
3. Для территории центральной Якутии выполнены вероятностные оценки активизации термокарста под влиянием потепления климата для различных грунтовых условий.

скрыть...

Основное внимание в 2007 году было сосредоточено на региональном уровне. Анализировалась динамика параметров ММП под воздействием направленного повышения температур воздуха на примере севера Западной Сибири.
Проведено математическое моделирование динамики мерзлых пород севера Западной Сибири до 2050г. при различных трендах изменения температур воздуха. Минимальные тренды -0.007…-0.014°С/год. Максимальные составляют 0.048- 0.86°С/год.
Созданы прогнозные карты реакции многолетнемерзлых горных пород на потепление климата к 2050 г. при максимальном тренде повышения среднегодовой температуры воздуха (0.048-0.051°С/год.). и с трендами температуры воздуха 0.003–0.01°С/год.
Проведен расчет  изменения глубины сезонного и многолетнего оттаивания  и сезонного промерзания грунтов при максимальном тренде температур воздуха   для двух районов севера Западной Сибири:
- района г. Надым ( с начальной среднегодовая температура грунтов -1.9°С и -0.8°С);
- района Марре-Сале (начальная среднегодовая температура грунтов -3.4°С).
Для условий Севера Западной Сибири разработана система критериев выделения потенциально опасных территорий по степени воздействия на сооружения, включающая геологические, геоморфологические, криогенные и др. показатели.
Проведен анализ локальных неоднородностей природной среды влияющих на температурный режим ММП севера Западной Сибири. Предложена система показателей для установления критериев допустимого воздействия на криогенные геосистемы.
Предложены математические методы оценки распределения неоднородности природной среды (поверхностных условий, свойств грунтов) влияющих на динамику криолитозоны.

скрыть...

Основные результаты, полученные в 2007 г.:
1. Продолжена разработка подходов к обоснованию сочетания детерминированных и вероятностных методов количественного геокриологического прогноза с применением программы численного моделирования динамики криолитозоны с учетом пространственно-временных неоднородностей параметров «внешнего» теплообмена  и теплофизических свойств  пород.
2. Применительно к технологическим процессам, в которых используется послойное замораживании льдо-грунтовых смесей (складирование отходов обогатительных фабрик, ледяные переправы и др.), обоснованы параметры эксплуатации на основе оценки вероятности неблагоприятных событий, обусловленных случайными отклонениями суточных температур воздуха среднемесячных значений.
3. Для территории центральной Якутии выполнены вероятностные оценки активизации термокарста под влиянием потепления климата для различных грунтовых условий.

«Теоретические основы геоэкологического мониторинга в криолитозоне»
Научный руководитель – Г.З.Перльштейн
Ответственный исполнитель – Г.З.Перльштейн
Исполнители: В.П.Мерзляков, А.Н.Хименков, Д.О.Сергеев, А.Н.Власов, Г.С.Типенко
Основные результаты, полученные в 2007 г. по 1-му этапу работ:
Завершено формирование исходного информационного массива, включающего материалы геокриологических съёмок, стационарных наблюдений, модельных расчётов, дистанционного зондирования, а также данных государственной статистической отчётности в области охраны окружающей среды.

скрыть...

Результаты моделирования позволяют сделать основной вывод о том, что инфильтрация атмосферных осадков на участках без многолетнемёрзлых толщ оказывает существенное влияние на температурное поле и конфигурацию мерзлоты для достаточно больших глубин. В результате смягчения геокриологических условий (сокращение массивов многолетнемёрзлых пород) можно прогнозировать увеличение площади питания подземных вод, а также гидравлической ёмкости трещиноватых горных пород, по которым подземные воды дренируются в поверхностные водотоки. Предлагаемый подход может играть ключевую роль при объяснении связи между динамикой атмосферных осадков и речного стока в условиях несовпадения тенденций их многолетнего изменения.

скрыть...

