Рис. 10. Прогнозная геокриологическая карта России на 110-й год от начала возможного глобального потепления климата (по сценарию ИГКЭ):

1 - область протаявших ММП; 2 - область распространения ММП несливающегося типа с глубиной залегания кровли от 5 до 20 м (реликтовые ММП, залегающие на глубине 50 м и более, на карте не показаны) со среднегодовой температурой пород (t0) 0-3 ºС; 3 - область островного (50-90%) распространения ММП, t0 = 0,5-2ºC; 4-6 - область сплошного распространения ММП: 4 - t0 = (-1) - (-5) ºC, 5 - t0 = (-5) - (-6) ºC, 6 - t0 = (-5) - (-8) ºC; границы: 7 - современная южная граница распространения ММП, 8 - ММП несливающегося типа, 9 - островного распространения ММП, 10 - сплошного распространения ММП.

На основе существующих представлений о закономерностях формирования температурного режима многолетнемерзлых толщ с использованием любого из сценариев глобального потепления можно дать количественную оценку деградации криолитозоны и оценить возможные последствия этого процесса. Так, на рис. 11 в графическом виде продемонстрирован прогноз деградации криолитозоны севера Западной Сибири к 2100 году по сценарию ИГКЭ. Как видно из этой схемы, для полуострова Ямал речь идет не о полном вытаивании многолетнемерзлых толщ, а лишь о понижении температур мерзлых толщ у поверхности с -5º до -1ºC.  Учитывая большое количество энергии, необходимой для фазового перехода, катастрофичного усиления геокриологических процессов в результате повсеместной деградации мерзлых толщ, ожидать не следует.

Территории с реликтовыми многолетнемерзлыми породами распространятся лишь на 5-7% площади полуострова. Это в основном юг и русло и пойменная долина р. Юрибей в Центральном Ямале.

Рис. 11. Прогнозная геокриологическая карта севера Западной Сибири на 110-й год от начала возможного глобального потепления климата (по сценарию ИГКЭ): 1 - территория протаявших ММП; 2 - территория распространения ММП несливающегося типа с глубиной залегания кровли (h) в торфах более 3,5 м, в суглинках 8-15 м, в песках 15-25 м и где среднегодовая температура пород (t0) повысится от 0 - (-3) до 0 - (-0,5) ºС; 3 - территории распространения ММП несливающегося типа с h в торфах 1,5-3,5 м, в суглинках 3,5-8 м, в песках 6-13 м и где t0 повысится от (-3) - (- 5) до (-1) - (-2) ºC; 4 - территории распространения ММП, t0 которых повысится от (- 5) - (-7) до (-1) - (-2) ºC с участками несливающихся ММП, где h в торфах до 1,5 м, в суглинках до 3,5 м, в песках до 6 м; 5 - территории сплошного распространения ММП, t0 которых повысится от (-7) - (-9) до (-2) - (-4) ºC; границы: 6 - современная южная граница распространения ММП, 7 - прогнозная южная граница распространения ММП, 8 - граница территорий с разными прогнозными геокриологическими условиями.

Рис. 12. Распределение температур пород по глубине (м/ст. Марре-Сале, Ямал):

1 – в естественных условиях (1990 г.); 2-4 – при глобальном потеплении климата: 2 – 2020 г., 3 – 2075 г., 4 – 2100 г.

В условиях неустановившегося температурного режима, когда из года в год происходит повышение температуры пород по глубине, не корректно говорить о среднегодовой температуре пород на глубине нулевых годовых амплитуд как о постоянной температуре в течение длительного отрезка времени. Тем более это не корректно, когда начинается многолетнее оттаивание пород с поверхности. Поэтому для оценки тенденции изменения температурного состояния пород в будущем принята фиксированная глубина, приблизительно равная глубине нулевых годовых амплитуд в современных условиях – 18 –20 м. Изменение температуры пород на этой глубине в будущем существенно зависит от их начальной температуры. При относительно высоких начальных отрицательных температурах пород большая часть поступающего в грунт тепла идет на фазовые переходы при опускании кровли мерзлых пород, и поэтому повышение температуры пород происходит относительно  медленно. В интервале низких среднегодовых температур интенсивность повышения температуры мерзлых пород увеличивается (до температуры фазовых переходов).

Повышение среднегодовой температуры пород при глобальном потеплении климата вызывает не только деградацию мерзлых пород с поверхности, но и их оттаивание снизу. Темп оттаивания определяется составом пород, среднегодовой температурой, мощностью и величиной теплопотока из недр земли.

На рис. 12 представлена вероятная динамика деградации криолитозоны Центрального Ямала на основе данных ст. Марре-Салле. К 2075 году предполагается увеличение температуры первых 10 м многолетнемерзлых пород до 0ºС, а к 2100 году возможно многолетнее оттаивание слоя мощностью 3-5 метров от поверхности. Таким образом, до 2075 года катастрофического усиления термоэрозионных процессов на Ямале ожидать не следует. Естественно, на юге полуострова деградация криолитозоны будет происходить несколько интенсивнее, чем на севере, где многолетнего оттаивания скорее всего не произойдет из-за существенной энергии, необходимой для фазовых переходов.

Потепление климата и соответствующее увеличение глубины сезонного оттаивания приведет к увеличению пучения пород, особенно на равнинах с избыточным увлажнением поверхности, на 20-50%. На участках с прогнозируемой несливающейся мерзлотой и с новообразованными несквозными таликами получат широкое распространение сезонные и многолетние бугры пучения.

В береговой зоне Карского моря и Обской губы, где под влиянием термоабразии и термоденудации происходит разрушение и отступание береговых уступов, следует ожидать заметных последствий. Если в современных условиях средняя скорость отступания берегов, сложенных льдонасыщенными дисперсными отложениями, составляет 2-4 м в год, то при потеплении климата она может увеличиться до 10 и более метров. Следует отметить, что потепление климата может стать причиной развития широкого спектра геокриологических процессов на одной и той же территории, образующих парагенетические ряды, развивающиеся с большой скоростью и со значительным эффектом от их суммарного проявления. Последнее может быть опасно при хозяйственном освоении.

