Криогенные ресурсы России

СТЕНОГРАММА публичной лекции академика РАН Владимира Павловича МЕЛЬНИКОВА на 19-м выпуске Трибуны Академии наук в Политехническом (Москва, 31 января 2008 г.)
Академик Гурий Иванович МАРЧУК
Дорогие друзья, коллеги!
В этом году исполнилось бы 100 лет выдающемуся ученому и организатору науки академику Павлу Ивановичу Мельникову. Удивительна судьба
этого человека в раннем детстве оставшегося без родителей и воспитанного в детском доме под Санкт-Петербургом в п. Гатчино. Лишь немногим детдомовцам удалось, пройдя через многочисленные лишения, дойти до широчайшего признания и заслуженных наград.
Я знал Павла Ивановича практически со времени создания Сибирского отделения АН СССР, когда на Президиуме был поставлен вопрос о
создании Института Мерзлотоведения в г.Якутске. В то время в 60 – году было принято решение о переводе Московского академического Института Мерзлотоведения им. Обручева в г. Красноярск, как – бы поближе к объекту исследований. В итоге Институт исчез из АН СССР сначала в академию строительства и архитектуры, а затем и вовсе в Госстрой РСФСР под новым названием ПНИИИС.
Только Павлу Ивановичу удалось сохранить академический институт, но теперь уже в Якутске в составе Сибирского Отделения. Этот институт в настоящее время носит имя его создателя.
Долгие годы мы были связаны с Павлом Ивановичем работой в Отделении океанологии, физики атмосферы и географии. Я не переставал удивляться
энергии Павла Ивановича особенно при отставании интересов мерзлотоведения. Он много сил отдавал развитию региональной сети научно-исследовательских станций, международной деятельности, масштабным конференциям. При создании международной ассоциации по мерзлотоведению он был избран первым ее президентом в 1983 г.
Что меня особенно взволновало при воспоминании о Павле Ивановиче, так это Норильский комбинат, постройки там, в тундре, затем непрерывные его поездки в Канаду и во все те страны, которые связаны с мерзлотой. Именно его усилиями там создана индустрия, которая в дальнейшем
заработала и дала действительно замечательные результаты. Я не знаю ни одного крупного города на Севере и нет ни одного из богатейших месторождений полезных ископаемых, которые мы сейчас используем, чтобы они не были связаны с участием этого гениального человека.
В этом юбилейном году будут проведены несколько разномасштабных мероприятий в память о П.И.Мельникове, в том числе в Якутске, Тюмени и на Аляске в Фэрбэнксе, где он и был избран президентом МАМ 25 лет назад.
Что меня больше всего потрясло в последние годы, когда я имел дело академиком Павлом Ивановичем Мельниковым? Я спросил его: “Что Вам больше
всего хочется сделать ещё?”. Он ответил: “Тоннель между Чукоткой и Аляской!” К сожалению, это не удалось ему сделать, хотя он был избран этими двумя нашими странами главным идеологом по созданию этого уникального тоннеля. И он бы сделал это… Но у него есть уникальная возможность сделать это через своих детей, внуков. Потому что это исключительно важная проблема и для нас и для всего мира!
Сегодня предоставляя трибуну в Политехническом его сыну академику Владимиру Павловичу Мельникову мы отдадим долг памяти достойному
гражданину России Павлу Ивановичу Мельникову.
Владимир Павлович – выдающийся мерзлотовед, активно работающий, является директором Института криосферы Земли СО РАН в Тюмени, имеет ещё широкие связи фактически со всей Сибирью. Если учесть название его лекции, которая посвящена всем проблемам криосферы, является замечательным человеком и подвижником нашего Севера.
Я думаю, дорогие друзья, мы должны оценить, что именно эти два человека сделали для нашей страны, для того, чтобы мы могли разрабатывать
богатства Севера. За 75 лет академической династией Мельниковых сделано так много, что перечислить всё невозможно. Но, я думаю, что этот доклад превнесёт вам понимание, что такое наш Север и что такое наука о криосфере.
Я Вас прошу…
Академик Владимир Павлович МЕЛЬНИКОВ
- Вы знаете, в юбилейный год первого академика в науке мерзлотоведение Павла Ивановича Мельникова самое время рассказать о криосфере Земли, том объекте, которому он посвятил более 60 лет своей жизни. Он начинал трудиться ещё на первом БАМе в 32-м году. И вот закончил жизнь в 94-м году, занимаясь непрерывно проблемами Севера, криолитозоной, или зоной распространения многолетнемёрзлых пород, и вообще всей криосферой Земли.
Он очень много сил отдал созданию региональной сети мерзлотных станций – в Якутии, Красноярском крае и Магаданской области. И вообще говоря, он боролся до конца за интересы в науке, за издание научного журнала, за создание нового института, который я сейчас возглавляю в Тюмени – Института
криосферы Земли. О криосфере рассказывать россиянам надо с детства. Потому что, как ни для кого другого в мире, для россиянина криосфера – среда нашего обитания. Из индустриально развитых стран мы самая холодная страна в мире! А вообще только Монголия опережает нас по суровости климата. И вот особенно сейчас, в рыночной экономике, когда нам приходится конкурировать в глобальном мире, этот аспект – холодность климата, огромная территория, занятая мерзлотой – конечно, является фактором, который играет против нас, поскольку на одного россиянина энергии для жизнеобеспечения надо в 5 раз больше, чем для одного француза, не говоря уже про одного китайца, сингапурца или японца …
В прошлом году исполнилось 80 лет со дня издания первого научного труда Михаилом Ивановичем Сумгиным, который он назвал “Вечная мерзлота
почвы в пределах СССР”. С этого момента – 1927-го года, мы исчисляем по существу рождение нашей науки. То есть в прошлом году было 80 лет науки Мерзлотоведения, или как потом стали называть её Геокриологии. Предисловие к этой книжке написал соратник Михаила Ивановича – Павел Иванович Колосков, тоже известный в нашем научном мире человек. И я вам просто хочу зачитать, что же он там написал:
Нельзя ограничиться рассмотрением вечной мерзлоты почвы лишь как чрезвычайно интересного естественноисторического явления. Это явление охватывает 7 млн. квадратных километров, т.е. треть территории Союза, и по совокупности свойств представляет явление, глубоко отрицательное с практической точки зрения. Конечной задачей должно явиться уничтожение мерзлоты объединёнными усилиями науки и техники”.
