М.Ю. Голубчиков (Географический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова)
Область распространения многолетнемерзлых пород является наиболее перспективным ресурсным регионом страны, без освоения природных богатств которого невозможно представить устойчивое развитие России и мира в целом.
1 Брагинский О.Б. Мировой нефтегазовый комплекс. М.: Наука, 2004, 608с.
Проблемы рационального освоения территорий существенно осложняются в районах южной криолитозоны, где многолетнемерзлые толщи (достаточно высокотемпературные, часто имеющие сложное строение, как по глубине, так и по простиранию) обладают малой инерционностью по отношению к внешним воздействиям, прежде всего к глобальным или региональным климатическим колебаниям, а также к локальным техногенным нагрузкам. В этом отношении достаточно типичным является район Варандея, где нарастают объемы промышленной добычи нефти и газа. Здесь сосредоточено около 9% от числа всех открытых месторождений углеводородов России. В частности, Тимано-Печорский регион обладает значительным потенциалом для расширения сырьевой базы: начальные суммарные ресурсы оцениваются в 8 млрд. т у.т., включая 4.7 млрд. т нефти и 2.3 трлн. м3 газа1.
На территории Варандейского промышленного узла на протяжении 70 лет ведется активное хозяйственное освоение территории (первое месторождение открыто в 1933 г.). В последнее время техногенное освоение Варандейского промузла существенно активизировалось, что связано с расширением и увеличением объемов добычи нефти и, частично, сопутствующего газа в Ненецком автономном округе. Следует отметить, что каждый год проектируются, возводятся и вступают в эксплуатацию новые инженерные сооружения различного назначения: селитебные, промышленные, инфраструктурные, линейные, однако до настоящего времени недостаточно проработаны сложные вопросы, связанные с возможными негативными изменениями мерзлотной обстановки при хозяйственном освоении Варандейского района.
Нефтепереливной терминал «Варандей» является опорным объектом для экспорта нефти, добытой в Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции.
Летом 2004 г. в составе экспедиции ПНИИИСа (Производственный и научно-исследовательский институт по инженерным изысканиям в строительстве) были выполнены инженерно-геокриологические и экологические изыскания на территории Варандейского полуострова. Исследования проводились для проектирования комплекса береговых резервуаров для перекачки нефти (БРП), установок подготовки нефти и автодороги «поселок Новый Варандей — Новые БРП».
Варандейский полуостров расположен на северо-востоке Большеземельской тундры, на южном побережье Баренцева моря, в Ненецком автономном округе. Территория полуострова за время плейстоцена и голоцена претерпела ряд морских трансгрессий и регрессий, что обусловило сложное строение верхних толщ многолетнемерзлых пород (ММП): «пестрота» геокриологических условий и разнообразие типов мерзлотной обстановки, осложненной охлажденными засоленными породами, а также напорными криопэгами (то есть сильно засоленными подземными водами).
Район исследования находится за Полярным кругом, среднегодовая температура воздуха здесь составляет -8°С. Для территории характерны типичные тундровые ландшафты. Активное хозяйственное освоение в последнее время ведется на 3-х геоморфологических уровнях: пляж, низкая и верхняя лайды (приморские береговые террасы). В настоящее время планируется освоение территории первой (низкой) морской террасы. Грунты с поверхности представлены морскими песками, подстилаемыми суглинками, на отдельных участках перекрываются торфяниками мощностью более 0.7 м.
Растительность в тундровых ландшафтах является одним из надежных показателей, отражающих глубины сезонно-талого слоя (СТС). Параллельно, изучая растительный, почвенный покровы территории, а также глубины СТС, можно проследить зависимость этих параметров друг от друга.
2 Инжeнepнo-гeoкpиoлoгичecкиe исследования и инженерно-экологические изыскания по объекту «Варандей»: площадки вахтового поселка, полигона, изолирующей муфты, вахтового поселка у БРП «Варандей» и подъездные дороги. Отчет. М.: ПНИИИС, 2004 г.