5.3  Принципы районирования криолитозоны Ямала

     Разведка и разработка нефтегазовых месторождений требуют  инженерно-геологического изучения площади самих месторождений и путей транспортировки газа с целью обеспечения устойчивости возводимых сооружений и максимального сохранения природных условий арктического бассейна и прилегающей территории побережья. Важнейшей задачей инженерно-геологического изучения различных районов  криолитозоны является выявление в их пределах закономерностей формирования и пространственной изменчивости геокриологических условий и прогноз их изменения. Главным методом изучения  этих закономерностей в субаэральных условиях является геокриологическое районирование и типизация территории, позволяющие расчленить ее на части, различающиеся условиями теплообмена горных пород с атмосферой и литосферой и, как следствие, комплексом геокриологических условий.

     Типологическое районирование по характеру теплообмена в системе атмосфера- многолетнемерзлые породы - литосфера позволяет экстраполировать данные наземных наблюдений на большие территории, оценивать степень устойчивости геологической среды при проектировании различных природно-технических систем и осуществлять геоэкологическое картографирование в любом масштабе.

      Геокриологическое  (эколого-геологическое) районирование территории должно сводиться к расчленению ее на участки, различающиеся условиями тепло-массообмена горных пород с атмосферой и литосферой и, как следствие, комплексом геокриологических условий, а также реакцией  геологической среды на техногенные воздействия. При этом территориально разобщенные участки, характеризующиеся близкими условиями тепло-массообмена,    оказываются подобными и в эколого-геологическом отношении.

       Методика типологического районирования криолитозоны (на ландшафтной основе) разработана во ВСЕГИНГЕО в процессе многолетних инженерно-геокриологических исследований в разных районах Западной Сибири. Поскольку взаимосвязь различных факторов природной обстановки, определяющих теплообмен горных пород с атмосферой и литосферой, находит отражение в повторяющихся в пространстве природно-территориальных (или аквальных)  комплексах    разного ранга, то существует причинно-следственная связь геокриологических условий с природными комплексами, а сами природно-территориальные комплексы могут служить комплексными индикаторами геокриологических условий.

      Наибольшее своеобразие геокриологических условий характерно для природно-территориальных комплексов в ранге местностей, сформировавшихся  за счет локальных дифференцированных неотектонических движений земной коры и парагенетического комплекса криогенных процессов.

        Местности различаются характером и степенью эрозионного расчленения рельефа, заозеренностью и заболоченностью, условиями питания, транзита и разгрузки подземных вод, т.е. всеми  основными факторами природной обстановки, определяющими условия теплообмена горных пород  с атмосферой и литосферой.  В силу этого местности могут служить основой для выделения и картографирования типов мерзлых толщ, характеризующихся (в пределах одной природно-климатической подзоны) закономерным сочетанием основных геокриологических характеристик: распространением с поверхности;  прерывистостью и мощностью ММП; их составом, криогенным строением и льдистостью; интервальными значениями среднегодовых температур; типами и глубинами сезонного промерзания - протаивания;  парагенетическими комплексами криогенных процессов и гидрогеологическими особенностями разреза.

      Местности разных типов имеют четкие дешифровочные признаки (рисунок эрозионного расчленения), нередко разделены между собой разрывными неотектоническими нарушениями, освоенными речной или озерной сетью, и потому их выделение на аэрофото- и космофотоснимках (разного масштаба) не представляет особого труда и имеет объективный характер.

          Принципы типологического геокриологического районирования  основаны с одной стороны на ландшафтной типизации территории по условиям теплообмена  горных пород с атмосферой, а с другой - на максимальном учете геолого-структурных факторов, имеющих в пределах молодых платформ решающее значение для формирования гидрогеологических и геокриологических условий отдельных районов и конкретного участка. Такой подход к картографированию позволяет экстраполировать  данные  наземных исследований, проводившихся в разные годы на разных участках  Ямала, на всю его площадь; прогнозировать динамику криогенных процессов и оценивать степень устойчивости геологической среды при хозяйственном освоении территории.

В результате вся территория Центрального Ямала и большей части полуострова Гыдан была разделена на группы по ладшафтно-геологическим признакам (см. приложение №1 и №2) на морфоструктуры I и II порядка (области и районы) и геоморфологические подрайоны. Этим морфоструктурам, как правило, соответствуют геологические структуры платформенного чехла I и II порядков, либо эти геологические структуры не выражены или неоднозначно выражены в рельефе. Как отмечалось в разделе “Тектоника” главы 2, рельеф и неотектоника Ямала, как и всей территории севера Западной Сибири, носят ярко выраженный унаследованный характер. Это отразилось в четком соответствии морфоструктур I порядка с геологическими структурами платформенного чехла I порядка. Так, система Западно-Ямальской впадины Центрально-Ямальского мегавала и Северо-Сеяхинского мегапрогиба в рельфе выражена Ямальским сводоподобным поднятием и т.д.

Что касается структур платформенного чехла II порядка, то они выражаются в рельефе не всегда. Как правило, положительные структуры этого порядка на полуострове соответствуют водоразделам средних рек. Что касается выделенных геоморфологических подрайонов, включающих лайду, пойму, I-II террасу, III , IV и V террасы, то здесь прямой связи со структурами платформенного чехла не обнаружено. Скорее всего, они в большей степени обусловлены динамикой оледенения в олигоцене - плейстоцене и характером неотектонических движений.

Геокриологическая характеристика мерзлых почв в процессе районирования территории полуострова происходит в направлении дискретизации отдельных участков по характеру расчленения рельефа на: плоские и низкие поверхности (поймы и лайды) с минимальным распространением и мощностью многолетнемерзлых почв и водораздельные поверхности (с озерным, озерно-линейным и линейным расчленением рельефа). В каждой из этих групп выделяются более мелкие подразделения по ландшафтному признаку. Каждому подразделению соответствуют свои особенности тепло-массобмена, литологического состава отложений, характера развития подземных льдов, мощности и температуры мерзлых толщ, гидрогеологические и геоэкологические особенности. 

5.4           Анализ негативных факторов эксплуатации нефтегазовых месторождений района

Геокриологические процессы и формы их проявления являются показателем интенсивности энергообмена над кровлей мерзлой толщи и в ее верхних горизонтах (до глубины 10-20 м). Антропогенный фактор, как правило, усиливает энергообмен в создаваемых и существующих природно-технических системах, выводит многолетнемерзлые породы из динамического равновесия, складывающегося на разных этапах естественного развития. Следствием этого является активизация геокриологических процессов и их новообразование. Степень активизации зависит от теплового состояния мерзлых толщ, их состава и криогенного строения, от особенностей ландшафтной обстановки и характера техногенных воздействий.