Вот, видите, 80 лет назад ставилась задача уничтожить по существу последствия глобального похолодания.
А вот у меня в руках только что вышедшая у нас книжка нобелевского лауреата Альберта Гора, которая называется “Неудобная правда”. На самой первой страничке он пишет: “Мы обладаем всем необходимым, чтобы приступить к преодолению климатического кризиса, за исключением, пожалуй, политической воли. Однако, в Америке политическая воля – возобновляемый ресурс”. То есть вот 80 лет спустя, по словам Альберта Гора, мир приступил к ликвидации последствий глобального потепления. Прошло всего 80 лет! Может быть, для людей этот срок большой, а, для истории нашей планеты, вообще говоря, это некий миг. И рассматривать, вот в размерности мига такие вопросы, как глобальное потепление или оледенение – это, вообще говоря, смешно. Потому что иногда эти природные явления сравнимы с продолжительностью геологических эпох.
Но даже и в историческое время похолодания и потепления случались столько раз, что, наверное, всех их и не перечислить, но о кое-каких я вам расскажу…
Михаил Иванович Сумгин… Сама по себе книга по содержанию просто прекрасная! И она для нас является по существу примером, как надо писать хорошие книги о серьёзных делах и достаточно понятным языком. Павел Иванович Мельников работал с Михаилом Ивановичем вплоть до его смерти.
Мерзлотоведов было мало, в крайне трудных условиях они проводили научные исследования и добывали фактические данные о своем
специфическом, срытом от непосредственного наблюдения объекте, но не унывали. Технические средства изучения мерзлоты были примитивными. Ручным инструментом долго бурили скважину глубиной 10-20 метров. А для того, чтобы быстрее пройти эти метры, всегда сажали лаборантов (ну, а в данном случае двух начальников посадили, в том числе и Павла Ивановича) для утяжеления.
Оледенения планеты начинается с полюсов. Это два прекрасных вида. Они являются очень хорошей иллюстрацией наземного и подземного элементов
криосферы Земли в Арктике. Околополярное оледенение является важным индикатором динамики криосферы Земли. Подземное оледенение планеты не менее важный показатель динамики криосферы в настоящее время и на протяжении всего периода существования криолитозоны. Есть реликтовые криогенные толщи, которые свидетельствуют о том, что на участках их распространения климат был устойчиво суровым. Например, мощный подземный лёд на Ляховских островах, где многие десятки метров льда, сформировавшегося в плейстоцене, перекрыты сверху лишь тонким слоем грунтов (рис.7). Безусловно, такие толщи, чрезвычайно чувствительны к воздействию человека.
Вот иллюстрация того, сколько же льда в криосфере (таблица 1).
Возьмём даже просто ледниковый покров. Вы видите, что основной лёд сосредоточен у нас в Антарктиде. В ледниках Антарктиды собрано 90% всего льда планеты, 9% – это Гренландия, и только 1% на все остальные ледники мира…
Вот мороз и солнце – хорошая иллюстрация вечной борьбы тепла и холода…: На краю Земли у полюса, где царят холод и бескрайние льды, и солнце -
бессильно. А это растительность в изморози. Представляете себе, если посчитать всю поверхность этих листочков, этих иголочек, травинок, которые
покрыты льдом по существу, и вот, при потеплении-похолодании, какая огромная энергия выделяется. То есть обледеневшая растительность – мощнейший аккумулятор холода. Все ледники, все покровные снега и льды и то, что оседает на растительности.
Таблица 1
Глобальные оценки количества льда в криосфере Земли
Вид льда Площадь, км2 Объем, км3
Многолетнемерзлые породы 8 • 10 6 (0,2-0,5) • 10 6
Ледниковый покров
Антарктиды 14 • 10 6 28 • 10 6
Гренландии 1,8 • 10 6 2,7 • 10 6
Горные ледники, включая арктические острова 0,45 • 10 6 0,16 • 10 6
Морской лед
Южное полушарие:
минимум 2,5 • 10 6 5 • 10 3
максимум 19 • 10 6 5 • 10 4
Северное полушарие:
минимум 8 • 10 6 1,7 • 10 4
максимум 14 • 10 6 3,7 • 10 4
Ну, а вот это, конечно, не снимок из космоса. Это моя супруга так умеет “образно” фотографировать с помощью “монокля”. Это просто оптический обман, но вы видите, как Земля и ее криосфера очень хорошо здесь показаны.
Снежный покров, и постоянный, и сезонный играет большую роль в сохранении криосферы. Например, в апреле, за счет снега, альбедо которого к
этому времени сокращается в 5 раз, Земля теряет около 5000 кал/см2.
Масштаб такого “охлаждающего” влияния впечатляет – огромные территории континентов северного полушария заняты снегом.
От риторического вопроса “Есть ли жизнь на Марсе?!” человечество перешло к систематическому его изучению. И вы знаете, что два аппарата, “Первопроходец” и “Патруль”, они сделали огромное количество снимков, получена колоссальная информация о поверхности Марса, которая сейчас порождает массу новых идей и даёт нам представления о том, что было на ранней истории развития Земли… Следующий слайд. Имеются следы, возможно, водных потоков на Марсе, они отчётливо выражены. По крайне мере полученные изображения имеют сходство с дистанционными материалами съемок поверхности некоторых районов Земли. Неоспоримым криогенным явлением и основным элементом криосферы Марса
следует признать полярную шапку. На одном из последних собраний Академии наук президент Академии Юрий Сергеевич Осипов открытие мерзлоты на Марсе назвал одним из крупнейших научных открытий.
