resarПриродные ресурсы Арктики и СубарктикиArctic and Subarctic Natural Resources2618-97122686-9683Академия наук Республики Саха (Якутия)10.31242/2618-9712-2024-29-4-543-552resar-594Research ArticleНауки о Земле. Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведениеEarth sciences. Engineering geology, permafrost and soil scienceГеотермический критерий оценки устойчивости многолетнемерзлых пород слоя годовых теплооборотовGeothermal criterion for assessing the stability of frozen soils in seasonally active permafrosthttps://orcid.org/0000-0002-5924-876XГалкинА. Ф.GalkinA. F.

Галкин Александр Федорович, доктор технических наук, главный научный сотрудник

Scopus Author ID: 56559565600

г. Якутск

Galkin Aleksandr Fedorovich, Dr. Sci. (Eng.), Chief Researcher

Scopus Author ID: 56559565600

Yakutsk

 

afgalkin@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4124-6579ЖелезнякМ. Н.ZheleznyakM. N.

Железняк Михаил Николаевич, доктор геолого-минералогических наук, член-корреспондент РАН

ResearcherID: J-2544-2018, Scopus Author ID: 22959266400

г. Якутск

Zheleznyak Mikhail Nikolaevich, Dr. Sci. (Geol. and Mineral.), Corresponding Member of the Russian Academy of Sciences

ResearcherID: J-2544-2018, Scopus Author ID: 22959266400

Yakutsk

fe1956@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6721-5338ЖирковА. Ф.ZhirkovA. F.

Жирков Александр Федотович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник

ResearcherID: J-1225-2018, Scopus Author ID: 56226280600

г. Якутск

Zhirkov Aleksandr Fedotovich, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher

ResearcherID: J-1225-2018, Scopus Author ID: 56226280600

Yakutsk

zhirkov_af@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4399-0943БалутаВ. И.BalutaV. I.

Балута Виктор Иванович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник

г. Москва

Baluta Victor Ivanovich, Cand. Sci. (Eng.), Senior Researcher

Moscow

vbaluta@keldysh.ruИнститут мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАНРоссияMelnikov Permafrost Institute, Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут прикладной математики им. М.В. Келдыша РАНРоссияKeldysh Institute of Applied Mathematics of Russian Academy of SciencesRussian Federation202426122024294543552Copyright © Галкин А.Ф., Железняк М.Н., Жирков А.Ф., Балута В.И., 20242024Галкин А.Ф., Железняк М.Н., Жирков А.Ф., Балута В.И.Galkin A.F., Zheleznyak M.N., Zhirkov A.F., Baluta V.I.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://resar.elpub.ru/jour/article/view/594

Начиная с девяностых годов прошлого столетия существенно возросла изменчивость климата, стали прослеживаться различные климатические аномалии. На территории криолитозоны и примыкающих регионов наметилась устойчивая тенденция к повышению температуры воздуха, что негативно сказывается на состоянии многолетнемерзлых пород. В связи с этим актуальной становится оценка термической устойчивости многолетнемерзлых пород при современном изменении климата. Предложен геотермический критерий (Gk) для оценки степени влияния изменения климата на температурный режим пород слоя годовых теплооборотов. Gk выражается через безразмерный температурный симплекс t* = (t i /Te) и критерий Фурье. Геотермический критерий предназначен для интерпретации данных, полученных методом термометрии в скважинах. Теоретически обоснована целесообразность использования предложенного критерия на практике, показаны его достаточная универсальность и принципиальная возможность применения для интерпретации данных многолетних натурных наблюдений за формированием температурного режима пород в слое годовых теплооборотов.

Since the 1990s, climate variability has significantly increased, revealing various climatic anomalies. A clear trend of rising air temperatures has been observed in the permafrost zone and its adjacent areas, adversely affecting the state of frozen soils. Consequently, it is becoming increasingly important to assess the thermal stability of frozen soils in light of current climate change. As a result, it is becoming increasingly crucial to evaluate the thermal stability of these frozen soils in the context of ongoing climate change. A geothermal criterion (Gk) is suggested to assess the impact of climate change on the temperature regime of frozen soils in areas with seasonally active permafrost. (Gk) is represented through a dimensionless temperature simplex t* = (t i /Te) and the Fourier criterion. It is intended to analyze experimental data from geothermal permafrost research collected via borehole thermometry. The theoretical basis for the practical use of this proposed criterion has been established, showing its broad applicability and significant potential for interpreting data from long-term in-situ observations of temperature regime development in frozen soils within seasonally active permafrost.