Для полуострова Ямал, ожидающего в течение 20-30 последующих лет масштабное освоение своих ресурсов, взаимовлияние техногенеза и криолитозоны можно условно разделить на три категории:

1.        взаимовлияние при освоении и эксплуатации нефтегазовых месторождений территории;

2.        взаимовлияние, обусловленное развитием необходимой транспортной инфраструктуры (дороги, трубопроводы);

3.        взаимовлияние, обусловленное развитием хозяйственной инфраструктуры региона (строительство населенных пунктов для обслуживающего месторождения персонала и т.д.).

Непосредственным объектом инженерной деятельности на осваиваемых территориях являются грунтовые толщи. Они вступают в непосредственное взаимодействие с сооружениями и должны обеспечить их надежность. Поэтому при строительстве в криолитозоне, где широко распространены торфяные и сильнольдистые неустойчивые грунты, часто производится их замена либо путем срезки на глубину, превышающую сезонноталый слой, либо путем подсыпки местных естественных или техногенных грунтов высотой более 1-2 м. Эти нарушения исходных условий в комплексе с тепловым влиянием сооружений, изменениями микроклимата и режима поверхностных вод на застраиваемых участках приводят к изменению термовлажностного режима пород, часто сопровождаемому неравномерным по площади и глубине многолетним оттаиванием или новообразованием мерзлоты. Естественно, что именно эти изменения пород являются наиболее сильными по возможным последствиям. К значительным изменениям грунтовых толщ, очевидно, можно отнести изменения разреза, влажности и температурного режима пород сезонноталого слоя, не приводящие к многолетнему оттаиванию подстилающих отложений, однако, существенно сказывающиеся на их свойствах и на активизации инженерно-геологических процессов. Незначительные изменения грунтовых толщ в криолитозоне происходят под влиянием техногенных нарушений тепловлагообмена в сезонноталом слое, в результате которых происходящие изменения среднегодовой температуры и глубины сезонного оттаивания не сказываются на инженерно-геологической оценке подстилающих пород.

Что касается интенсификации опасных геокриологических процессов при разработке нефтегазовых месторождений, то следует учесть, что температура вскрываемых разведочными и эксплуатационными скважинами нефтегазоносных пластов обычно достигает 50-60°C. В случае же освоения районов, сложенных мощной толщей высокольдистых мерзлых пород (в частности, такие условия распространены повсеместно на севере Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции), в результате нарушений почвенно-растительного слоя и оттаивания мерзлых пород вокруг приустьевой части скважин возможно быстрое образование термокарстовых воронок глубиной до 1-1,5 м и более. Особенно катастрофический характер этот процесс приобретает при возникновении пожаров на скважинах. На некоторых месторождениях севера Западной Сибири термокарстовым просадкам были подвержены до 40-50% скважин, что создало реальную угрозу безопасности их эксплуатации. Опасными последствиями чревато формирование ореолов оттаивания пород вокруг стволов скважин. Например, в затрубном пространстве могут образоваться каверны от вытаивания крупных ледяных включений.

Другим криогенным фактором, способным привести к аварийному состоянию скважин, является вторичное промерзание ореола оттаивания. Возникающие при этом напряжения могут вызвать значительные деформации ствола и вывести скважину из строя. Вероятность этого особенно велика на месторождениях с мощной толщей низкотемпературных многолетнемерзлых пород. Кроме того в радиусе до 100-200 м от устья скважин часто происходит активизация многих геокриологических процессов (термокарста, термоэрозии, пучения, морозного растрескивания, солифлюкции), приводящая к разрушению ранее существовавших там экосистем. На участках, сложенных песками, процессы морозного иссушения способствуют развитию ветровой эрозии. В сочетании с другими техногенными воздействиями, проявляющимися в ходе обустройства месторождений, это ведет к деградации естественных ландшафтов, формированию техногенных пустошей. Уже на стадии разведки эти нарушения охватывают от 3 до 10% площади нефтегазоносных структур.

Интенсивность и масштабы проявления опасных криогенных процессов могут значительно возрасти вследствие просадки поверхности месторождений, вызванной извлечением флюидов из их недр. Особую опасность это явление представляет для месторождений, расположенных на приморских низменностях в непосредственной близости от береговой линии. Опускание поверхности провоцирует термоабразионное разрушение берегов, активизацию термокарстовых процессов, что может привести к подтоплению территории месторождения, массовой деформации инженерных сооружений. Наконец, наличие многолетнемерзлых пород резко обостряет одну из главнейших проблем нефте- и газодобывающих регионов – проблему загрязнения окружающей среды. В северных районах криолитозоны время, необходимое для разложения нефтепродуктов, достигает максимальных значений: 50 и более лет. Близкое к поверхности залегание многолетнемерзлых пород увеличивает риск быстрого загрязнения речных вод. С другой стороны, практически не защищены от загрязнения подземные воды таликов, являющиеся важным источником водоснабжения. Процессы криогенного концентрирования в слое сезонного оттаивания способствует засолению грунтов, накоплению в них токсичных веществ. Это ведет к деградации растительности, возрастанию химической агрессивности геологической среды и осложнению инженерно-геокриологических условий, общему ухудшению санитарно-гигиенической обстановки.

Опыт обустройства и эксплуатации месторождений газа на севере Западной Сибири свидетельствует о том, что, несмотря на попытки свести к минимуму техногенное воздействие на природную среду, освоение промыслов, как правило, сопровождается сравнительно быстрым и глубоким изменением геокриологических условий территории. Особенно существенны такие изменения в промзонах месторождений, кустах эксплуатационных скважин, жилых поселках, где вследствие наиболее сильных техногенных воздействий часто происходит коренное изменение теплового состояния грунтов – их многолетнее промерзание на талых участках или, наоборот, протаивание в районах развития многолетнемерзлых пород. Изменение комплекса геокриологических условий дает толчок к образованию генетически связанных (или парагенетических) рядов экзогенных геологических процессов, угрожающих устойчивости фундаментов газопромысловых сооружений.