На снимках с далёкого Титана также имеется что-то похожее на земные процессы: окатанные валуны, потоки, акватории. Но на самом деле там
температура, близкая к абсолютному нулю, и все эти потоки – жидкий метан. А кислорода там нет…
Но вот почему же нам так хорошо живётся на Земле? И почему мы не можем найти себе подобных нигде – ни в Солнечной системе, ни в галактиках?
Это следствие удачного положения Земли в Солнечной системе (таблица 2)!
Таблица 2
Основные характеристики планет Солнечной системы
Планета Диаметр, км Расстояние от Солнца, млн. км
Меркурий 4 878 58
Венера 12 103 108,5
Земля 12 756 150
Марс 6 788 228,6
Юпитер 143 000 780
Сатурн 120 500 1 431
Уран 51 000 2 877
Нептун 49 500 4 509
Плутон 2 300 5 916
Земля и Венера, соседки и по существу одинаковые по размеру, но на Венере дневная температура +500 0С градусов, а атмосфера – это
серная кислота и водяной пар. Ненамного дальше от Солнца, по сравнению с Землей, Марс. Он поменьше по размерам, но там ледниковый период. На Марсе температура изменяется в диапазоне от +20 0С до минус 125 0С. И атмосферы практически нет. Итак, только Земля удачно расположена по отношению к Солнцу, только у неё вода находится в трёх фазовых состояниях – газообразном, жидком и твёрдом…
К вопросу о том, что такое история Земли и криосферы. Прежде всего, это история чередования тёплых и холодных периодов в развитии. Самым
первым за последние два с половиной миллиарда лет был теплый период, который длился 1 миллиард 200 млн. лет. После этого таких длительных
тёплых периодов уже не было, происходило чередование тёплых и холодных периодов, эпох оледенений и межледниковий …
На протяжении четвертичного периода потепления были даже в ледниковом периоде – плейстоцене. Но и в голоцене, наблюдались такие смены
климата, то есть современная геологическая эпоха – непрерывные циклы потепления и похолодания разной длительности и интенсивности. Последнее существенное похолодание, во время которого наблюдалось увеличение площади оледенения в горах Европы, происходило в историческое время – 1430-1840 годы. Эта эпоха названа Малым ледниковым периодом, который закончился уже после смерти Пушкина…
Таблица 3
Оледенения и похолодания в плейстоцене и голоцене
Эпоха Регион
Плейстоцен
Гренландское оледенение 600 тыс. лет назад Гренландия
Дунайское оледенение 970, 855, 685 тыс. лет назад Европа
Гюнцское (Альпийское) оледенение 595 – 545 тыс. лет назад Западная Европа, Русская платформа, Сибирь, Канада
Миндельское оледенение 490-430 тыс. лет назад Англия, Голландия, Германия
Рисское оледенение 280-180 тыс. лет назад Северная Америка, Урал, Сибирь, Европа
Вюрмское (Валдайское), Демьянское, Самаровско-тазовское, Зырянское,
Сартанское оледенения
120-115, 75-50, 45-25, 23-10 (6) тыс. лет назад Европа, Северная Америка, Русская равнина, Сибирь
Голоцен
Похолодание 5,5-4,5 тыс. лет назад Северное полушарие
Похолодание 3 тыс. лет до н.э. Северное полушарие, Антарктида
Похолодание II-VII век Антарктида
Малый ледниковый период 1430-1840 год Северное полушарие
За последние 10 000 лет существенно менялась толщина ледников в Исландии и Норвегии, они исчезали только в голоценовом оптимуме.
О каком глобальном потеплении может идти речь, когда мы все ещё живём в одном из периодов оледенения?! Ведь самый крупный цикл, определяющий развитие оболочек Земли – это галактический год. И он длится 217-220 миллионов лет. При этом ее галактическая зима продолжается 35 млн. лет, галактическая весна и осень – 56 млн. лет, и галактическое лето – 79 млн. лет. Сейчас Земля в фазе галактической зимы, и ещё многие миллионы лет будет находиться в этих зимних галактических условиях. Есть много циклов, обусловленных, как космическими, так и планетарными причинами и особенностями, с разной амплитудой и периодом. Они могут совпадать или не совпадать по знаку, т.е. усиливать или компенсировать тенденции потепления или похолодания климата планеты. Имеются опубликованные данные о продолжительности блокирования паковыми арктическими льдами берегов Исландии.
Периоды похолодания и потепления, продолжительностью 30-60 лет, приводят либо к блокированию, либо разблокированию берегов Исландии.
Шестидесятилетние циклы, которые подтверждаются многими фактами, связывают с влиянием Юпитера и Сатурна. Влияние 30-летних, 35-летних и 11-летних циклов широко известно. Изменения климата закономерны, при этом циклически чередуются потепления и похолодания …
Стоит обратить внимание на отклонения температуры от современной и на колебания высоты ледников Скандинавии. Температура во время
климатического оптимума, на протяжении которого отмечалось длительное (тысячелетия) потепление, по сравнению с температурой второй половины ХХ в., была теплее всего на 3 градуса. В наше же время здесь ледники, т.е. более холодный, чем тогда период. И о каком глобальном потеплении может идти речь?!..
