Анализ результатов исследований теплового режима природных и техногенных курумов криолитозоны

Галкин Александр Фёдорович ORCID: 0000-0002-5924-876X доктор технических наук Главный научный сотрудник; Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН 677010, Россия, г. Якутск, ул. Мерзлотная, 36, ИМЗ СО РАН. Лаборатория геотермии криолитозоны Galkin Aleksandr Fyodorovich Doctor of Technical Science Chief Researcher; P.I. Melnikov Permafrost Institute SB RAS 677010, Russia, Yakutsk, Permafrost str., 36, IMZ SB RAS. Cryolithozone Geothermy Laboratory afgalkin@yandex.ru Другие публикации этого автора     Жирков Александр Федотович ORCID: 0000-0001-6721-5338 кандидат технических наук Заведующий лабораторией; лаборатория геотермии криолитозоны; Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова СО РАН 677010, Россия, республика РС(Я), г. Якутск, ул. Мерзлотная, 36 Zhirkov Aleksandr Fedotovich PhD in Technical Science Head of the Laboratory; Cryolithozone Geothermy Laboratory; P.I. Melnikov Permafrost Institute SB RAS 677010, Russia, Republic of the RS(I), Yakutsk, Permafrost str., 36 zhirkov_af@mail.ru Панков Владимир Юрьевич кандидат геолого-минералогических наук доцент, кафедра "Автомобильные дороги и аэродромы", Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова 677027, Россия, республика Саха(Якутия), г. Якутск, ул. Белинского, 58 Pankov Vladimir Yur'evich PhD in Geology and Mineralogy Associate Professor, Department of Construction of Roads and Airfields, North-Eastern Federal University 677027, Russia, respublika Sakha(Yakutiya), g. Yakutsk, ul. Belinskogo, 58 pankov1956@gmail.ru Другие публикации этого автора

Плотников Николай Афанасьевич ORCID: 0000-0001-6013-931X аспирант; Институт мерзлотоведения им.П.И.Мельникова СО РАН 677010, Россия, республика Саха(Якутия), г. Якутск, ул. Мерзлотная, 36 Plotnikov Nikolay Afanasievich Postgraduate student; P.I.Melnikov Institute of Permafrost Science SB RAS 677010, Russia, Republic of Sakha(Yakutia), Yakutsk, Permafrost str., 36 plotnikov-nikolay96@mail.ru Другие публикации этого автора

Введение. Согласно современной терминологии искусственного интеллекта (ИИ) нейросеть выдает следующее консолидированное объяснение термину «курумы» (в переводе с тюрского языка «курум» – это камень). «Курумы — это одна из разновидностей россыпей грубообломочного материала в виде каменных плащей и потоков на склонах гор. Распространены в горных районах развития многолетнемерзлых пород и глубокого сезонного промерзания. Курумы — весьма неустойчивые образования, при техногенных воздействиях, как правило, они ускоряют движение». При этом ИИ просит не путать термины «курумы» и «глетчеры», которые тоже являются одной из разновидностей россыпей крупнообломочного материала. «Каменные глетчеры — крупные формы рельефа, представляющие собой скопления сцементированного льдом грубообломочного материала различного генезиса. Скорость движения большинства каменных глетчеров, как правило, колеблется от десятых долей до первых метров в год».