Строительство и эксплуатация трубопроводов в криолитозоне приводит к новообразованию или активизации геокриологических процессов, развивающихся как в зоне непосредственного взаимодействия с трубопроводом, так и на прилегающей к нему территории. Эти процессы могут оказать существенное влияние на работоспособность трубопровода и быть причиной его аварий, а также нарушить экологическую устойчивость природной геокриологической среды.

Температурный режим трубопроводов в криолитозоне является основополагающим для теплового и механического взаимодействия их с мерзлыми грунтами, так как определяет направленность и интенсивность процессов промерзания-оттаивания пород, развитие криогенный процессов, напряжение в металле трубы, конструктивные решения трубопровода. В зависимости от температуры продукта участки трубопровода подразделяются на горячие, теплые и холодные. Из всех способов прокладки трубопроводов наибольшее тепловое воздействие на грунты оказывается при подземном способе прокладки трубопроводов. При транспортировке продукта с положительной среднегодовой температурой (“горячие” и “теплые” участки) вокруг трубопроводов, уложенных в мерзлые грунты, происходит дестабилизация естественных тепловых процессов и формирование ореолов оттаивания пород, размеры которых для трубопроводов диаметром 1220 и 1420 мм в зависимости от инженерно-геокриологических характеристик грунтов и температуры продукта, по данным компьютерного моделирования и натурных наблюдений, достигают 3-10 м и более за 7-10 лет эксплуатации. Наибольшая интенсивность оттаивания мерзлых грунтов наблюдается в первые 2-4 года эксплуатации, когда скорость оттаивания составляет от 1,0 – 1,8 м/год при температуре продукта 20-30° C до 0,6-1,0 м/год при температуре 5-10° C.

Строительство и эксплуатация трубопроводов приводит к активизации геокриологических процессов, развитых до их прокладки, а иногда к возникновению новых, ранее не проявлявшихся. На участках бугристых торфяников, кочковатых тундр с болотами и в понижениях рельефа по трассам газопроводов широко развивается процесс заболачивания, чему способствует избыточная влажность при оттаивании мерзлых грунтов, малая величина испарения, близость водоупора – мерзлых грунтов.

В результате техногенный геокриологических процессов, связанных с оттаиванием мерзлых грунтов, возникают значительные горизонтальные и вертикальные деформации газопроводов, приводящие к появлению напряженных участков. Отмечаются такие дефекты, как отклонение проектного положения трубы на несколько метров, вертикальные и горизонтальные арки, гофры, змейки и другие дефекты. На вдольтрассовых полосах в результате техногенных нарушений, вызванных прокладкой газопроводов и сопутствующими ей работами (уничтожение древесной растительности, повреждение мохово-растительного покрова, изменение характера снегоотложений и стока поверхностных вод и т.д.), наблюдается увеличение в 1,2-1,6 раза глубин сезонного оттаивания пород, развитие термокарстовых просадок глубиной до 1,0-2,0 м, заболачивание территории. Возрастает неравномерность пучения пород при промерзании сезонноталого слоя.

Комплекс спровоцированных техногенным воздействием деструктивных геокриологических процессов (оттаивание и осадка мерзлых грунтов, термоэрозия, разуплотнение, заболачивание и т.д.) в наибольшей степени проявляется при подземной прокладке теплых трубопроводов на льдистых мерзлых грунтах. Развитие этих процессов происходит настолько интенсивно, что эксплуатация трубопровода через несколько лет становится практически невозможной.

Для уменьшения неблагоприятного воздействия на трубопроводы техногенных геокриологических процессов используются инженерные мероприятия: устройство теплоизолирующих экранов, баллансировка или заанкеривание трубы, охлаждение грунтов сезоннодействующими охлаждающими устройствами и т.д. Однако должного эффекта эти мероприятия, как правило, не дают, и к тому же являются трудоемкими и дорогостоящими.

Наиболее радикальный путь предотвращения неблагоприятных техногенных геокриологических процессов – это постоянное сохранение мерзлого состояния грунтов вокруг трубопровода, что достигается круглогодичным охлаждением транспортируемого газа до отрицательных температур. Значительные энергетические затраты на искусственное охлаждение газа окупаются повышением пропускной способности трубопроводов и надежностью их эксплуатации.

Вместе с тем, при транспортировке газа, охлажденного до отрицательных температур, возникают новые проблемы, связанные как с промораживанием талых грунтов, пересекаемых газопроводом, так и с обратным промерзанием оттаивших при эксплуатации теплого газопровода мерзлых грунтов. Геокриологические процессы, которые при этом будут происходить, могут привести к значительным деформациям трубопровода.

В процессе строительства участка подземных газопроводов существенно нарушаются природные условия. Нарушение растительных покровов, изменение температурного режима и глубин сезонного оттаивания-промерзания пород активизируют такие геокриологические процессы, как солифлюкционное течение и термоэрозия. Нередко солифлюкция и термоэрозия развиваются совместно: термоэрозионные врезы сопровождаются солифлюкционным оплыванием больших масс грунта. Термоэрозионному размыву также способствует проходка траншеи для укладки трубопровода, которая является аккумулятором для поверхностных и надмерзлотных вод.

Проходка траншеи также приводит к частичному или полному спуску озер и новообразованию мерзлых пород в котловинах осушенных озер. Процесс промерзания при этом, как правило, сопровождается образованием сегрегационных бугров пучения, высота которых достигает 1,1-1,4 м. Увеличение мощности слоя сезонного оттаивания-промерзания, влажности пород и повышение их температуры приводит к увеличению сезонного пучения и осадки грунтов в полосе строительства в 1,1-2 раза (4-12 см/м), а в траншее в 2-5 раз (8-30 см/м) по сравнению с их величиной в естественных условиях.

Уничтожение растительности, уменьшение высоты снежного покрова до его полного удаления, транспортировка холодного газа значительно охлаждают поверхностные слои мерзлых пород. Это может привести к температурным напряжениям и образованию криогенных трещин в мерзлых грунтах, что в ряде случаев является причиной дополнительных растягивающих напряжений в холодных трубопроводах, способствующих нарушению изоляции трубы, увеличению коррозии.