геотермический критерийизменение климататемпература грунтовмноголетнемерзлые породыдеятельный слойслой годовых теплооборотовкриолитозонаgeothermal criterionclimate changesoil temperaturepermafrostactive layerseasonally-active permafrostpermafrost zoneРаботы выполнены в рамках бюджетного проекта «Тепловое поле и криогенная толща Северо-Востока России. Особенности формирования и динамика» (НИОКТР № 122011800062-5); расширение подходов и верификация данных осуществлены за счет гранта Российского научного фонда № 23-61-10032 «Разработка методов гибридного интеллекта для решения задач диагностики состояния объектов инфраструктуры в районах Крайнего Севера на базе высокопроизводительных вычислительных систем».This study was conducted within the framework of the budgeted project “Thermal field and cryogenic layer of the North-East of Russia. Features of formation and dynamics” (No. 122011800062-5); Expanding approaches and verifying data was supported by the Russian Science Foundation, Grant No. 23-61-10032, Development of Hybrid Intelligence Methods for Solving Problems of Infrastructure Assessment in the Far North on the Basis of High-Performance Computing Systems”.ReferencesЖелезняк М.Н., Чжан Р.В., Шепелёв В.В. и др. Институт мерзлотоведения имени П.И. Мельникова СО РАН на рубеже 60-летия со дня образования. Криосфера Земли. 2021;25(1):55–68. https://doi.org/10.15372/KZ20210104Zheleznyak M.N., Zhang R.V., Shepelev V.V., et al. The Melnikov permafrost institute, Siberian branch, Russian Academy of Sciences at the turn of its 60th anniversary. Earth’s Cryosphere. 2021;25(1):55–68. (In Russ). https://doi.org/10.15372/KZ20210104Балобаев В.Т. Исследование тепловых полей в криолитозоне Якутии (итоги, проблемы, перспективы). В кн.: Каменский Р.М., Шепелев В.В. (ред.) Итоги геокриологических исследований в Якутии в XX веке и перспективы их дальнейшего развития, г. Якутск, 9–11 октября 2001 г. Якутск: Издательство Института мерзлотоведения СО РАН; 2003. С. 4–12.Balobaev V.T. Study of thermal fields in the permafrost zone of Yakutia (results, problems, prospects). In: Kamensky R.M., Shepelev V.V. (eds.) Results of geocryological studies in Yakutia in the 20th century and prospects for their further development, Yakutsk, October 9–11, 2001. Yakutsk: Melnikov Permafrost Institute SB RAS Publishing House; 2003, pp. 4–12. (In Russ.)Balobayev V.T., Skachkov Yu.B., Shender N.I. Forecasting climate changes and the permafrost thickness for Central Yakutia into the year 2200. Geography and Natural Resources. 2009;30(2):141–145. https://doi.org/10.1016/j.gnr.2009.06.009Balobayev V.T., Skachkov Yu.B., Shender N.I. Forecasting climate changes and the permafrost thickness for Central Yakutia into the year 2200. Geography and Natural Resources. 2009;30(2):141–145. https://doi.org/10.1016/j.gnr.2009.06.009Romanovsky V.E., Sazonova T.S., Balobaev V.T., et al. Past and recent changes in air and permafrost temperatures in eastern Siberia. Global and Planetary Change. 2007;56(3-4):399–413. https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2006.07.022Romanovsky V.E., Sazonova T.S., Balobaev V.T., et al. Past and recent changes in air and permafrost temperatures in eastern Siberia. Global and Planetary Change. 2007;56(3-4):399–413. https://doi.org/10.1016/j.gloplacha.2006.07.022Zhelezniak M., Kirillin A., Zhirkov A., et al. Permafrost distribution and temperature in the Elkon Horst, Russia. Sciences in Cold and Arid Regions. 2021;13(2): 107–122. https://doi.org/10.3724/SP.J.1226.2021.20027Zhelezniak M., Kirillin A., Zhirkov A., et al. Permafrost distribution and temperature in the Elkon Horst, Russia. Sciences in Cold and Arid Regions. 