Ключевой участок, на котором проводились полевые исследования, расположен в пределах тундровых ландшафтов, на 3-х геоморфологических уровнях: высокая и нижняя лайды и морской пляж. Каждый из уровней имеет свои параметры увлажнения, дренированности, количества суммарно получаемой солнечной радиации, характеристик перераспределения снежного покрова, динамики протаивания и т.д.2
Растительность высокой лайды имеет более богатое видовое разнообразие по сравнению с видовым разнообразием нижней лайды и морского пляжа. Граница между ними довольно четкая и хорошо определяется по смене растительных сообществ. На высокой лайде наблюдается доминирование тундровых и мохово-болотных сообществ, уже типичных для тундры, под покровом которых СТС составляет не менее 0.4 м и не более 1.2 м.
Для низкой лайды характерны мелко-кочковатые заболоченные мохово-осоковые поверхности и солончаковая растительность (непосредственно под которой глубины СТС не превышают 2-х м), представленная, в основном, литорально на наиболее часто затопляемых территориях во время приливов, сильных штормов и просто просачивании соленных морских вод, и супралиторалью. При промерах СТС на поверхностях, занятых плотным покровом осоково-разнотравной лайдовой растительности, СТС не превышал 1.4 м. На открытых же участках (которые могут находиться буквально в 0.2 м от предыдущей точки замера СТС) СТС может составлять более 2-х метров.
Морской пляж лишен растительности полностью в связи с активной волновой деятельностью Баренцева моря. В грунтовых толщах пляжа, представленного морским песком, глубина сезонного оттаивания повсеместно превышает 2 м. Растительность отсутствует также на участках, сильно измененных в процессе деятельности человека (планирование территории, складирование буртов песка, движение техники), где СТС, как и на морском пляже, составляет более 2-х м.
3 Строительные правила и нормы. СНиП 2.02.04- 88. Основания и фундаменты на вечномерзпых грунтах. М.:ЦИТП Госстроя СССР, 1990. 56 с.
В последнее время основным типом возводимых инженерных объектов в Варандейском промышленном участке является строительство береговых резервуаров перекачки нефти (БРП) большой емкости (до 80-150 тыс. т), а также установок по подготовке нефти (УПН). Следует отметить, что добываемая нефть в этом регионе является смолисто-асфальтеновой (самой высокопарафинистой из всех российских нефтей, с высокой температурой застывания, которая составляет +8+15°С), поэтому для ее нормальной транспортировки в танкеры необходим специальный подогрев. Эти объекты возводятся по первому принципу СНиП, то есть с сохранением вечномерзлого состояния оснований в течение всего периода строительства и эксплуатации; в качестве фундаментов используются, в основном, буронабивные сваи3. Эксплуатация подобных сооружений на многолетнемерзлых породах (ММП) оказывает определенное неблагоприятное воздействие на основания, проявляющееся, прежде всего, в привносе тепла в мерзлую толщу в период фундаментостроительных работ, а также в увеличении статических нагрузок на многолетнемерзлые и охлажденные грунты. Сооружения для нагрева нефти представляют существенную угрозу мерзлому устойчивому состоянию основания нефтехранилищ в сложных инженерно-геокриологических условиях — при наличии засоленных охлажденных пород и напорных криопэгов. Таким образом, резервуары больших емкостей для хранения нефти оказывают не только сильнейшее механическое и химическое воздействие на мерзлые породы, ной тепловое, что может привести к активизации опасных криогенных процессов. Изменение этих свойств в свою очередь ведет к формированию новых параметров и свойств мерзлых пород — возникает новая реальность, которая будет влиять на инженерные сооружения. Возможные аварийные ситуации могут привести к экологическим катастрофам, затрагивающим не только слабо восстанавливаемые тундровые ландшафты, но и относительно большие площади водной акватории Баренцева моря.