Из всех видов наземной прокладки наибольшее распространение в криолитозоне получила наземная прокладка в насыпи (обваловке). Геокриологические техногенные процессы, развивающиеся на участках наземной прокладки, обусловлены как тепловым воздействием транспортируемого продукта, так и нарушениями естественных условий теплообмена и поверхностного стока при устройстве насыпи.  Формирование под трубопроводом чаши оттаивания вызывает неравномерную осадку грунтов основания и способствует деформированию насыпи (оседанию, образованию провалов и воронок, сползанию откосов). При этом надмерзлотные и поверхностные воды будут собираться в чаше оттаивания как в дрене. В случае хорошо дренированных грунтов поток надмерзлотных вод вызывает процесс подземной суффозии, сопровождающийся оседанием и разрушением тела насыпи. Если грунты под трубопроводом плохо дренированы, то эти воды могут смыть насыпь. На холодных участках трубопроводов происходит поднятие границы мерзлых грунтов в насыпь. В этом случае насыпь и труба играют роль плотины, перегораживающей сток поверхностных и грунтовых вод, особенно в паводок и половодье. Накопление этих вод в результате барражного эффекта и их фильтрация через тело насыпи приводят к ее постепенному размыву. Отмечаются также случаи разрушения насыпей в результате эрозионного размыва поверхностными водами при прохождении трубопроводов вдоль крутых склонов.

Многочисленные наблюдения, выполненные на трубопроводах, показывают, что большинство насыпей на участках наземной прокладки через 2-3 года полностью разрушаются, а труба обнажается. Учитывая, что металл труб, как правило, не рассчитан на воздействие низких зимних температур воздуха, последнее обстоятельство способствует возникновению аварийных ситуаций. Наземная прокладка трубопровода в насыпи, затрудняя сток поверхностных вод, благоприятствует обводненности и заболоченности повернхости на прилегающей территории выше трубопровода и осушению ниже его. На обводненных участках отмечается развитие термокарстовых просадок глубиной до 1,5-2,0 м, на осушенных – пучение поверхности и образование бугров пучения со скоростью 3-5 см /год.

Наибольшую сохранность природных геокриологических условий обеспечивает надземный способ прокладки трубопроводов. При надземном способе непосредственное тепловое воздействие транспортируемого продукта на мерзлые грунты практически исключается, в связи с чем проявление техногенных геокриологических процессов связано, главным образом, с техногенными нарушениями при строительстве трубопровода, при проведении ремонтных работ, а также с изменением характера снегоотложений у опор трубопровода.

Города и поселки на Севере представляют собой очаги концентрированного техногенного влияния на природную обстановку, приводящего к развитию опасных для устойчивости зданий и сооружений геокриологических процессов (термокарст, пучение, морозобойное растрескивание, наледообразование и др.). Естественно, что результат этого негативного влияния зависит как от природных условий (климатических, геокриологических, гидрогеологических), так и от интенсивности антропогенного воздействия. Последнее, как известно, сопровождается изменением теплового состояния пород и химическим загрязнением геологической среды.

Формирование температурного поля на застроенной территории зависит от интенсивности тепловой нагрузки, от сочетания и площади участков, к которым она приложена. Это, в свою очередь, определяется планировкой застройки, конструкцией и назначением сооружений, уровнем благоустройства территории и климатом. Распределение температуры в грунтах зависит еще и от механизма теплоперадачи. В подавляющем большинстве случаев передача тепла происходит за счет теплопроводности. Однако на отдельных участках, где имеются грунтовые воды, вместе с кондуктивной может быть и конвективная теплопередача. При этом изменения температуры грунта будут происходить более интенсивно.

Начиная с глубины 20-30 м, температурные изменения в грунте не зависят от характера приложения к поверхности тепловой нагрузки и определяются только ее суммарным значением. Если суммарный поток тепла в грунт через его поверхность после освоения территории окажется выше, чем до ее освоения, то на застроенной территории будет происходить деградация мерзлых толщ, а если ниже, - их аградация. При аградации мерзлых толщ усиливается интенсивность морозного пучения, морозобойного растрескивания и наледообразования, при деградации – термокарст, солифлюкция и термоабразия.

Как показывает практика строительства на вечной мерзлоте, оттаивание грунтов под зданиями часто является результатом плохой работы вентилируемых систем здания, утечек воды из труб, увеличения минерализации подземных вод; а охлаждение и промораживание – результатом очистки от снега транспортных магистралей и прилегающих к зданиям территорий, удаления растительного покрова.

Геоэкологические условия

Одним из основных дестабилизирующих факторов окружающей среды и состояния экологической обстановки на п-ове Ямал является гусеничный транспорт. Широкое применение этого транспорта для доставки грузов по бездорожью при разведочном бурении на Новопортовском, Каменномысском, Ростовцевском месторождениях привело к уничтожению почвенно-растительного покрова до 10 и более процентов на больших площадях. Таким образом, гусеницами вездеходов и тракторов перепахана вся тундра, а вдоль дорог, действующих в течение нескольких лет, тянутся "кладбища" брошенной техники. В результате техногенного нарушения поверхностного слоя изменяется его температурный режим, при этом в высокольдистых грунтах по колеям гусеничного транспорта, происходит резкая активизация термокарста, термоэрозии, солифлюкции, пучения.

Наиболее активное техногенное воздействие на окружающую среду наблюдается на площадях осваиваемых месторождений, где идет бурение скважин. По отводимой площади, буровые площадки находятся на втором месте после линейных сооружений. Производство этих работ связано с уничтожением почвенно-растительного слоя, более чем на 2/3 площади грунты перемешиваются. Буровые площадки и дороги, строящиеся на болотах, отсыпаются привозным грунтом. В настоящее время при разработке месторождений применяется кустовое бурение скважин. В данном случае увеличивается время бурения, что в свою очередь увеличивает техногенную нагрузку  на природную среду. На всех площадях осваиваемых месторождений отмечается загрязнение нефтепродуктами, буровыми растворами и химическими реагентами. Обычно загрязняющие вещества концентрируются в понижениях, приводя к гибели растительности или попадают в речную сеть по естественным стокам. Наиболее опасным источником загрязнения являются буровые растворы. Для придания им необходимых технологических свойств применяется большое количество химических реагентов, в том числе представляющих серьезную опасность для природы. В скважину подается метанол (метиловый спирт) для ликвидации возможности гидратации в газе и последующего замерзания. При бурении и испытании скважин используют различные промывочные жидкости, включающие органические и неорганические химические соединения. Наибольшее применение имеют следующие неорганические химические реагенты: едкий натр, кальцинированная сода, жидкое стекло, фосфаты и бихроматы, известь, мел, хлористый кальций и натрий и др.