Таким образом, основное отличие заключается в том, что курумы — это россыпи грубообломочного материала, а каменные глетчеры — скопления сцементированного льдом материала. Соответственно, и теплофизические процессы, происходящие в глетчерах и курумах, при взаимодействии с атмосферой будут различаться. Исследованию курумов природного и техногенного происхождения посвящено множество работ отечественных ученых. Недавно (2021) опубликована монография известного геокриолога и гляциолога, профессора В. Р. Алесеева ^[1], которая обобщает результаты исследований отечественных и зарубежных ученых. Как отмечается в аннотации, «книга посвящена каменным россыпям-развалам, известным под названием "курумы". На вечной мерзлоте курумы образуют своеобразные моря, потоки, реки, площадь которых суммарно измеряется десятками и сотнями квадратных километров. Это плащевидные скопления обломков горных пород, которые медленно движутся вниз по склонам, перемешиваясь и сортируясь под воздействием криогенных процессов. Весной талые снеговые воды "проваливаются" в полости рыхло сложенных горных пород и намерзают в виде так называемого гольцового льда. Гольцовый лед питает многочисленные подземные ручьи, которые обрабатывают остроугольные камни, превращая их в валуны и гальку. По ним, как по шарикоподшипникам, может "съезжать" крупнообломочный материал, превращаясь в сокрушительные оползни, лавины и сели». Ученый таже считает, что курумы представляют не только академический интерес, но и являются недооцененным источником строительных материалов ^[2]. В работах А. И. Тюрина с соавторами ^[3,4,5,6] рассматриваются вопросы генетической классификации курумов, особенности их строения в разных широтах, а также впервые сделана инженерно-геокриологическая оценка курумов, которые подтверждают эти выводы. Результаты исследований Д. О. Сергеева с соавторами ^[7] позволяют судить о том, как формируется температурный режим многолетнемерзлых толщ и сезонно талого слоя, в том числе в районах распространения природных курумов, в горах Северного Забайкалья. Интересно отметить, что выводы и терминология ИИ, приведенные в начале статьи, во многом обязаны фундаментальным работам А.П. Горбунова и Э.В. Северского с соавторами, посвященных исследованию горных регионов Казахстана и Средней Азии ^[8,9,10,11]. Результаты исследований криогенного строения и температурного режима крупнообломочных отложений в Северном Тянь-Шане приведены в работах ^[12,13]. Криогипергенез крупнообломочных и скальных пород криолитозоны (на примере Забайкальского региона), исследован в работах профессора Д. М. Шестернева ^[14,15,16]. В работах профессора В. А. Стетюхи приводятся результаты исследований устойчивости оттаивающих откосов техногенных горных массивов, которые являются вариантом техногенных курумов, образованных в результате вскрыши скальных пород при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом ^[17,18,19]. В работах Э. В. Северского дана качественная и количественная оценка степени опасности основных геокриологических процессов и явлений в горных районах Казахстана. Причем, в районах распространения многолетне- и сезонно мерзлых пород, наряду с солифлюкцией, термокарстом, морозным пучением и трещинообразованием, наледям и гляциальным селям, к ним относятся каменные глетчеры и курумы ^[20,21].

Все скальные глыбовые массивы (курумы), согласно классификации, приведенной в работе ^[22], предложено разделить на три категории по генетическим признакам: природные (в инженерной геологии, называемые курумами), техногенные (отвалы горных пород, дорожные насыпи, отсыпанные на скальные и дисперсные массивы, каменные наброски, используемые в строительстве) и природно-техногенные (глыбовые геотехнические сооружения на глыбовых природных основаниях). По расположению относительно поверхности земли глыбовые массивы можно разделить на поверхностные и подземные (формирующиеся в полостях природных (пещеры) и техногенных горных выработок в результате обрушений кровли, вывалов из стен или отбойки пород взрывом). Природный тип глыбовых массивов горных пород представлен скоплениями на склонах и у подножий гор глыбовых и крупных обломков скальных горных пород, образовавшимися в результате различных геотектонических и геоморфологических процессов (каменных глетчеров, курумов, курумо-глетчеров, конусов выноса лавинных и селевых потоков и др.). Они залегают в виде площадных или локальных вытянутых в плане отложений, мощность которых составляет от нескольких десятков сантиметров до нескольких десятков метров ^[23]. Основанием таких массивов служат сплошные массивы скальных пород. В практическом аспекте особый интерес вызывает проблема использования глыбовых массивов горных пород в качестве оснований геотехнических сооружений, в первую очередь нагорных отвалов вскрышных пород на разрабатываемых открытым способом месторождениях полезных ископаемых, а также земляного полотна транспортных коммуникаций в высокогорных районах, в частности Северного Забайкалья.

Цель работы: анализ основных литературных источников, в который опубликованы результаты исследований по формированию теплового режима скальных отвалов (курумов).

Результаты и обсуждение. При анализе теплового баланса поверхностей глыбовых массивов горных пород техногенного и природного образования установлено ^[22,24], «что наибольшие значения теплообмена характерны в течение всего периода оттаивания для открытых участков склона южной экспозиции. Это, в свою очередь, в достаточной мере объясняет максимальную мощность СТС 2,3–2,5 м на таких элементах рельефа. С изменением экспозиции и характера поверхности глыбового массива величины теплового баланса также изменяются – значительно уменьшаются, что приводит к сокращению СТС до 2,2 м на открытом участке рельефа северной экспозиции и 0,9–1,6 м на участках, покрытых растительностью». Особенности теплопереноса в глыбовом массиве горных пород связаны с изменениями величины суммарной солнечной радиации, которая, уменьшаясь осенью, приводит к уменьшению теплового потока, а также с изменениями структуры теплового баланса: затраты тепла на испарение по сравнению с летним циклом увеличиваются вслед за увеличением влажности, что еще больше сокращает величины теплового потока. Сокращение величин теплового потока не может вызывать увеличение глубины оттаивания^[24]

Экспериментальным и теоретическим исследования теплового режима природных курумов посвящены работы сотрудников Института мерзлотоведения им. П.И.Мельникова СО РАН ^{[25,26,27,28]} Эксперименты проводились на участке типичном для гольцового пояса Колымского нагорья, который сложен крутыми глыбово-щебнистыми осыпями, практически полностью лишенными растительного покрова. Средняя мощность СТС составляет 1,2 м, диаметр обломков в нем варьирует в основном от 4 до 20 см при среднем значении 10 см и пористости грунта 0,35. На глубинах, примерно совпадающих с подошвой СТС, состав отложений резко меняется за счет заполнения пор крупнообломочного скелета песчано-супесчаным материалом. В результате натурных исследований установлен важный результат, имеющий прикладное значение. В частности, отмечается, что при расчете теплового режима курумов целесообразно использовать понятие эффективного коэффициента теплопроводности. С использованием данных натурных наблюдений получено, что эффективная теплопроводность грунтов на экспериментальном участка не превышает 1,0 Вт/(м⋅К).