Значение динамики криосферы для развития и существования жизни на Земле огромно – к началу либо окончанию периодов оледенения на границе
потепления-похолодания происходили периодические перестройки биосферы, когда большая часть родов вымирала. Интересно, что все современные крупные горные системы достигли своей максимальной величины за последние 3 млн. лет, даже Гималаи. Для мерзлотоведов это очень важно, т.к. площадь горной мерзлоты непрерывно росла. Во многих горных системах современная мерзлота может быть распространена существенно ниже абсолютных отметок, где климатические условия, обеспечивают ее формирование и сохранение, например, под снежниками. Наличие криосферы и
суровость условий предъявляет особые требования к биологическим системам, что имеет эволюционное значение. Во время последнего оледенения возникли и гомениды, наши предшественники, очевидна и связь оледенений с появлением млекопитающих на Земле. Это очень интересная проблема. Правда, она для другой науки…
130 с лишним лет назад австро-венгерский исследователь, открыватель Земли Франца-Иосифа, Карл Вейпрехт (Karl Weyprecht) предложил
объединить усилия для исследования Севера. Эта идея была воплощена в 1882-1883 гг. в период, который назвали Первым Международным Полярным Годом. По единой программе изучались солёность морей и океанов, оледенение, магнитные поля и в том числе, систематическое изучение полярных сияний …
Следующей важной вехой международного сотрудничества по изучению полярных стран стал 1932-1933 – 2-й Международный полярный год, когда у
нас было создано максимальное количество полярных станций и зимовок. Одну из экспедиций возглавлял тогда Отто Юльевич Шмидт. Во время комплексных экспедиций и работ исследована была в основном Арктика и прилегающие к ней районы…
Был ещё один, в общем-то, Международный полярный год, но который имел другое название – Международный геофизический год. Это 1957-1958-й
гг., когда основные силы были брошены на изучение Антарктиды. Однако мерзлотоведы в это время получили важные данные выполняя исследования на хребте Сунтар-Хаята. Итак, получилось, что два международных полярных года проводились в периоды потепления климата, а два – похолодания. Так что имеется много материалов о состоянии криосферы и при потеплении, и при похолодании…
Около 65% территории России занято многолетнемёрзлыми породами (ММП), но они не все одинаковы по своему строению и характеру распространения. В России ММП сплошного распространения занимают 53%, прерывистой – 15%, массивно-островной 19% и островной 13% от общей площади криолитозоны.
Все ресурсы, которыми мы сегодня живы, а это 75% полезных ископаемых России, находятся на Севере. Поэтому, в переносном, правда, смысле,
они тоже являются “холодными” ресурсами, поскольку мы их добываем в крайне суровых условиях. Это нефть и газ, алмазы, золото, олово, уголь и др.… Горные выработки, пройденные в вечной мерзлоте, просто потрясают своими размерами (Нерюнгринский угольный разрез, карьеры-разработки алмазоносных трубок и т.д.).
Мерзлота Центральной Якутии интересна и археологам. Они выдвинули гипотезу, что первые люди появились на севере – в Якутии, чуть ли ни миллион лет назад. Правда, следует отметить, что эта идея оспаривается… Однако рисунки на скалах и находки в виде фигурок, которые относятся к более поздним эпохам, свидетельствуют о том, что древний человек жил и творил в суровых условиях.
Интересно, что в те древние времена, девушки, очевидно, жили в условиях похолодания климата, адаптируясь к нему, носили такие же одежды, как и наши современницы-северянки.
Залежи подземных льдов распространены по всему Арктическому побережью России. Такие залежи часто обнажаются по берегам рек и озер на Ямале и
Гыданском полуострове. Следует особо отметить, что сегодня приступили к освоению месторождений Ямала, с которыми связаны надежды страны и газовой промышленности. Ведется проектирование объектов, уже в 2014 году собираются начать промышленную добычу и транспорт ямальского газа. Кроме пластовых льдов на Ямале распространены засоленные многолетнемерзлые и охлажденные породы, которые в качестве оснований для сооружений имеют слабую несущую способность. Широко развиты и активны криогенные процессы. Аналогов опыта освоения районов с такими
крайне сложными инженерно-геокриологическими условиями в мире нет. Поэтому всё, что связано с Ямалом, конечно, необходимо изучать и проводить эксперименты, строить строго по научным рекомендациям… Иначе освоение месторождений грозит разрушением природы полуострова Ямал…
Образование залежей подземного льда тесно связано с криогенными процессами. Например, с криогенным растрескиванием, проявления которого не
бросаются в глаза при наземных работах, но хорошо видны в иллюминаторы самолета или вертолета при полетах над лесотундрой и тундрой Сибири. Сверху хорошо видно, что возникает, сетка, такая же, как бывает в пустыне Сахара с высохшей после ливневых дождей почвой, т.е. почва трескается, и когда высыхает, и когда замерзает. В возникающих трещинах может происходить формирование полигонально-жильных льдов, достигающих большой мощности. В криосфере на обводненных участках в трещины попадает вода, которая, замерзая, превращается в клинья (жилы), так формируются системы повторно-жильных подземных льдов. При многократных повторениях таких процессов в ледниковый период на обширных пространствах приморских низменностей Северо-Востока жилы росли и сливались в ледовый комплекс, который называют едома. Тогда здесь были так называемые
мамонтовые степи. Вообще крупные животные паслись на этих степях. И загадочно вымерли. В местах, где имеются залежи подземных льдов при их вытаивании возникают термокарстовые озера. Так удивляют порой произведения криосферы, например, в хребте Токинский Становик на юго-востоке Якутии есть озеро в форме сердца, возникшее в результате подпруды горного ручья мореной растаявшего в троговой долине ледника. Не менее уникальны наледи, которые часто формируются в местах разгрузки подземных вод криолитозоны и сохраняются все лето. Прекрасный Байкал тоже находится в зоне влияния криосферы. Горы, которые окружают озеро Байкал, сверху сложены мёрзлыми породами, внизу – сезонно мёрзлыми. И чистая вода озера во многом обязана этому непрерывно работающему криогенному реактору. То есть грунтовые воды промерзают, оттаивают и стекают… Талые воды, фильтруясь через тела мощных и многочисленных курумов, стекают в Байкал ежегодно. И так миллионы лет. Поэтому это озеро
практически самое чистое в России и содержит 20% мировых запасов пресной воды…
И здесь тоже криогенные процессы, которые приводят к очищению воды. И всё это сопровождается такими красивыми видами…По площади бассейна в десятку самых крупных рек мира входят наши российские четыре реки: Амур, Лена, Енисей и Обь.
