Эколого-геологические проблемы приарктических территорий и

Эколого-геологические проблемы приарктических территорий
и возможные пути их решения
В.З. Хилимонюк, А.В. Брушков, С.И. Гребенкин
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра геокриологии, Москва,
Россия
Реферат
Одним из важнейших приоритетных направлений России является дальнейшее освоение Арктического региона.
Рассмотрены эколого-геологические проблемы северных территорий и возможные пути их решения.
Ключевые Слова: Геокриологический
геологические проблемы.
мониторинг;
криолитозона;
В выступлении Председателя Правительства Российской
Федерации В.В.Путина на Международном Арктическом
Форуме, проходившем в Московском Университете (в
сентябре 2010 года) были определены приоритетные
направления развития Арктики, рассмотрены проблемы
приарктических территорий (в частности загрязненность
территории разного рода отходами) и отмечена важность
поиска путей их решения путем разработки и внедрения
инновационных технологий.
Всем известно, что районы Крайнего Севера – это
территории с суровыми климатическими условиями:
низкими температурами воздуха (до -50 градусов и ниже),
малым количеством солнечной радиации, продолжительной
зимой (до 9 месяцев и более) и коротким холодным летом.
Но, при этом часто ускользает тот факт, что это территории
с многолетнемерзлыми породами, которые занимают около
70% площади России!
Очевидно, что толщи многолетнемерзлых пород с
протекающими в них процессами, в качестве природного
компонента среды, определяют как условия увлажнения,
почвообразования, существования биоты (как известно,
большей части сибирской тайги не существовало бы, если
бы не мерзлота), устойчивость ландшафтов и стабильность
земной поверхности, так и ресурсообеспеченность жизни
человека.
Загрязненность арктических территорий и проблемы с
утилизацией отходов – насущная экологическая проблема,
которая имеет и геологический аспект. В районах Арктики
на сегодняшний день скопилось громадное количество
мусора в результате десятков лет освоения этих территорий
(разведки и добычи полезных ископаемых). Отходы
производства и потребления нередко складируют и
захоранивают в несанкционированных местах.
Вокруг северных городов образуются обширные
территории со свалками твердых бытовых отходов - зоны
экологического неблагополучия. Объемы размещения на
свалках постоянно растут. Средний уровень утилизации
отходов производства в Российской Федерации составляет
около 30%; из отходов потребления извлекается в виде
вторичного сырья только 2% от общего объема их
образования, остальные 98% загрязняют окружающую
среду, отрицательно влияя на жизнеобеспечение населения
и экологическую безопасность, (из доклада Комитета
многолетнемерзлые
породы;
эколого-
Совета Федерации по природным ресурсам и охране
окружающей среды, 2011 г.).
На сегодняшний день нет нормативных и методических
документов по утилизации отходов, учитывающих эту
специфику регионов Крайнего Севера. Например, ни в
одном из документов по созданию полигонов твердых
бытовых отходов (ТБО) не отражены особенности регионов
Крайнего Севера с наличием многолетнемерзлых пород. На
полигонах ТБО должно происходить обеззараживание
биологическим способом. Но! Как известно, низкие
отрицательные температуры окружающей среды не только
не способствуют разложению каких бы то ни было отходов,
но и тормозят их. При отрицательных температурах
биологические процессы разложения и вовсе прекращаются
– разложение биомассы не происходит, она, наоборот,
сохраняется.
В регионах Заполярья необходимо применять новые
технологии утилизации с использованием холодолюбивых
бактерий, в том числе метаногенов, которые ускоряют
процессы разложения отходов, а образующийся метан
собирать и использовать.
Не менее важна и проблема очистки сточных вод. Яркий
пример - город Якутск. Наличие здесь криогенного
водоупора (многолетнемерзлые породы) обусловило
образование у поверхности высокоминерализованных
грунтовых вод (за счет поступления коммунально - бытовых
сточных вод) и подтопление ими территории жилых
кварталов города. Мерзлотные барражи определили
формирование в толще пород отрицательно-температурных
высокоминерализованных над- и внутримерзлотных
подземных вод (криопэгов), распространяющихся на
глубину до 20м. На отдельных, давно обжитых участках
территории города минерализация вод достигает 200 г/л. По
сравнению с фоновыми значениями в пресных и
солоноватых надмерзлотных водах концентрация этих
элементов увеличена от 30-60 до 300-500 и более раз,
[Анисимова 2005].
В тоже время захоронение радиоактивных отходов в
толщах многолетнемерзлых пород более надежно –
криолитозона может служить надежным вместилищем для
радиоактивных отходов [Ершов и др. 1995, 1997].