Близкие к этому значению данные приводятся и в работе ^[29] (1,0-1,2 Вт/м⋅К), где обобщены результаты более чем сорокалетних исследований техногенных курумов, проведенных ОАО ЦНИИС^[29-33] с целью изучения их эффективности при строительстве Байкало-Амурской магистрали. При этом были получены результаты, имеющие как научную, так и практическую значимость. В частности, выявлена сущность работы каменной наброски, характеризующаяся летним и зимним охлаждающим влиянием на грунты основания и определены основные характеристики происходящих тепловых процессов в различные периоды года. Выявлены основные закономерности влияния на температурный режим подстилающих грунтов свойств наброски: геометрических размеров каменной отсыпки; ориентации в пространстве (величины наклона, характера расположения по отношению к инженерному сооружению, степени врезки в основной массив земполотна и др.); суточных, месячных, сезонных колебаний температуры наружного воздуха; солнечной радиации, осадков, ветра; толщины снежного покрова; гранулометрического состава наброски (крупность камня, наличие нетипичных включений и т.п.). Эти результаты исследований являются, пожалуй, наиболее полными и комплексными, из имеющихся данных в литературе. Обобщивший эти результаты Г.П. Минайлов ^[29], отмечает, что с использованием скальных набросок, примененных в качестве основного мероприятия по консервации мерзлоты в основании земляного полотна и конусов мостов на трассах БАМ и АЯМ, построено и длительное время (15-20 лет) успешно эксплуатируется более 250 объектов. Материалы многолетних комплексных натурных и теоретических исследований использованы при составлении 15 нормативно-рекомендательных документов ^[30,31,32]. Для целей настоящей работы имеют, прежде всего, следующие результаты, полученные ОАО ЦНИИС. «Установлено, что охлаждающее влияние каменной наброски на подстилающие грунты оснований складывается из двух составляющих: охлаждающих влияний в летний и в зимний период. В летний период наброска является теплоизоляционным слоем, препятствующим поступлению тепла к поверхности сооружения, а за счет конвекции при суточных колебаниях температуры наружного воздуха сводит на-нет отепляющее влияние солнечной радиации. В зимний период наброска снижает отепляющее влияние снежного покрова за счет частичного или полного его «разрыва»; за счет конвекции воздуха (из-за разности температур наружного воздуха и подстилающего грунта) полностью нивелирует отепляющее влияние материала наброски. В связи с этим в зимний период наброску нельзя рассматривать отдельно без взаимосвязи со снежным покровом».