Из органических соединений в буровых растворах широко используется карбонсилметилцеллюлоза, крахмальные реагенты, модифицированные лигнины, естественные и синтетические танины, а также реагенты на основе полимеров и реагенты специального назначения. Наряду с буровыми растворами на водной основе в отдельных случаях применяют растворы на углеводородной основе (дизтопливо, нефть). В среднем на бурение одного погонного метра скважин расходуется (кг): цемента - до  85, бария – 4, химических реагентов - до 6. Некоторые из выше перечисленных реагентов обладают значительной токсичностью, однако, для них до настоящего времени не установлены допустимые концентрации и лимитирующие показатели вредности. Химическое загрязнение (сброс и утечка промстоков, технических жидкостей, минерализованных вод, веществ искусственного происхождения и т.п.)  оказывает влияние в первую очередь на растительный покров, что выражается в выпадении из растительного сообщества отдельных видов и деградации сообщества либо к полному разрешению последнего. Разрушение растительности и активизирует экзогенные и криогенные процессы, к растеплению грунта может привести и попадание на грунт некоторых жидкостей или веществ либо попадание в грунт химреагентов имеющие отрицательную фазовую температуру и переводящие грунты в физически талое состояние даже при отрицательных температурах грунтов.

После окончания бурения на буровых площадках в больших количествах остаются пакеты с неиспользованными химическими и буровыми реагентами, емкости с барием и буровой глиной, бочки из-под ГСМ, емкости  из-под сыпучих и жидких веществ. Содержащиеся в них вещества создают ореолы распространения вредных химических компонентов, которые в условиях арктического климата и малого стока поверхностных вод сохраняются годами, отравляя вокруг ближайшие водоемы. Буровые растворы и буровые сточные воды являются одним из основных источников загрязнения ОС при бурении скважин.

Для подготовки добываемого газа к дальнейшей транспортировке строятся установки комплексной подготовки газа. При строительстве УКПГ площадь отчужденных земель в большинстве случаев в несколько раз превышает проектную. Только на одной УКПГ происходит нарушение почвенно-растительного слоя на площади около 15 га. При работе УКПГ применяются следующие химикаты: метанол, диэтиленгликоль, силикогель (состоящий из SiO2), используемые для осушки, очистки и разделения, иониты – для удаления накипи в котлах, KCl – для уравновешивания пластового давления.

Из-за недостаточной герметизации систем сбора, транспорта и хранения, легкие углеводороды теряются в результате испарения, загрязняя воздух.

Специфика геохимических процессов на исследуемой площади обусловлена наличием многолетнемерзлых пород, действующих как механический и температурный барьеры. Для района характерны аккумуляция твердых и жидких продуктов техногенеза на низкотемпературных, восстановительных и седиментационных барьерах, накопление их в водоемах и в донных отложениях. По данным геохимического опробования почвы, донных отложений, растительности и воды на буровых площадках и в поселках отмечаются повышенные содержания цинка, свинца, никеля, хрома, бора, стронция, по некоторым элементам превышающие ПДК в десятки раз. Наибольшее химическое загрязнение отмечается на Ростовцевской, Новопортовской, Каменномысской площадях Ямала.

На других  участках загрязнение выражено в меньшей степени, хотя в отдельных местах отмечаются повышенные содержания ряда элементов. По данным биогеохимического опробования наиболее загрязненными участками являются Ростовцевская и Новопортовская площади, где в пробах растительности содержание Zn достигает 10-15 г/кг; Pb – 1,5-10; CO – 0,1-0,3; Ba – 1,0; Sr – 1,0-1,5; Mn – до 10. Угнетенная и видоизмененная растительность хорошо видна на спектрозональных снимках в виде темно-бурых и бурых пятен неправильной формы.

Основным источником загрязнения водоемов являются стоки от буровых скважин, эксплуатация всех видов транспортных средств, бытовые сточные воды населенных пунктов. В пробах воды зафиксированы следующие загрязняющие элементы: Ba, Zn, Cu, Pb, Ni, Mn, Cr, Co, Nb, W, Sn, Y, Cd, Sr, Ti.

Благоприятная оценка экологической опасности характерна только для ненарушенных ландшафтов, где протекает естественный ход развития природы. Сюда же относятся территории с редкими зимниками, единичными дорогами и следами проезда гусеничного транспорта.

К геоэкологическим комплексам с удовлетворительной оценкой экологической опасности отнесены территории разведанных углеводородных месторождений, где число пробуренных скважин невелико, и дорожная сеть в местах их расположения существенно не влияет на экологическое состояние окружающей среды. В числе техногенных объектов на таких территориях отмечаются: отдельные строения, брошенные бочки, трактора, отдельные емкости с буровой глиной, барием, буровыми реагентами, кучи затвердевшего цемента. Все эти объекты не создают серьезной химической нагрузки на окружающую среду, ввиду незначительности занимаемых ими площадей.

Таблица 3. Среднее содержание элементов в пробах почв (мг/кг)

Элемент

Cu

Zn

Pb

Ni

Co

Cr

U

Mo

Ag

Mn

Ямал

13,5

53,9

45,2

23,1

15,2

334,0

64,7

0,0001158

0,0000057

788,7

Междуречье Пур-Таз

25,1

13,2

8,6

6,7

2,7

32,0

57,0

0,00007

0,000008

413,0

Элемент

Sn

Ba

Ti

Li

Nb

Y

Zr

Ge

Ga

P

Ямал

3,7

1188,6

7114

24,0

14,0

22,4

427,0

0,4

18,1

385,4

Междуречье Пур-Таз

1,4

980,0

4240

15,7

6,1

5,4

193,0

0,5

5,6

900,0

Элемент

Sr

Be

La

Cе

Cd

Hg

W

Sc

Ямал

66,9

0,5

8,7

-

0,2

0,1

1,3

7,9

Междуречье Пур-Таз

28,0

0,5

-

-

-

0,032

-

1,4

К геоэкологическим комплексам с напряженной оценкой экологической опасности на Ямале отнесены площади месторождений УВ, на которых продолжается редкое разведочное бурение (Ростовцевское, Каменномысское, Новопортовское). По степени техногенного воздействия Н.С.Берендеев в 1993 г. оценивал экологическую обстановку на этих территориях как кризисную из-за большого количества пробуренных здесь разведочных скважин, более 10 % пораженности почвенно-растительного покрова под воздействием механической нагрузки, сильного химического загрязнения на отдельных буровых площадках, развития различных экзогенных процессов. Однако к настоящему времени площадки буровых скважин практически восстановили первоначальный облик, и лишь на незначительной их части имеются следы механического повреждения почв. Экзогенные геологические процессы стабилизировались. Следы гусеничного транспорта заросли вторичной растительностью. Количество емкостей из под химических и буровых реагентов, мешков с барием, буровой глиной и цементом, бочек из-под ГСМ невелико, но содержащиеся в них вещества создают точечные ореолы распространения вредных химических компонентов, которые в условиях арктического и субарктического климата и чрезвычайно малого стока поверхностных и подземных вод сохраняются годами, отравляя окружающую среду, загрязняя не только почвы, но и ближайшие водоемы.