По годовому стоку только Лена и Енисей попали в десятку крупнейших. Водные ресурсы наших северных рек обеспечиваются, прежде всего, тем,
что с юга на север они протекают по мёрзлым породам. Только за счет многолетней криолитозоны все, что выпадает в их бассейнах в виде снега и дождя попадает в реки. И только потому они многоводные такие, что имеется мёрзлый водоупор, вода не имея возможности фильтроваться вниз, идёт в ручьи, речки и большие реки…
В пределах Западно-Сибирской низменности, где хорошо проявляется широтная зональность, по мере уменьшения суровости климатических
условий с севера на юг сменяют друг друга зоны различные по характеру распространения ММП. Для полуостровной части этой территории (Ямал, Гыданский и Тазовский полуострова) характерно сплошное распространение мерзлоты, здесь криогенные толщи занимают 90—100% площади, в зоне прерывистого распространения мерзлоты – 50-90%, южнее которой развито массивно-островное распространение мерзлоты, где многолетнемерзлые породы представлены на 10-50% территории, зона редко-островного распространения мерзлоты находится на широтах Нижневартовска и
Сургута, здесь развитые с поверхности современные ММП занимают до 10% площади.
Под зонами с прерывистыми в плане современными криогенными толщами залегает реликтовая мерзлота, ее сохранение не поддерживается современным климатом. В результате освоения северных территорий, особенно в Западной Сибири (у нас же это наиболее индустриальный район) мы всё-таки воздействуем на многолетние мёрзлые породы. Например, если не принимать специальных мер по теплоизоляции, то добывающие скважины – источник постоянного теплового воздействия на вмещающие многолетнемерзлые породы. Нарушение условий теплообмена на поверхности приводит к повышению температуры ММП и деформации фундаментов наблюдаются на Медвежьем месторождении. В книге Р.И.Вяхирева (это бывший
начальник Газпрома) приводятся такие цифры, что во всех отказах по технологическим причинам в Газпроме самые сильные, самые высокие ранги отказов – от воздействия многолетних мёрзлых пород. Вы видите, потери добычи от этих отказов 29%. Буквально в прошлом году было заседание научно-технического совета Газпрома, где были показаны огромные потери. Я даже не назову вам цифру…Не знаю, может быть, это секрет, но многие миллиарды рублей на то, чтобы восстановить горизонтальное положение газопроводов, т.е. это бюджеты небольших и даже средних городов России…
Деформации сооружений происходят из-за процессов неравномерного пучения и осадки грунтов. Во многих северных городах – там, где как раз не
сплошная мерзлота, некоторые здания построены сразу и на талых и на мёрзлых породах. И это тоже является причиной деформаций и здания трещат… Л.Н.Хрусталёв, профессор Московского университета, говорит, что при нынешних темпах потепления все здания, построенные до 2003 года, должны пострадать к середине века.
Следовательно, если не принимать специальных мер, то у нас будет жилищная катастрофа… Газопроводы в зимнее время, покрыты снегом, во время паводка – водой. Фазовые переходы приводят к тому, что участки изменяются до неузнаваемости – деформации и искривление трубопроводов, озера и овраги вокруг этих сооружений…
Наш институт проводит исследования, что же происходит там, в действительности в этот тёплый цикл и в целом с мёрзлыми породами. Вот участок
Уренгойского месторождения, где мы в 1977-м году провели площадное исследование теплового состояния, и потом повторили то же самое через 20 лет в 1997-м году.
Как показали наблюдения, где-то на 1-1,5 градуса потеплело в толще мёрзлых пород. Имеется влияние тёплого климатического цикла на верхние горизонты ММП. И мы это доказали мониторинговыми исследованиями… Если сравнивать различные типы воздействия, то линейные сооружения сильнее других влияют на тепловое состояние ММП и окружающую среду.
На территории Бованковского месторождения, где к 2014 году начнётся добыча газа, развиты криогенные оползни разной природы, термокарст и
другие криогенные процессы. Именно поэтому при создании каждого объекта требуется научное сопровождение. Вообще всё строительство на Ямале должно носить экспериментальный характер, там нельзя строить по общим меркам!… Например, по всему Северу стоят огромные ёмкости, грунтовые основания которых теряют несущую способность, для обеспечения их устойчивости применяют термостабилизаторы. В настоящее время устройства, использующие ресурсы атмосферного холода для повышения криогенного потенциала ММП, выпускаются в промышленных масштабах. Они
способны защитить ММП от тепловых потоков техногенного происхождения и тем самым предотвратить развитие опасных криогенных процессов в основаниях сооружений, т.е. исключить деформации пучения или осадки их фундаментов.
ФГУП Фундаментпроект в Москве и ООО НПО Фундаментстройаркос в Тюмени развивают идеи, которые были заложены Лонгом (американским исследователем; он, кстати, жив до сих пор) в сороковые годы, но на более высоком научно-техническом уровне. В Тюмени создан завод – настоящая индустрия по выпуску усовершенствованных устройств и специально разработанных систем температурной стабилизации в широком ассортименте. Вот это тоже СОУ. Под Тюменью действует испытательный полигон, где мы совместно с ООО НПО “Фундаментстройаркос” исследуем особенности режима и специфику их действия в натурных условиях. Вот это тоже элемент этого испытания… В Тюмени нет вечной мерзлоты. Поэтому, чтобы провести исследования на полигоне, приходится замораживать ранее талые породы.
Особенностью является то, что обычно испарительная часть систем ГЕТ и ВЕТ находится под землей, а здесь она на поверхности. Такие системы нужны для зданий больших размеров и там, где установить отдельно стоящие термостабилизаторы невозможно. Для аккумуляции атмосферного холода в таких системах используют конденсаторные блоки, которые устанавливают за пределами зданий и сооружений.