Большое внимание вопросам изучения процессов формирования теплового режима в естественных и техногенных глыбовых массивах уделялось в Читинском институте природных ресурсов ^{[22,24,34,35,36]}. Исследовались техногенные глыбовые массивы горных пород в природно-климатических условиях горных регионов Субарктики на территории Северного Забайкалья. Проводились, как натурные исследования на техногенных отвалах Удоканского месторождения, так теоретические исследования на основе математического моделирования процессов тепло- и массопереноса в глыбовых массивах различной природы. В некотором роде, обобщающей результаты многолетних исследований работой, является статья известного геокриолога И.И. Железняка ^[36]. Автор подробно рассматривает механизм переноса тепла в глыбовом массиве и сопоставляет теоретические результаты с результатами практических натурных исследований, отмечая их качественные и количественные особенности. В частности, подчеркивается (важная для нашего случая), и уже ранее отмечавшаяся в трудах Г.П. Минайлова ^[29,33,34] сезонность уровня теплообмена в каменной наброске небольшой мощности (0,3-0,7м), которая оказалась характерной и для крупнообломочных массивов высотой до 20 метров. Суть заключается в следующем. Когда температура в верхней части глыбового массива (в зимний период) ниже, чем на некоторой глубине от поверхности, то работает конвективный механизм передачи энергии от нижних слоев массива к верхним. В остальное время, когда температура у поверхности выше, чем на глубине (летний период) механизм конвективного теплообмена не действует. Прогрев обломков (кусков породы) осуществляется только за счет кондуктивной составляющей теплообмена (теплопроводности пород). Скорость переноса энергии при этом виде теплообмена в несколько раз ниже. Поэтому прогрев массива осуществляется менее интенсивно, чем охлаждение при том же температурном градиенте между породными слоями. Автор отмечает, что « в течение многолетних циклов происходит дополнительное охлаждение подстилающих поверхностей и накопление холода под глыбовыми отложениями естественной и техногенной природы, что обеспечивает формирование под ними мерзлой толщи пород». Это фундаментальное научное положение полностью подтверждается многочисленными комплексными исследованиями эффективности каменных набросок различного типа (техногенных курумов), проведенных китайскими учеными с целью обоснования новых способов и средств повышения безопасности эксплуатации железных дорог в зоне многолетней и островной мерзлоты ^[37-46]. Их выводы полностью совпадают с результатами исследований отечественных мерзлотоведов. В частности, в работах ^{[37,38,39,40]} отмечается долговременный охлаждающий эффект насыпи из крупного щебня (до 0,2 м) для сохранения мерзлого состояния дорожного основания. Авторы, на основании экспериментальных и лабораторных исследований утверждают, что «вентилируемая щебеночная насыпь может эффективно снизить температуру вечной мерзлоты под ней, увеличивая толщу вечной мерзлоты под насыпью, обеспечивая долгосрочную стабильность вечной мерзлоты под насыпью». Кроме того, теоретические расчеты показывают, что «учитывая значительное возможное повышение температуры воздуха, для обеспечения стабильности вечной мерзлоты и нормального функционирования транспортной инфраструктуры рекомендуется использовать такую насыпь для дорог в районах вечной мерзлоты». То есть, ожидаемое в научном мире глобальное потепление не окажет влияния на устойчивость оснований, закрытых каменной вентилируемой наброской. Этот вывод вполне подходит и для оснований отвалов. Накопленный в Китае положительный опыт, защиты основанный в криолитозоне, доказывает эффективность использования техногенных курумов в строительной отрасли. Все исследователи отмечают, например, что «существующие полевые испытания и практическое инженерное применение показывают, что насыпь из щебня может обеспечить наилучший охлаждающий эффект основания».

Анализируя опубликованные в нашей стране и за рубежом результаты исследований можно сделать один обобщающий вывод. В научном сообществе геокриологов и инженеров практиков сложилось твердое мнение (основанное на результатах многолетних комплексных: теоретических, экспериментальных и натурных исследований и опыте практического использования) о том, что любые виды, природных и техногенных курумов (в том числе отвалы скальных пород), приводят к прогрессирующему охлаждению основания, на котором они находятся. Независимо от вида происхождения и геометрических размеров курумов. Это авторитетное мнение является основанием для дальнейших конкретных прогнозных расчетов по формированию теплового режима отвалов скальных пород. В частности, нет необходимости в расчетах многолетних температурных циклов при формировании теплового режима оснований отвала. Достаточно провести расчет первого цикла «промерзание-оттаивание». В последующем, как следует из опыта (если не произойдет растепления массива в первом цикле), будет происходить только дополнительное охлаждение массива. Хотя темп охлаждения с каждым циклом будет ниже из-за дополнительного наращивания высоты отвала, но это не имеет принципиального значения. Важно, что растепления породного основания отвала происходить не будет. И наличие барьерного целика из мерзлых пород в течение длительного периода сомнению не подвергается.

Заключение. Выполнен аналитический обзор литературных источников, содержащих теоретические и практические результаты исследований по формированию теплового режима природных и техногенных курумов. Результаты анализа позволяют сделать следующие основные выводы. 1. В научном сообществе геокриологов сложилось твердое мнение (основанное на результатах многолетних комплексных: теоретических, экспериментальных и натурных исследований) о том, что любые виды, природных и техногенных курумов (в том числе отвалы скальных пород), приводят к прогрессирующему охлаждению основания, на котором они находятся. Независимо от вида происхождения и геометрических размеров курумов и слагающих их породных отдельностей (кусков, глыб). 2. При взаимодействии с породным основанием техногенный курум работает как активная тепловая защита, изменяя свое термическое сопротивление в течение годового цикла. Это позволяет успешно использовать техногенные курумы для сохранения мерзлого состояния инженерных сооружений различного назначения в криолитозоне, не прибегая к активным способам охлаждения горных пород. 3. При моделировании процесса теплового взаимодействия техногенного курума вполне допустимым, подтвержденным результатами многолетних экспериментальных исследований и натурных наблюдений и их сравнением с теоретическими расчетами, является рассмотрение курума как теплозащитного слоя, термическое сопротивление которого зависит от эффективного коэффициента теплопроводности, изменяющего свое значение при изменении знака температуры атмосферного воздуха.

Работа выполнена по государственному заданию по теме: «Тепловое поле и криогенная толща Северо-Востока России. Особенности формирования и динамика» (№ 122011800062-5).