Основная часть запасов нефти и газа России находится в
криолитозоне (только в Западной Сибири сосредоточено
551
552
ДЕСЯТАЯ МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО МЕРЗЛОТОВЕДЕНИЮ
70,8% запасов нефти). Одна из самых сложных и
многоплановых экологических проблем - утилизация
отходов, образующихся при добыче нефти и при аварийных
разливах самой нефти. Для обеззараживания и утилизации
нефтеотходов и очистки грунтов от нефтепродуктов
предлагается широкий диапазон средств и технологий.
Однако малое их количество учитывает геокриологические
и климатические условия Арктического региона.
Как было отмечено выше, экологическое состояние
приарктических территорий во многом зависит от состояния
многолетнемерзлых пород! К тому же, изменение теплового
состояния пород в верхней части разреза обычно
сопровождается активизацией и развитием посткриогенных
процессов там, где раньше их проявления были
незначительными либо совсем не отмечались.
Поэтому,
очень
важна
оценка
динамики
геокриологических условий при изменении климата и под
влиянием деятельности человека. Проблема в том, что мы
не знаем, в каком состоянии находится мерзлота – она
стабильна или оттаивает.
Глобальная
экологическая
проблема
арктических
регионов (и не только) связана с изменением климата на
планете Земля.
В последние десятилетия развернулось обсуждение
возможных сценариев глобальных и региональных
климатических
изменений
в
XXI
веке.
При
прогнозировании
возможных
изменений
климата
используют три основных подхода:
- использование моделей общей циркуляции атмосферы
при увеличении в ней содержания СО2 и других парниковых
газов;
- рассмотрение палеоклиматических аналогов;
эмпирический
анализ
современных
вариаций
метеорологических характеристик (анализ циклов и
трендов) [Основы... 2008].
Разброс прогнозных значений содержания эквивалента
СО2 в атмосфере в XXI веке чрезвычайно широк, но
большинство исследователей работающих с моделями
общей циркуляции предполагают удвоение концентрации
углекислого газа к концу XXI века. На основании этого
строятся прогнозы изменения средней глобальной
температуры воздуха.
Предстоящие
изменения
глобального
климата
оцениваются не однозначно: разрабатываются сценарии
значительного потепления [Будыко и др. 1992], умеренного
потепления [Борисенков 1990, Павлов 1992, 1997, 2001] и
даже похолодания [Шполянская 1981, 2001, Балобаев 1983,
1991]. Тем не менее, факт, что сейчас происходит
повышение среднегодовой температуры воздуха. Местами
наблюдается и ответная реакция мерзлых толщ на
изменения климата.
В настоящее время во многих регионах криолитозоны
отмечается
тенденция
повышения
температуры
многолетнемерзлых пород за последние 20-30 лет и их
деградация. Подтверждено потепление многолетнемерзлых
пород в горных районах. На недавно прошедшей в
Московском Государственном Университете конференции
геокриологов России это прозвучало во многих докладах. В
документах Арктического Форума распространены данные
о потеплении на 3 градуса С. Однако, все не так однозначно.
В целом обоснованная оценка отсутствует.
Очень важная проблема - эмиссия парниковых газов в
атмосферу. В мерзлоте находится до 10% неразложившейся
органики. И при сценарии глобального потепления климата
и деградации мерзлоты произойдет массовый выброс
метана. Хотя и без этого, при добыче углеводородов (нефти
и газа) и их транспортировке происходит интенсивная
эмиссия метана – парникового газа. Ежегодно в атмосферу
выбрасывается до 560 млн.т. метана. Доля использования
попутного и растворенного газа пока не превышает 50%,
утилизация его остается актуальной проблемой. Основная
часть утечки газов при их транспортировке происходит в
результате высокой аварийности на трубопроводах и ее
слабой прогнозируемости. Большая часть построенных (45
тыс.
км
на
2004год)
и
проектируемых
нефтегазотранспортных систем проходит в криолитозоне и
одной из причин повышенной аварийности является
наличие многолетнемерзлых пород
Одним из важнейших экологических последствий
деградации вечномерзлых грунтов является изменение
условий работы сооружений в криолитозоне, которые
проектировались без учета глобального потепления
климата. Дело в том, что прочностные и деформационные
свойства вечномерзлых грунтов, являющихся основаниями
инженерных сооружений, в значительной мере зависят от
температуры. С повышением температуры первые
уменьшаются, а вторые возрастают, что приводит к
деформациям сооружений и материальному ущербу.
Результаты расчетов, проведенные на кафедре геокриологии
МГУ [Хрусталев и др. 2008, 2011], показали, что к концу
прогнозного периода (2100 г) практически все здания,
построенные до 2001 г., будут деформированы в результате
глобального потепления климата.