2021;13(2): 107–122. https://doi.org/10.3724/SP.J.1226.2021.20027Павлов А.В. Мониторинг криолитозоны. Новосибирск: Гео; 2008. 229 с.Pavlov A.V. Monitoring of the permafrost zone. Novosibirsk: Geo; 2008. 229 p. (In Russ.)Zheleznyak M.N., Zhizhin V.I., Shipitsyna L.I., et al. Database of permafrost conditions of the Aldan anteclise of the Siberian craton. Database registration certificate. RU 2016620539 dt. 27.04.2016.Zheleznyak M.N., Zhizhin V.I., Shipitsyna L.I., et al. Database of permafrost conditions of the Aldan anteclise of the Siberian craton. Database registration certificate. RU 2016620539 dt. 27.04.2016.Zheleznyak M.N., Zhizhin V.I., Shipitsyna L.I., et al. Database of permafrost conditions of the Vilyui syneclise. Database registration certificate. RU 2016620833 dt. 21.06.2016.Zheleznyak M.N., Zhizhin V.I., Shipitsyna L.I., et al. Database of permafrost conditions of the Vilyui syneclise. Database registration certificate. RU 2016620833 dt. 21.06.2016.Шyp Ю.Л. Bepxний гopизoнт тoлщи мepзлыx пopoд и тepмoкapcт. Hoвocибиpcк: Hayкa; 1988. 210 c.Shur Yu.L. Upper horizon of the permafrost and thermokarst. Novosibirsk: Nauka; 1988. 210 p. (In Russ.)Железняк М.Н., Федоров А.Н. Устойчивость природных систем и инженерных сооружений в Арктике и Субарктике. Экономика Востока России. 2020; 12(1):49–55. https://doi.org/10.25801/SRC.2020.73.31.017Zheleznyak M.N., Fedorov A.N. Resilience of engineering constructions and linear transport systems in the arctic and subarctic region. Economy of the East of Russia. 2020;(1):49–55. (In Russ.) https://doi.org/10.25801/SRC.2020.73.31.017Гаврильев П.П., Угаров И.С., Ефремов П.В. Криогенные процессы и изменение устойчивости пород ледового комплекса в Центральной Якутии при современном изменении климата и нарушении поверхности. Наука и образование. 2005;(4):84–87.Gavriliev P.P., Ugarov I.S., Efremov P.V. Cryogenic processes and changes in the stability of rocks of the ice complex in Central Yakutia under modern climate change and surface disturbance. Nauka i Obrazovanie. 2005;(4): 84–87. (In Russ.)Калиничева С.В., Федоров А.Н. Прогноз изменения температуры мерзлотных ландшафтов при удалении напочвенного покрова. В кн.: Пахомова Л.С., Саввинова А.Н., Кривошапкина О.М. и др. (ред.) География и краеведение в Якутии и сопредельных территориях Сибири и Дальнего Востока, г. Якутск, 25–26 марта 2022 г. Якутск: Издательство Северо-Восточного федерального университета имени М.К. Ам мосова; 2022. С. 40–44.Kalinicheva S.V., Fedorov A.N. Forecast of changes in the temperature of permafrost landscapes when the ground cover is removed. In: Pakhomova L.S., Savvinova A.N., Krivoshapkina O.M., et al. (eds.) Geography and local history in Yakutia and adjacent territories of Siberia and the Far East, Yakutsk, March 25–26, 2022. Yakutsk: North-Eastern Federal University Publishing House; 2022, pp. 40–44. (In Russ.)Федоров А.Н. Динамика мерзлотных ландшафтов Якутии в условиях современных изменений климата. В кн.: Железняк М.Н., Шепелев В.В., Чжан Р.В. (ред.) Устойчивость природных и технических систем в криолитозоне, г. Якутск, 28–30 сентября 2020. Якутск: Издательство Института мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН; 2020. С. 28–31.Fedorov A.N. Dynamics of permafrost landscapes of Yakutia under conditions of modern climate change. In: Zheleznyak M.N., Shepelev V.V., Zhang R.V. (eds.) Stability of natural and technical systems in the permafrost zone, Yakutsk, September 28–30, 2020. Yakutsk: Melnikov Permafrost Institute SB RAS Publishing House; 2020, pp. 28–31. (In Russ.)Гунар А.