Собраны климатические данные по территории криолитозоны, включая т.н. нетемпературные факторы теплообмена, рассчитанные величины тепловых потоков из атмосферы на поверхность с температурой 0°С (q0). Оказалось, что в районе южной границы криолитозоны значения q0 близки к 0. Для районов освоения нефтегазовых месторождений Ямала подготовлен прогноз изменения температурного режима грунтов с учётом нетемпературных факторов теплообмена. Подготовлены рекомендации по использованию ресурсов природного тепла и холода в криолитозоне.

скрыть...

Основные результаты, полученные в 2006 г.:

1. Проанализировано соотношение глобальных, региональных и локальных факторов, формирования геокриологических условий. Для низкогорных районов Забайкалья выполнено численное моделирование динамики многолетнемерзлых толщ под влиянием разнопериодных колебаний климата. Его результаты свидетельствуют о весьма значительном влиянии горного рельефа и вертикальной мерзлотной поясности на температурный режим и мощность криолитозоны.

• с учетом масштаба, интенсивности воздействия на природную среду и особенностей нарушения экологического равновесия выделено семь крупных технических систем: гидротехнические, военно-промышленные, линейных сооружений, горнодобывающие, градопромышленные, сельскохозяйственные, лесозаготовительные. Техногенные воздействия приводят к существенно более значимым локальным изменениям геокриологических условий, чем динамика климата.

3. восстановлен ряд заброшенных термометрических скважин в Каларском районе Забайкалья и организованы периодические измерения температуры горных пород. возобновленные геотермические наблюдения включены в международную программу TSP, проводимую под эгидой IPA в рамках Международного полярного года.

скрыть...

Основные результаты, полученные в 2006 г.:

1. Выработаны принципиальные подходы к сочетанию детерминированных и вероятностных методов  количественного геокриологического прогноза.
2. Разработана и апробирована программа численного моделирования динамики криолитозоны с учетом пространственно-временных неоднородностей параметров «внешнего» теплообмена и теплофизических свойств  пород по методу Монте-Карло.
3. Применительно к технологическим процессам, в которых используется послойное замораживании льдо-грунтовых смесей (складирование отходов обогатительных фабрик, ледяные переправы и др.), оценена вероятность неблагоприятных событий, обусловленных случайными отклонениями суточных температур воздуха среднемесячных значений.
4. Для территории центральной Якутии выполнены первые вероятностные оценки активизации термокарста под влиянием потепления климата.

скрыть...

Основные результаты, полученные в 2006 г.:

1. Количественно оценена сравнительная роль региональных климатических характеристик в формировании температуры пород.
2. Проведены натурные эксперименты по нагреванию воды в пленочных рукавах. Их результаты показали, что в летнее время горячее водоснабжение можно организовать при помощи простейших пленочных нагревателей, причем стоимость горячей воды в сравнении с существующими тарифами сократится минимум в 20 раз.
3. главные перспективы в использовании природного холода в криолитозоне связаны с захоронением токсичных отходов по методу естественного промораживания осадков. Для определения технологических параметров выведены расчетные формулы, в  которых учитывается влияние излучения и испарения (а не только температуры воздуха) на темпы охлаждения водных потоков и скорость промерзания грунта.

скрыть...

Основные результаты, полученные в 2006 г

1. Получены и упорядочены уникальные и актуальные (включая первую половину 2006 года) ряды климатических и гидрологических данных, необходимых для оценки реакции мерзлых толщ на происходящие изменения природных условий.
2. Проведённые измерения продемонстрировали, что за период 1987-2005 гг. температура горных пород на глубине 19-20 м повысилась на 0.9°С. Также получены режимные данные по годовому ходу температур в деятельном слое курума, на поверхности почвы и воздуха (на высоте 2 м).

скрыть...

Основные результаты, полученные в 2006 г

1. Выявлено значение различных составляющих внешнего теплообмена для формирования температуры пород. Например, ослабление потока суммарной коротковолновой радиации на 10% влечет за собой понижение среднегодовой температуры грунта на 0,46 ?С, такое же, как похолодание воздуха на 1,3°С. При этом расчетная глубина сезонного оттаивания уменьшается на 3 %.
2. исходя из тех же теоретических представлений,  проведены экспериментальные исследования по нагреванию воды в пленочных рукавах. Работы проводились в полупромышленном масштабе на территории Троицкого золоторудного месторождения в Бурятии. В период основных экспериментов (конец августа) температура воздуха в дневные часы держалась на уровне 9-12°С. Несмотря на это, максимальная температура воды в рукаве из черной пленки с гасителем ветра, достигла 55°С. эти данные доказывают, что в летнее время горячее водоснабжение можно организовать при помощи простейших пленочных нагревателей.