На Ямале, как кризисные оцениваются районы поселков Новый Порт и Мыс Каменный, где сосредоточены основные емкости и хранилища ГСМ, бурового оборудования, глины, жидких и сыпучих реагентов. Наиболее опасными в экологическом отношении являются промышленные и бытовые свалки, для которых характерна высокая концентрация вредных химических веществ и отходов производства.

Так как большая часть территории не способна к самовосстановлению и подвержена сильным изменениям геологической среды под влиянием техногенных нагрузок, необходимо проведение природоохранных мероприятий.

5.5           Оценка геокриологических условий Ямала

По мнению профессионалов нефтегазовой отрасли, в случае освоения новых нефтегазовых провинций, около 80% всех затрат приходится на подведение к месторождениям необходимой трубопроводной инфраструктуры. Сложность геокриологических условий полуострова Ямал обуславливает либо дорогостоящее проведение полностью надземной прокладки газопроводов, либо поиск альтернативных технологических решений. Одно из таких решений, предлагаемое Газпромом, - это обустройство в районе месторождения Харасавэй постоянной базы, откуда будет производиться освоение ресурсов, как газоконденсатных месторождений суши Ямала, так и расположенные в непосредственной близости месторождений шельфа Карского моря. В рамках этого решения, планируется удешевление проекта за счет прокладки газопровода по дну мелководной Байдарацкой губы от газотранспортной инфраструктуры в районе Салехарда до вышеобозначенной базы. Поэтому геокриологические расчеты приведены непосредственно для грунтов казанцевской свиты второй-третьей морских террас, которые наиболее распространены в районе побережья Карского моря.

Оценка возможности начала развития термокарстового процесса

Задача: определить возможность образования термокарста по суглинистым породам казанцевской свиты (m3III – морские отложения казанцевского-ханмейского горизонта третьей террасы) около устья реки Харасавэй (западное побережье центрального Ямала) в случае увеличения среднегодовой температуры воздуха на 1°, 2° и 3° соответственно, если известно, что с глубины 1,5 м залегают грунты с большим количеством шлирового льда.

Естественные климатические условия характеризуются следующими среднемноголетними данными:  tв = -8,7°; Ав=21° (среднегодовая амплитуда колебаний температур воздуха); zсн=0,5 м (мощность снежного покрова в зимнее время); rсн=0,22 г/см3(средняя многолетняя плотность снега для территории). Грунты в слое сезонного оттаивания представлены суглинками с w=30%; wн=7%; γск=1200 кг/м3; Суд=0,19 ккал/кг•град; λт=1,0 ккал/м•час•град.

Решение:

1) Определяем температурный режим t0 и глубину сезонного оттаивания пород  ξот в условиях до повышения среднегодовой температуры воздуха:

 (объемная теплоемкость породы)

 ккал/м3град;

  (затраты тепла на фазовые переходы воды в породе)

, ккал/м3;

Δtсн = 21·0,259=5,4˚ (значение 0,259 взято из таблицы значений величины () в зависимости от высоты h, плотности ρ и коэффициента температуропроводности α снежного покрова [12]); t0= -8,7+5,4=-3,3˚;  A0=21-5,4 = 15,6˚.

По номограммам для расчета глубин сезонного оттаивания ξ из пособия  В.А. Кудрявцев “Основы мерзлотного прогноза при инженерно-геологических исследованиях” стр. 108 [12] определяем:   ξ = 1,4 м.

2) при повышении среднегодовой температуры воздуха на 1˚ C:

t0= -8,7+5,4=-2,3˚;  A0=21-5,4 = 15,6˚

А глубина сезонного оттаивания суглинков в этом случае возрастает до ξ = 1,6 м;

3) при повышении среднегодовой температуры воздуха на 2˚ C:

t0= -8,7+5,4=-1,3˚;  A0=21-5,4 = 15,6˚

А глубина сезонного оттаивания суглинков в этом случае возрастает до ξ = 1,75 м;

4) при повышении среднегодовой температуры воздуха на 3˚ C:

t0= -8,7+5,4=-0,3˚;  A0=21-5,4 = 15,6˚

А глубина сезонного оттаивания суглинков в этом случае возрастает до ξ = 2 м;

Таким образом, в отсутствии изменений среднегодовой температуры воздуха глубина сезонного оттаивания не достигает глубины залегания льдистых грунтов, а при увеличении ее на 1˚, 2˚ или 3˚C оттаивание захватывает льдистый горизонт, что ведет к образованию термокарста, интенсивность которого закономерно возрастает при повышении среднегодовой температуры.

Заключение

В результате произведенных исследований были сделаны следующие выводы:

1.      В результате прогнозируемого в течение последующих 20-30 лет увеличения мирового спроса на углеводороды, нефтегазовые месторождения полуострова Ямал ожидает масштабное освоение (прогнозируемая сумма инвестиций для полного освоения региона оценивается аналитиками в 200 млрд. долларов);

2.      Подготовка и эксплуатация этих месторождений резко увеличит степень техногенной нагрузки на дисперсные многолетнемерзлые грунты территории, что приведет к интенсификации комплекса сложных геокриологических процессов. Результатом этих процессов может быть ущерб хозяйственной и транспортной инфраструктурам, что приведет к увеличению издержек и уменьшению рентабельности соответствующих предприятий нефтегазового комплекса (Газпром, НоваТЭК, ряд др. независимых добытчиков природного газа и газоконденсата);

3.      Не вдаваясь в полемику сторонников и противников концепции глобального потепления, отметим, что в соответствии с результатами климатического моделирования ИГКЭ РАН, к концу XXI столетия среднегодовая температура на севере Западной Сибири (в том числе на Ямале) возрастет на 4-6º С, что также приведет к усилению негативного влияния геокриологических процессов на объекты хозяйственной инфраструктуры.