Ю., Хрусталев Л.Н., Хилимонюк В.З. и др. Методика выбора проектных решений по прокладке линейной части нефтепровода в мерзлоте. Криосфера Земли. 2017;21(6):97–108. https://doi.org/10.21782/KZ1560-7496-2017-6(97-108)Gunar A.Yu., Khrustalev L.N., Khilimonyuk V.Z., et al. The method of selecting of project solutions for laying the linear part of oil pipeline in permafrost. Earth’s Cryosphere. 2017;21(6):84–94. https://doi.org/10.21782/EC1560-7496-2017-6(84-94)Шестернев Д.М., Литовко А.В., Чжан А.А. Опыт проектирования и строительства на участке «ледовый комплекс» Амуро-Якутской железнодорожной магистрали. Наука и образование. 2017;86(2):28–33.Shesternev D.M., Litovko A.V., Chzhang A.A. Individual experience of design and construction at the “ice complex” of Amur-Yakutsk Railway. Nauka i Obrazovanie. 2017;(2):28–33. (In Russ.)Чжан А.А., Шестернев Д.М., Чжан Т.Р. Мероприятия по стабилизации температурного поля в основании насыпи Амуро-Якутской железной дороги. Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова. Серия «Науки о Земле». 2017;(3):43–53.Zhang A.A., Shesternev D.M., Zhang T.R. Measures for temperature field stabilization at the base of the AmurYakutsk railway embankment. Vestnik of NorthEastern Federal University. Earth Sciences. 2017;(3):43–53. (In Russ.)Galkin A.F., Pankov V.Yu. Thermal Protection of Roads in The Permafrost Zone. Journal of Applied Engineering Science. 2022;20(2):395–399. https://doi.org/10.5937/jaes0-34379Galkin A.F., Pankov V.Yu. Thermal Protection of Roads in The Permafrost Zone. Journal of Applied Engineering Science. 2022;20(2):395–399. https://doi.org/10.5937/jaes0-34379Zhang X., Feng Sh., Chen P., et al. Thawing settlement risk of running pipeline in permafrost regions. Oil & Gas Storage and Transportation. 2013;(6):365–369. https://doi.org/10.6047/j.issn.1000-8241.2013.04.005Zhang X., Feng Sh., Chen P., et al. Thawing settlement risk of running pipeline in permafrost regions. Oil & Gas Storage and Transportation. 2013;(6):365–369. https://doi.org/10.6047/j.issn.1000-8241.2013.04.005Niu F., Li A., Luo J., et al. Soil moisture, ground temperatures and deformation of a high-speed railway embankment in Northeast China. Cold Region Sciences and Technology. 2017;(133):7–14. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2016.10.007Niu F., Li A., Luo J., et al. Soil moisture, ground temperatures and deformation of a high-speed railway embankment in Northeast China. Cold Region Sciences and Technology. 2017;(133):7–14. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2016.10.007Pankov V.Yu. The problem of mechanical loads on pavement of roads in the cryolithic zone. E3S Web of Conferences. 2022;363:1–12. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202236301039Pankov V.Yu. The problem of mechanical loads on pavement of roads in the cryolithic zone. E3S Web of Conferences. 2022;363:1–12. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202236301039Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов. М.: Высшая школа; 1973. 448 с. Tsytovich N.A. The Mechanics of Frozen Soils. Moscow: Vysshaya shkola Publ.; 1973. 448 p. (In Russ.)Tsytovich N.A. The Mechanics of Frozen Soils. Moscow: Vysshaya shkola Publ.; 1973. 448 p. (In Russ.)Guofang Xu, Jilin Qi, Wei Wu. Temperature effect on the compressive strength of frozen soils: a review. In: Wei Wu (ed.) Recent Advances in Geotechnical Research. Springer Series in Geomechanics and Geoengineering. Cham: Springer; 2019, pp. 227–236. https://doi.org/10.1007/978-3-319-89671-7_19Guofang Xu, Jilin Qi, Wei Wu. Temperature effect on the compressive strength of frozen soils: a review. In: Wei Wu (ed.) Recent Advances in Geotechnical Research. Springer Series in Geomechanics and Geoengineering. Cham: Springer; 2019, pp. 227–236. https://doi.org/10.1007/978-3-319-89671-7_19Хименков А.