скрыть...

Разработаны научно-методические основы и практические рекомендации по использованию возобновляемых источников тепла и природного холода при народно-хозяйственном освоении области вечной мерзлоты. В их основе лежит современная концепция теплообмена в системе поверхность горных пород – нижние слои атмосферы. Наиболее перспективными прикладными технологиями представляются:

• нагревание воды в пленочных рукавах, с помощью которого в летний можно снизить себестоимость горячего водоснабжения, по крайней мере, в 10 раз;
•  захоронение токсичных отходов на основе послойного замораживания осадков.

скрыть...

Основные результаты, полученные в 2005 г. по 1-му этапу работ «Предварительный выбор методов использования природного холода и нетрадиционных источников тепла»:

• Проведен аналитический обзор и обобщение информации по климатическим характеристикам российской зоны вечной мерзлоты. В качестве интегральной характеристики регионального климата использовалась плотность теплового потока (q0) из атмосферы на подстилающую поверхность с температурой 0оС. Подтверждены предварительные выкладки о значительном тепловом потенциале атмосферы в летнее время и возможности его освоения применения. Разработана схема районирования криолитозоны с учетом ее динамики под влиянием климатических изменений.
• исследованы условия теплообмена применительно к технологии складирования токсичных отходов  обогатительных фабрик, а также к возведению сооружений из искусственных льдогрунтовых материалов. Показано, что ледогрунтовый массив мощностью более 20 м может быть наморожен в течение в течение одной зимы  без дополнительного охлаждения. Определено направление усовершенствования аналитической теории промерзания грунтов и водных потоков. Учет излучения и испарения, которые играют большую роль при возведении ледяных конструкций, будет сделан с помощью граничного условия 3-го рода на основе значения того же параметра q0, что использовался при расчете солнечных водонагревателей. Были проанализированы некоторые вопросы охлаждения мерзлых грунтов в основании инженерных сооружений при помощи тепловых насосов (ТН).

скрыть...

Основные результаты, полученные в 2003-2005 г.:
1.Обобщение значительного объёма доступных данных по вековой динамике климатических характеристик с использованием оригинальной системы управления базой данных «GeoCryoData» и современных методов авторетроспективного анализа метеорологических наблюдений позволило разработать районирование России, необходимое для геокриологического прогноза.
2. На основе данных мониторинга и результатов численных исследований даны прогнозные оценки современных и ожидаемых в XXI веке мерзлотно-климатических изменений на территории России. Нашими исследованиями доказана ошибочность часто используемого допущения о приблизительно одинаковом повышении температур горных пород и воздуха. Как показало математическое моделирование, подтверждаемое фактическим материалом, повышение среднегодовой температуры воздуха на 1°С ведет к потеплению поверхности грунта всего на 0.25–0.3°С; солнечная радиация, высота снежного покрова, скорость ветра и влажность воздуха принимались неизменными. Наибольшая перестройка геокриологических условий ожидается в районах с резко континентальным климатом. В ряде районов Забайкалья маломощные (до 20-30 м) многолетнемерзлые толщи полностью деградируют. В арктических и примыкающих к ним регионах, где температура воздуха к 2100 г. может повыситься не более, чем на 2°C, ожидается сохранение устойчивой криолитозоны.
3. Несмотря на то, что фоновая геокриологическая ситуация в регионе может оставаться благополучной, сохраняется вероятность локального сочетания условий, при которых резко активизируются опасные мерзлотно-геологические процессы (термокарст, термоэрозия, пучение и др.). В связи с этим, наиболее перспективным путем исследования подобных проблем следует признать комбинированное применение детерминированного и вероятностно-стохастического методов анализа. Сочетание вероятностного анализа с детерминированным описанием некоторых элементов физической модели процессов использовано для прогноза активизации термокарста.
4. В соответствии с проведенными расчетами, правильная эксплуатация вентилируемых подполий позволит ближайшие 50 лет даже в условиях глобального потепления сохранить запроектированные значения температуры и несущей способности грунтов оснований. Выполнен анализ новейших технических решений в области фундаментостроения на мерзлых грунтах. Среди них наиболее перспективными признаны незаглубленные фундаменты с поверхностными охладителями, действующими за счет естественной конвекции холодного зимнего воздуха. Особые надежды следует связывать с охлаждением грунтов оснований при помощи тепловых насосов, что позволит использовать отводимую энергию, например, для поддержания температурного режима в складских помещениях.
5. Несмотря на суровый климат, территория криолитозоны обладает колоссальными тепловыми ресурсами. Специальными экспериментально-теоретическими работами установлено, что в дневные часы на поверхность обнаженных мерзлых пород из атмосферы поступает тепловой поток порядка 1кВт/м². Теория и экспериментальное изучение теплообмена протаивающих пород с атмосферой свидетельствуют о принципиальной возможности нагрева воды в обычных пленочных рукавах (стоимостью 6-10 руб/м²) до температуры 50° С и выше.