Область применения таких устройств и систем – сооружения, которые были спроектированы без учета специфики свойств ММП либо эксплуатировались с погрешностями – стоками тепла в грунты основания, а также участки нового строительства с особо сложными инженерно-геокриологическими условиями. Например, здание Салехардского аэровокзала. Это колоссальное сооружение, основание которого в процессе строительства стало оседать. Были применены устройства и системы ООО НПО Фундаментстройаркос, что помогло сохранить аэровокзал от разрушения… Эти современные криотехнологии, которые позволяют и сократить инвестиционные затраты за счет понижения себестоимости нулевых циклов и повысить эксплуатационную надёжность сооружений, разработать меры по охране окружающей среды и криогенных экосистем …
Динамика некоторых криогенных ресурсов имеет геополитическое значение. Вы знаете, что у нас колоссальная протяжённость арктических берегов. И
эти берега в настоящий период постоянно разрушаются. Следующий слайд. Это разрушение носит периодический характер. В Восточной Сибири есть участки, где за год берега отступают в год на 50 и более метров. А учитывая, что это многие тысячи километров арктического побережья, сложены высокольдистыми мёрзлыми породами, мы теряем значительные территории только из-за криогенных процессов…
Одно из наиболее актуальных и в научном, и в ресурсном планах новых направлений – газовые гидраты. Природные газогидраты были открыты только в 1979 году. Патент на открытие получили академики Трофимук и Черский, а также их коллеги Макагон и Сорокина. С тех пор началось и продолжается активное исследование этого явления, гидратообразования. Ну, образно говоря, гидрат – что это такое? – это льдоподобное образование, где на 1 объём воды приходится 160-180 объёмов газа. То есть специфическое образование из газа и льда. Но естественно при воздействии тепла он разрушается и газ выделяется. Очень много разговоров о том, что при потеплении, при таянии мерзлоты огромные количества газа метана будут выделяться в атмосферу, создавая, так называемый, парниковый эффект. Но это в случае сильного потепления. Хотя вы знаете, что постоянно небольшие количества, а иногда и значительные, газа выходят из Земли. Это происходит и при сезонных колебаниях температуры – в процессе сезонного протаивания и промерзания отложений. Газ поступает в водоём, а иногда даже в зимнее время, если пробить лунку в озере, то оттуда идёт поток газа, который можно поджечь и получить факел. Мы в лабораторных условиях проводим эксперименты, изучаем кинетику гидратообразования.
Данные разных авторов о том, сколько же газа находится в газовых гидратах значительно отличаются. Надо сказать, что первые оценки были
завышены, то есть, считалось, что газовых гидратов в сотни раз больше, чем природного газа (таблица 4). Ну, а сейчас, после более серьёзных исследований, оценки таковы, что газа в газовых гидратах примерно столько же, сколько природного газа… Природные газовые гидраты ранее были зафиксированы на Севере, на дне Черного моря в последнее время они были обнаружены и на дне Байкала.
Таблица 4
Глобальная оценка количества метана в газовых
гидратах Мирового океана
Количество метана в гидратах, куб. м Авторы, год Доказанные запасы природного газа в мире, куб.м Количество метана в атмосфере Земли, куб.м
5*1015 –2,5* 1016 Трофимук и др, 1977 2*1015 (6-7)*1012
7,6*1018 Добрынин и др., 1981
2,1*1016 Kvenvolden,1988
2,1*1016 McDonald,1990
1*1015 Гинсбург, Соловьев, 1995
7*1015 Holbrook et all., 1996
2*1014 Соловьев, 1999
2,5*1015 Milkov, 2004
Наши исследования последних лет связанны с микроорганизмами, которые сохраняют своё жизнеспособное состояние в мерзлоте. Первое сообщение о
том, что в мерзлоте были обнаружены небольшие организмы, которые при оттаивании вдруг ожили относится к 1936 году, когда журнал Nature (Природа) опубликовал данные нашего учёного Каптерева о том, что на реке Большой Невер на глубине 3,5 метра им был найден маленький рачок, который в тепле ожил. Потом были почти фантастические надежды на то, что из туш мамонтов, которых в хорошей сохранности находят в мерзлоте, может быть выделено нечто, которое потом приведёт к тому, чтобы мамонтов можно было вернуть в биосферу Земли. Но эти фантазии пока ещё не
сбылись. Второе после Каптерева серьёзное сообщение поступило в 1971 году, когда наш биолог Абызов обнаружил жизнеспособные бактерии во льдах Антарктиды. Ну а после, это уже в 90-е годы, наши коллеги из Пущино начали систематическое изучение микроорганизмов в мерзлоте. И были получены большие успехи.