Н., Гагарин В.Е. Подходы к изучению деформаций в многолетнемерзлых грунтах. Арктика и Антарктика. 2022;(2):36–65. https://doi.org/10.7256/2453-8922.2022.2.38229Khimenkov A.N., Gagarin V.E. Approaches to the study of deformations in permafrost soils. Arctic and Antarctic Research. 2022;(2):36–65. (In Russ.) https://doi.org/10.7256/2453-8922.2022.2.38229.Вахрин И.С., Кузьмин Г.П., Спектор В.В. Деформационные характеристики оттаивающих грунтов естественного сложения. Успехи современного естествознания. 2020;(8):37–42. https://doi.org/10.17513/use.37455Vakhrin I.S., Kuzmin G.P., Spektor V.V. Thaw deformation characteristics of undisturbed soils. Advances in Current Natural Sciences. 2020;(8):37–42. (In Russ.). https://doi.org/10.17513/use.37455Вялов С.С. Реологические основы механики мерзлых грунтов. М.: Высшая школа; 1978. 447 с.Vyalov S.S. Rheology of frozen soil mechanics. Moscow: Vysshaya shkola Publ.; 1978. 447 p. (In Russ.)Гаврильев П.П. Критерии оценки состояния и устойчивости криогенных агроландшафтов в современных условиях. Наука и образование. 2007;(4):87–92.Gavriliev P.P. Criteria for assessing the state and stability of cryogenic agricultural landscapes in modern conditions. Nauka i Obrazovanie. 2007;(4):87–92. (In Russ.)Жирков А.Ф., Варламов С.П., Железняк М.Н. Результаты годичного цикла наблюдений температурного режима грунтов в естественных условиях и при нарушении покровов. В кн.: Материалы пятой конференции геокриологов России. Часть 5. Динамическая геокриология. Геокриологические процессы и явления, г. Москва, 14–17 июня 2016 г. М.: Университетская книга; 2016. С. 52–58.Zhirkov A.F., Varlamov S.P., Zheleznyak M.N. Results of the annual cycle of observations of the temperature regime of soils under natural conditions and when the cover is disturbed. In: Proceedings of the Fifth Conference of Permafrost Scientists of Russia. Part 5. Dynamic geocryology. Geocryological processes and phenomena, Moscow, June 14–17, 2016. Moscow: Universitetskaya Kniga; 2016, pp. 52–58. (In Russ.)Чжан А.А., Ашпиз Е.С., Хрусталев Л.Н. и др. Новый способ защиты мерзлых грунтов основания насыпи от оттаивания. Криосфера Земли. 2018; 22(3):67–71. https://doi.org/10.21782/KZ1560-7496-2018-3(67-71)Zhang A.A., Ashpiz E.S., Khrustalev L.N., et al. A new way for thermal stabilization of permafrost under railway embankment. Earth’s Cryosphere. 2018; 22(3): 59–62. https://doi.org/10.21782/EC2541-9994-2018-3(59-62)Ашпиз Е.С., Хрусталев Л.Н., Емельянова Л.В. и др. Использование синтетических теплоизоляторов для сохранения мерзлотных условий в основании железнодорожной насыпи. Криосфера Земли. 2008;12(2): 84–89.Ashpiz E.S., Khrustalev L.N., Emelyanova L.V., et al. Using of synthetical thermal insulators for conservation of frozen soil conditions in the base of railway embankment. Earth’s Cryosphere. 2008;12(2):84–89. (In Russ.)Галкин А.Ф., Курта И.В., Панков В.Ю. Сравнение теплового потока в горных выработках плоской и сферической симметрии. Горный информационно аналитический бюллетень (технический журнал). 2020;(10):133–141. https://doi.org/10.25018/0236-1493-2020-10-0-133-141Galkin A. F., Kurta I.V., Pankov V.Yu. Comparison of heat flows in underground openings of plane and spherical symmetry. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2020;(10): 133–141. (In Russ.). https://doi.org/10.25018/0236-1493-2020-10-0-133-141.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.