скрыть...

Анализ опыта захоронения рассолов в многолетнемёрзлых породах (ММП) показывает, что в Верхнекембрийском водоносном комплексе (ВВК) и техногенном горизонте напоры и ореолы растекания в толще ММП стабилизировались в течение 3-4 лет. Этому также способствовал прорыв рассолов в ВВК.

В процессе захоронения рассолов техногенный горизонт и ВВК играют роль буферной емкости, где перераспределяются избыточные объемы сброса, вызывая временные колебания напоров и границ ореола растекания.

В связи со слабой проницаемостью вмещающих пород и дополнительным фильтрационным сопротивлением Восточного рудного тела во время открытой отработки месторождения водопритоки в карьер были относительно низкими. Предполагается, что притоки в карьер значительно возрастут, когда горные работы достигнут уровня хорошо проницаемых отложений Среднекембрийского водоносного комплекса, особенно в начальные моменты вскрытия. Также следует ожидать увеличения притоков к шахтному водоотливу при изменении фильтрационных параметров Западного рудного тела, вызванных перемещением фронта горных работ.

Современные и прогнозные напоры в техногенном  горизонте находятся на экологически безопасных отметках, исключающих попадание захороняемых стоков в защищаемые объекты на дневной поверхности.

Разработана методика количественной оценки процессов тепломассопереноса в проницаемых мерзлых породах на основе оригинальной формулировки соответствующей математической задачи. Выполненные численные исследования показали ее работоспособность, в частности, полное соответствие известным физическим закономерностям. Результаты расчетов свидетельствуют, что длительная закачка растворов в техногенный горизонт не приводит к сквозному оттаиванию и потере гидроизоляционных свойств вышележащей мерзлой толщи. Даже в стационарном режиме, который достигается за многие десятки лет, у поверхности сохраняется толща непроницаемых мерзлых пород мощностью от 50 до100 м. Таким образом, подтверждается геоэкологическая безопасность принятой технологии захоронения дренажных рассолов на период подземной отработки месторождения.

скрыть...

Объектом исследования является реакция многолетнемёрзлых пород на межгодовые изменения климата. Целью работы является обоснование и уточнение требований к ведущимся проектным, строительным и эксплуатационным работам на Севере Западной Сибири в связи с изменениями климатических и геокриологических условий. Работа заключалась в математическом моделировании реакции температурного режима многолетнемёрзлых пород на изменение климатических, в том числе нетемпературных, факторов теплообмена через земную поверхность. Проведенные исследования позволяют оценить последствия возможных изменений климата в будущем для оснований производственных объектов газовых промыслов на Севере Западной Сибири. Результаты работы планируется использовать для обоснования проектных решений по освоению газовых месторождений, а также для обоснования мероприятий по организации геотехнического мониторинга и инженерной защите объектов строительства.