Но вот в нашем Институте криосферы Земли мы пошли немножко дальше и попытались посмотреть: а как же эти древние жизнеспособные микроорганизмы могут повлиять на современные биологические системы?! То есть, раз они так долго могут сохранять жизнеспособное состояние (миллионы лет!), то, видимо, у них есть механизм восстановления структуры клеток, а значит восстановления ДНК, для поддержания
ДНК в неразрушенном состоянии. Может быть, этот механизм пригоден и для увеличения жизни современных биологических систем. И мы начали такие исследования. Взяли пробы на Мамонтовой горе в Якутии в обнажении очень древних многолетнемерзлых пород, возрастом от 3,5 млн. лет. Привезли эти образцы в Тюмень, выделили из них микроорганизмы, реликтовые. Не все удалось их расшифровать, но для одного из видов была расшифрована полностью ДНК. И это оказался вид, неизвестный ранее науке. Сейчас он находится на регистрации. У этого вида даже нет пока названия. Год назад начали работать с этим новым видом микроорганизма, добытым из мерзлоты. Попытались создавать питательные среды,
которыми кормили (как обычно биологи начинают все исследования) мушек-дрозофил, одноклеточных инфузорий и линейных мышей. На всех этих трёх объектах мы получили почти фантастический результат…
Вот штамм выделенный – бактерии, которые растут при отрицательных температурах. Они росли у нас в течение 5 месяцев… Оказалось, что
если кормить мушек большим количеством этих реликтовых микроорганизмов, то большинство из них сразу умирает; если уменьшить дозу, то они увеличивают среднюю продолжительность жизни. По существу уже не сами микроорганизмы, а питательные среды, т.е. продукты деятельности этих реликтовых микроорганизмов, оказались по существу элексиром долголетия. Дрозофилы у нас начали жить в 2 раза дольше, когда мы их питали по существу гомеопатическими дозами продуктов жизнедеятельности древних микроорганизмов. Тоже очень удивительные результаты мы получили, когда начали этими микроорганизмами кормить линейных мышей. Эффект тот же самый – большие дозы приводили к смерти мышей, а небольшие – к увеличению активности мышей. Мы даже провели эксперимент с мышками-бабушками. Бабушки – примерно 2 летнего возраста. Всего они живут 2,5 года, но где-то в 2 года – это уже мышки-бабушки, которые забыли про любовь. И вдруг они под действием этой питательной среды опять все вспомнили и родили нам 6 мышат! Правда, только двое из них выжило, но во всяком случае эффект на лицо.
Конечно, далеко ещё до каких-то серьёзных выводов, потому что эксперимент у нас идёт только год, но первые результаты очень обнадёживают.
Самое главное, что мы увидели уже точно, что эта питательная среда влияет на самые главные жизнеобеспечивающие системы современных биологических систем, на иммунную, на нервную и на гормональную системы. То есть все эти системы улучшаются.
Ну и ещё один уникальный результат – это то, что вот когда мы начали готовить на основании этих реликтовых микроорганизмов гели для изучения
влияния их на заживляющие способности. Мы наносили раны на тех же мышках и заживляли вот этими гелями. Так вот, восстановительная сила этих гелей оказалась сравнимой с гелями из стволовых клеток. Мы много слышали о стволовых клетках. Гели же на реликтовых микроорганизмах оказались почти такими же эффективными…
Теперь о том, что у нас уже три находки на Севере полугодовалых мамонтят. Практически целые тушки мамонтят находят в мерзлоте. В мае прошлого
года на реке Юрибей на Ямале был найден мамонтенок и его назвали Любой. Вообще говоря, обычно называют по имени нашедшего, нашел его мужчина, а мамонтенок оказался девочкой и поэтому назвали по имени его жены – Любой. Эта Люба сейчас находится в Японии, поскольку у них очень продвинутая биологическая лаборатория. И её отвезли туда, чтобы восстановить все детали того, что находится в мамонтенке, в шкуре, органах и т.д. Но вскоре она вернется обратно в Россию…
Мамонтенок Дима хранился долгое время в подземной лаборатории Института мерзлотоведения СО РАН, это еще одно из направлений использования
криогенных ресурсов. Подземные научные лаборатории в мерзлоте были созданы в Игарке и Амдерме и там долгое время проводились исследования мерзлых грунтов. На Ямбурге было создано огромное подземное хранилище продовольствия для тридцатитысячного городка, но городок такой большой не состоялся. Там всего 7 000 населения. И поэтому это хранилище пустует. Но мы скоро будем использовать, его как естественную криокамеру для научных исследований…
Более полувека человечество использует мерзлоту как ресурс. Со времени моего отца, Павла Ивановича Мельникова, о котором Гурий Иванович
говорил, строят дома на сваях. Сначала пробовали строить деревянные. Потом начали строить, большие здания, а вот этот Харасавейский дом построен на подземных льдах – сваи во льду, на Ямале. Это самый северный каменный дом на свете. Главное условие – это проветриваемое подполье, чтобы не было отепления мёрзлых пород, и тогда всё стоит крепко и очень долго… С использованием первого принципа строительства – с сохранением ММП, построены на мерзлоте Якутск, Норильск, Надым, Новый Уренгой и много более мелких городов. Но, к сожалению, в результате неправильной эксплуатации большая часть зданий находится в аварийном положении только из-за того, что, как вы знаете, откроют горячую воду, прорвёт
коммуникации где-то… А тепло, как мы уже с вами уяснили – это самый большой враг мерзлоты…
В криосфере – в стихии холода, продолжают жить ямальские оленеводы. Кстати, есть такая поговорка, что Север любит леворуких. А что такое
левши – у них развито правое полушарие, т.е. образное мышление и восприятие. Так вот, у лабораторных мышек в эксперименте, когда их кормили реликтовыми микроорганизмами, тоже оказалось более бурное развитие правого полушария. И тут намечается параллель: а может быть, вот эти вот наши северные народы, которые не пользуются водопроводами, а пьют воду из рек и озер на мерзлоте, куда из обнажений поступают древние микроорганизмы. Может быть, они из этой воды как раз и добывают себе нечто, которое помогает их развитию, их правому полушарию…
Традиционные ресурсы, связанные с холодом – биологические. Большинство из них обладают уникальными свойствами. Ямальское стадо оленей
сегодня самое большое в мире… Ареалы большинства ценных биологических ресурсов (дикого северного оленя, соболя, бореальных лесов с ценной древесиной и т.д.) повторяют контуры мерзлоты… Если бы в Якутии не было мерзлоты, там не было бы тайги, потому что, вообще говоря, количество осадков там, как в полупустыне, а ведь именно с тайгой связаны все промысловые ресурсы.
Часть ресурсов криосферы была утрачена человечеством, но еще не поздно заниматься их восстановлением. В Якутии бизоны много-много лет назад
водились в больших количествах, но теперь пришлось завезти их из Канады и разводить.