4.      Эффект синергии от последствий глобального потепления и увеличения техногенной нагрузки на территории полуострова Ямал способен нарушить хрупкий баланс, что приведет к интенсификации в том числе термокарста, термоабразии, солифлюкции и др. Характер этих изменений оценен количественно в разделе 5.5 на примере развития термокарста в результате увеличения глубины сезонного оттаивания при росте среднегодовых температур воздуха с учетом отепляющего воздействия снежного покрова (на основе приближенного аналитического метода В.А. Кудрявцева);

5.      Однако, до середины XXI столетия не следует ожидать катастрофических последствий интенсификации геокриологических процессов на Ямале, так как: во-первых, мощность криолитозоны на полуострове в среднем превышает 200 м и средняя температура составляющих ее многолетнемерзлых пород (с объемной льдистостью, как правило, более 20%) -3º C, что обуславливает огромные энергозатраты на достижение 0º C и фазовые переходы; во-вторых, в соответствии с третьим законом Фурье, глубина проникновения температурных колебаний зависит от периода колебаний и их амплитуды, поэтому даже резкий рост среднегодовой температуры воздуха на поверхности Земли отражается на глубине с существенным запаздыванием. Расчеты для криолитозоны Западной Сибири по формуле Фурье (без учета фазовых переходов) приведены в разделе 5.3;

6.      К 2075 году, когда характер деградации криолитозоны полуострова достигнет катастрофического уровня, большая часть запасов месторождений углеводородов будет извлечена (с учетом прогнозируемых 200 млрд. м3 годовой добычи и 13,6 трлн. м3 разведанных запасов природного газа 26 месторождений на суше полуострова). Что касается газоконденсатных месторождений шельфа Карского моря с ресурсной базой более 28 трлн. м3 природного газа, по опыту Штокмановского проекта предполагается транспортировать эти ресурсы до потребителей в виде СПГ,  что снижает роль газопроводной инфраструктуры, включающей в себя по мнению экспертов около 80% затрат на освоение полуострова Ямал.  Более того, к 2075 году прогнозируется массовый переход на использование водородных топливных элементов, возобновляемые источники энергии и технологический прорыв в области термоядерного синтеза. Последние способны резко уменьшить потребление углеводородов в качестве источника энергии, ограничив их использование нефтехимическим производством.

Литература

A.     Опубликованная

1.                                          Гидрогеология СССР. Том XVI.  Западно-Сибирская равнина. – М., Недра 1970, 368 с.

2.                                          Глобальное потепление: Доклад Гринпис. Под ред. Дж. Леггетта. – М., Изд. МГУ, 1993, 272 с.

3.                                          Гончарова Ю. Мост меж Уралом и Сибирью // Эксперт-Ямал, октябрь 2005, с. 6-8.

4.                                          Гончарова Ю. Полюс роста // Эксперт-Ямал, октябрь 2005, с. 10-14.

5.                                          Ершов Э.Д.  Общая геокриология. – М., Недра 1990,  559 с.

6.                                          Жигарев Л.А. Океаническая криолитозона. – М., Изд-во МГУ, 1997, 320с.

7.                                          Комаров И.А. Термодинамика и тепломассобмен в дисперсных мерзлых породах. – М., Научный мир, 2003, 608 с.

8.                                          Крицук Л.Н. Специфика геокриологических условий нефтегазовых месторождений Западной Сибири // Разведка и охрана недр, № 10, 2004, с. 65-70.

9.                                          Крицук Л.Н., Дубровин В.А. Карты геокриологического районирования как основа геоэкологической оценки осваиваемой территории криолитозоны // Разведка и охрана недр №7, 2003, с. 12-15.

10.                                      Лейбман М.О. Динамика слоя сезонного оттаивания пород и методика измерения его глубины в различных ландшафтах Центрального Ямала // Криосфера Земли, 2001, т. V, №3, с. 17-24.

11.                                      Мерзлотоведение (краткий курс). Под редакцией В.А. Кудрявцева. – М., Изд-во МГУ, 1981, 240 с.

12.                                      Оценка мерзлотного прогноза при инженерно-геологических исследованиях. Под редакцией В.А. Кудрявцева. – М., Издательство МГУ, 1974, 432 с.

13.                                      Полуостров Ямал (инженерно-геологический очерк). – М., Изд-во МГУ,1975, 277 с.

14.                                      Природные опасности России: геокриологические опасности. – М., Издательская фирма «Крук», 2000, 316 с.

15.                                      Розенбаум Г.Э., Шполянская Н.А. Позднекайнозойская история криолитозоны Арктики и тенденции ее будущего развития. – М., Научный мир, 2000, 104 с.

16.                                      Романовский Н.Н. Основы криогенеза литосферы. – М., Изд-во МГУ, 1993, 336 с.

17.                                      Стрелецкая И.Д., Лейбман М.О. Криогеохимическая взаимосвязь пластовых льдов, криопэгов и вмещающих их отложений Центрального Ямала // Криосфера Земли, 2002, т. VI, №3, с. 15-24.

18.                                     Matthew Paterson  Global warming and global politics. – New York, Taylor&Francis e-Library, 2003, 238 p.

B.     Фондовая

19.                                      Государственная Геологическая Карта Российской Федерации. Масштаб 1:1000 000 (новая серия). Лист R-(40)-42 – о. Вайгач - п-ов Ямал. Объяснительная записка. СПб, Издательство Санкт-Петербургской Катрографической Фабрики ВСЕГЕИ, 2000, 357 с. + 5 вкл.

20.                                      Государственная Геологическая Карта Российской Федерации. Масштаб 1:1000000 (новая серия). Лист R-43-(45) – Гыдан - Дудинка. Объяснительная записка. СПб, Издательство Санкт-Петербургской Катрографической Фабрики ВСЕГЕИ, 2000, 187 с. + 9 вкл.

C.    Интернет

21.                                      Ежеквартальный отчет ОАО «Газпром» за II квартал 2005 года