Расширение промышленного узла в районе поселка Варандей потребует привлечения новой рабочей силы и персонала, создания для них соответствующей инфраструктуры. Поэтому новые сооружения в этом районе следует проектировать с учетом широко распространенных ММП, которые имеют здесь относительно осложненное строение: залежи пластовых льдов, выходящих неподалеку от поселка Варандей; напорные охлажденные, сильно засоленные подземные воды (криопэги); достаточно высокие значения температуры; глубокое сезонное протаивание. К тому же здесь весьма активны многие опасные криогенные процессы: термоабразия и разрушение берега Баренцева моря; морозобойное растрескивание с формированием мерзлотных полигонов по повторно-жильным льдам на морских террасах; термокарст (протаивание мерзлых пород и образование озер и болот) и др. Помимо этого, очень широко развиты активные эоловые и склоновые процессы, которые здесь спровоцированы, в основном, хозяйственной деятельностью человека. Например, в настощге время уже целая серия жилых и хозяйственных построек деформирована (вплоть до разрушения) в результате интенсивного итступания берегов вследствие оттаивания иноголетнемерзлых пород. Угроза разрушеия нависает над нефтебазой, аэропортом и рядом других хозяйственных объектов.
Среднегодовая температура ММП колеблется в широких пределах: от 0° до -2°С. Для территории характерно 6 типов строения верхних грунтовых толщ на глубине инженерного освоения: 1) сезонно-талый слой (СТС) перекрывает ММП; 2) СТС перекрывает гори»нт ММП, ниже залегает линза криопэга, подстилаемая толщей ММП; 3) сезонно-мерзпыйслой (CMC) перекрывает толщу реликтодыхММП, подстилаемую криопэгами надтолip ММП; 4) CMC перекрывает реликтовые тащи ММП, подстилаемые напорными криоздзгами, которые перекрывают вечномерзлые эднты; 5) CMC подстилается толщей талых пород, которые перекрывают ММП; 6) CMC neэрекрывает талые породы. На основе полученных данных была построена инженерно-мерзлотно-экологическая карта на исследованном ключевом участке. Карта составлена для двух типов инженерных сооружений (абсолютно мбких сооружений и сооружений с заглубленным фундаментом) с позиции их устойчивости к прогноза развития опасных природных (в первую очередь криогенных) процессов.
На береговой зоне весьма активно протекают природные процессы, многие из которых активизированы в результате техногенного освоения. Наиболее часто встречается абразия и термоабразия берегов, эоловые процессы, дефляция, линейная термоэрозия и др. На озерно-аллювиальной равнине криогенные процессы представлены термокарстом и пучением.
Совместно с сотрудниками ПНИИИСа были построены ГИС-карты (карты, созданные на основе компьютерных геоинформационных систем, а именно: почвенная, ландшафтногеоботаническая, инженерно-геокриологическая, инженерно-мерзлотно-экологическая). Помимо этого было проанализировано большое количество проб (грунтовых и подземных вод, грунтов, донных отложений, воздуха), отобранных на анализ загрязнения металлами, нефтепродуктами, солями и др. Были выявлены: загрязнения природных ландшафтов нефтепродуктами и металлами (оказывает влияние на глубины сезонно-талого и сезонно-мерзлого слоев вследствие изменения теплопроводности грунтов), а также характер взаимосвязи вод термокарстовых озер и морскими водами.
Во время экспедиции проводилось исследование химического состава различных компонентов ландшафта (грунта, почвы, воды, донных отложений и т.п.). В качестве примера загрязнения территории можно привести результаты химического анализа воды из прудаотстойника и близлежащей территории. Объект расположен в 2 км от поселка Новый Варандей по направлению к БРП № 2 (береговой резервуар для перекачки нефти). В качестве противофильтрационного экрана на пруде-отстойнике эксплуатируют дорогостоящее покрытие, изготовленное из полимерных материалов специального состава. Во всех близлежащих водоемах производились отборы проб воды и донных отложений на химический анализ. Результаты анализов показали, что примеси нефтепродуктов в воде пруда-отстойника составляют 1.15 мг/л, а в озере, находящемся в 10 м от него, — 0.92. Среднее количество примесей в воде во всех озерах составляет 0.3 мг/л. Таким образом, попадание загрязнителей из пруда-отстойника в близлежащие озера весьма значительно, что наглядно демонстрирует ненадежность устроенного дорогостоящего противофильтрационного покрытия.
Изучение существующего опыта освоения Варандея показал, что недостаточный учет мерзлотных условий может вызвать негативные геоэкологические изменения, привести к разрушению хозяйственной инфраструктуры. Необходимо развивать и принимать заблаговременные меры по мониторингу за состоянием ММП и устойчивостью инженерных сооружений.