Геотермический критерий оценки устойчивости многолетнемерзлых пород слоя годовых теплооборотов

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 (G_k) для оценки степени влияния изменения климата на температурный режим пород слоя годовых теплооборотов. G_k выражается через безразмерный температурный симплекс t* = (t _i /T_e) 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.

1. Железняк 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/KZ20210104

2. Балобаев 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.

3. 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.2009.06.009

4. Romanovsky 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.2006.07.022

5. Zhelezniak 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.1226.2021.20027

6. Павлов А.В. Мониторинг криолитозоны. Новосибирск: Гео; 2008. 229 с.

7. 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.

8. 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.

9. Шyp Ю.Л. Bepxний гopизoнт тoлщи мepзлыx пopoд и тepмoкapcт. Hoвocибиpcк: Hayкa; 1988. 210 c.

10. 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.2020.73.31.017

11. Гаврильев 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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)

15. 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.

16. 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.

17. 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/jaes0-34379

18. Zhang 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.1000-8241.2013.04.005

19. Niu 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.2016.10.007

20. Pankov 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/202236301039

21. Цытович 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.)

22. 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_19

23. Хименков А.Н., Гагарин В.Е. Подходы к изучению деформаций в многолетнемерзлых грунтах. Арктика и Антарктика. 2022;(2):36–65. https://doi.org/10.7256/2453-8922.2022.2.38229

24. 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.37455

25. Вялов С.С. Реологические основы механики мерзлых грунтов. М.: Высшая школа; 1978. 447 с.

26. Гаврильев П.П. Критерии оценки состояния и устойчивости криогенных агроландшафтов в современных условиях. Наука и образование. 2007;(4):87–92.

27. 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.

28. 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)

29. 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.

30. 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/10.25018/0236-1493-2020-10-0-133-141