Последняя страница наших исследований связана с тем, что у всех на устах – Олимпиада 2014-го года. Впервые криогенные ресурсы высокогорного
района России, позволят ей выйти на международный уровень развития индустрии зимних видов спорта. Мы проявили инициативу и послали в район Красной Поляны студентов Тюменского государственного нефтегазового университета прошлой осенью на практику. Для того, чтобы посмотреть, а что же там, с нашей точки зрения – с точки зрения мерзлотоведов – можно найти. И нашли очень много криогенных процессов и явлений. С высоты 2300 метров там начинается многолетняя мерзлота, тем не менее криогенные процессы встречаются на высоте 800 м над у.м. Это оползни. Дивный неповторимый рельеф высокогорий Кавказа возник в результате созидательной деятельности ледников, снежников и других криогенных процессов.
Криосфере мы обязаны красотами многих районов нашей необъятной Родины, которые можно назвать эстетическими криогенными ресурсами..
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
Г.И.Марчук:
- Ну вот, дорогие товарищи! Вы познакомились с гигантским размером не только тех естественных изменений, которые происходят в криосфере
Земли, но и с целым комплексом совершенно необыкновенных новых научных результатов, которые помогут человечеству, может быть, придти к открытиям. Я очень признателен Владимиру Павловичу за блестящий анализ всех тех процессов,
которые связаны с Севером, с северной жизнью. Будучи в сибирском отделении, я проехал почти всю Сибирь. Я видел своими глазами то, что было показано сегодня на некоторых слайдах.
Конечно, мы – богатая страна, и наше богатство заложено в наших регионах. Вы, я думаю, знаете, что нет другой страны, где было бы так много
различных полезных ископаемых, которые будут чрезвычайно важны для жизни грядущего поколения.
Я благодарю Владимира Павловича за блестящую лекцию, которую он нам подарил.
СПАСИБО!
В.П.: Ну, тут у меня письменно пока только один вопрос:
1. Как и почему высохло Аральское море?
- Это – тема специального доклада. И наш Институт водных проблем Российской академии наук очень серьёзно этим занимался. Были большие
дискуссии. Сначала как бы всё свалили на человека, на то, что, вот, благодаря орошению засушливых земель, хлопоководству все воды рек, которые туда впадали, были отведены на сельскохозяйственные нужды, и поэтому нарушился баланс этого озера, произошло его высыхание. Но потом выяснилось, что там действуют циклические процессы. Поднятие и опускание уровня таких крупных водоёмов, как Каспийское и Аральское моря – это циклический процесс. Сначала по природным причинам долго-долго опускался уровень Каспийского моря, а затем стал сам подниматься. Безусловно было и влияние человека, который неразумно распорядился водами реки, что усугубило положение.
Вопрос 2: Вот выкачиваются миллионы тонн газа, нефти. Что происходит? Как они пополняются?
В.П.Мельников:
– Вы знаете, глубина, с которой выкачивают нефть и газ, она очень большая. Это сотни и тысячи метров в зависимости от того, какие горизонты разрабатываются. Это не столь заметно, поскольку коллекторы – пористая среда. Газ находится в порах породы. И поэтому скелет породы выдерживает потерю газа. Но были случаи техногенных землетрясений в Среднем Приобьи. Там нефтяные месторождения, но они были связаны в основном не с тем, что выкачивают нефть, а с тем, что для увеличения нефтеотдачи пласта закачивают воду. Там 3-4 бала было землетрясение, но всё-таки для наших мест это необычно.
Вопрос 3: Что ещё наблюдается? И как?
В.П.:
- Ну, в основном это метан. А вот в искусственных газогидратах, с которыми мы работаем в лабораториях, там любые газы, но только термодинамические условия образования гидратов с разными газами очень различны. Когда метаногидрат находится в естественном залегании на глубине 600 м, этого достаточно давления этой 600-метровой толщи, и температуры где-то +50С чтобы он находился в стабильном состоянии.
Вопрос 4: Как Вы считаете, возможно ли использовать низкие слои газовой среды, где высокие температуры, для разогрева твёрдых пород? То есть можно ли высочайшую температуру от ядра Земли теоретически каким-то образом поднять для разогрева………..?
В.П. :
– Ну, Вы замахнулись на очень серьёзную проблему. Вы знаете, это сверхглубокая скважина у нас прошла 11 километров. И дальше начались
проблемы. То есть там поднялись температуры, начались подвижки, которые сминали инструменты и так далее. То есть это вот самая верхняя корочка, которую мы сумели пройти. Как же нам добраться до ядра?
Вопрос 5: – В 2004 году была опубликована статья «Технология сверхскользского льда». Как Вы считаете, возможны ли такие технологии, которые превратили бы недостатки климата нашего в преимущества с большим экономическим эффектом. И не должна ли наша наука заняться изучением явлений, которые лежат в основе технологии…. И не является ли это главной задачей?
В.П.:
– Вы знаете, вообще говоря, эта моя лекция и была направлена на то, чтобы показать ресурс, ресурс холода, ресурс криосферы. И вообще говоря, почему мы называем это ресурсом? Ресурсом Реймерс называл всё то, что можно использовать для удовлетворения духовных и материальных потребностей
человека. И вот эти ресурсы холода,…ну, во-первых, мы уже их используем. Посмотрите вот там, где мы используем охлаждающие устройства. Мы же естественный холод загоняем внутрь и улучшаем несущее свойство мёрзлых пород. Вот вам, пожалуйста, уже использование этого ресурса. Это один из примеров только. Сегодня только 30% населения планеты имеет доступ к качественной воде. А мы с вами говорили про криогенные реакторы, как можно чистить с помощью криогенных процессов… Все запасы пресной воды – в ледниках, мёрзлых породах – огромный криогенный ресурс, который человечество пока ещё неразумно использует или не использует вовсе. Так что Вы совершенно правы – науку надо направлять на разработку новейших технологий по использованию криогенных ресурсов.
Г.И.Марчук : Спасибо большое…