Малейшие
изменения
температурного
режима
многолетнемерзлых пород (как в результате естественного
эволюционного изменения температурного поля Земли, так
и в результате техногенного воздействия) приводят к
изменению не только геофизической экологической
функции, но и к изменению ресурсной, геодинамической и
геохимической функций литосферы. Это как «цепная
реакция», приводящая к существенным преобразованиям
экологических свойств криолитосферы. В последние
десятилетия (особенно начиная с 60-70-х годов XX
столетия) экосистемы северных территорий России
подвергаются значительному техногенному воздействию в
связи с интенсивной эксплуатацией месторождений
различных полезных ископаемых. При хозяйственном
освоении территории криогенные процессы активизируются
и приобретают деструктивный характер.
Для развития северных регионов требуется оценка
современной динамики мерзлых толщ и вероятности их
оттаивания; создание системы мониторинга состояния
окружающей среды Севера и прогноз состояния мерзлоты
на ближайшие десятилетия.
Необходимы фундаментальные исследования климата,
оледенений и вечной мерзлоты в связи с общей динамикой
литосферы и биосферы, развитие методов моделирования
теплового режима многолетнемерзлых пород при
В.З. ХИЛИМОНЮК И ДР.
климатических изменениях и при воздействии инженерных
сооружений.
Предлагается:
1.Оценить современное состояние многолетнемерзлых
пород и дать прогноз на ближайшие десятилетия.
Для этого прежде всего необходимо:
- создать национальную сеть эколого-геокриологического
мониторинга за состоянием многолетнемерзлых толщ; (в
настоящее время нет даже единой унифицированной
методики проведения мониторинга за температурным
режимом многолетнемерзлых пород);
- важно создание комплексных стационаров (мониторинг
климата, пород, почв, газов, биоты), - хотя бы нескольких в
стране.
2. Составление геокриологических карт всей территории
России и Атласа побережья и шельфа морей Российской
Арктики.
3. Разработка численных моделей теплообмена в горных
породах.
4. Создание новых технологий стабилизации грунтов на
Арктическом побережье и шельфе.
5. Исследования в области биогеохимии – изучение
биоресурсов вечной мерзлоты, эмиссии парниковых газов,
получение
перспективных
штаммов
древних
микроорганизмов для применения в биотехнологиях.
Литература
Анисимова, Н.П., Павлова, Н.А., Стамбовская, Я.В., 2005.
Антропогенная
трансформация
экологических
функций надмерзлотных вод на низких террасах реки
Лены в пределах долины Туймаада. Мат-лы Третей
конф. Геокриологов России. Т. 2 Москва:
Издательствово МГУ, с.212-216
Антропогенные изменения климата Под ред. Будыко, М.И.,
Израэля, Ю.А., 1987. Ленинград: Гидрометеоиздат.
Балобаев, В.Т., 1991. Геотермия мерзлой толщи литосферы
Севера Азии. Новосибирск: Наука, 193с.
553
Балобаев, В.Т., Павлов, А.В., 1983, Динамика криолитозоны
в связи с изменением климата и антропогенными
воздействиями // Проблемы геокриологии. Москва:
Наука, с.184-194.
Будыко, М. И., Израэль, Ю. А., Яншин, А. Л., 1992.
Глобальное
потепление
и
его
последствия,
Метеорология и гидрология, № 12, с. 5–10.
Борисенков, Е.П., 1990. Изменение климата и человек.
Москва: Знание, с. 60.
Ершов,
Э.Д, Пармузин,
С.Ю.,
и
др.,
1997.
Многолетнемерзлые породы как среда захоронения
экологически опасных отходов. Геоэкология. 1997.
№1. С.23-39.
Основы геокриологии. Ч.6. Геокриологический прогноз и
экологические проблемы в криолитозоне Под ред.
Ершова, Э.Д., 2008. Москва: Издательствово МГУ,
768с.
Павлов, А.В., 1997. Мерзлотно-климатический мониторинг
России: методология, результаты наблюдений,
прогноз. Криосфера Земли №1:47-58.
Павлов, А.В., 2001. Реакция криолитозоны на современные
и ожидаемые в XXI веке климатические изменения.
Разведка и охрана недр № 5: 8–14.
Хрусталев, Л.Н., Клименко, В.В. и др., 2008. Динамика
температурного поля многолетнемерзлых пород
южных районов криолитозоны при различных
сценариях климатических изменений. Криосфера
земли. 2008. Том XII, №1: 3-11.
Хрусталев, Л.Н., Пармузин, С.Ю, Емельянова, Л.В., 2011.
Надежность северной инфраструктуры в условиях
меняющегося климата. Москва:Университетская
книга.
Шполянская, Н.А., 1981. Мерзлая зона литосферы Западной
Сибири и тенденции ее развития. Москва, 168с.
Шполянская, Н.А., 2001. Климатические ритмы и динамика
криолитозоны (анализ эволюции в прошлом и
прогноз изменения в будущем) Криосфера Земли,
Т.V, №1:3-14.