Введение. Магаданская область, расположенная на северо-восточном побережье России, находится в зоне сплошного распространения многолетнемерзлых пород (ММП). На 99 % её территории площадью более 450 тыс. км² залегают криолитозона с годовой температурой грунтов от –6,9 до +3,4 °C в зависимости от ландшафта [1]. На протяжении последних 60 лет регион переживает выраженное потепление климата: среднегодовая температура воздуха в Магадане возросла с –4,1 °C в 1960-х годах до близкой к –2 °C в настоящее время [2], а глубина сезонного оттаивания и мощность активного слоя (слоя льдистых пород, непосредственно взаимодействующего с поверхностью) изменяются в соответствии с этим трендом [1-2].

Эти изменения представляют острую проблему для инфраструктуры. Деградация ММП приводит к неравномерной осадке зданий, деформации дорожного полотна, разрушению коммунальных сетей. По оценкам Министерства природных ресурсов, уже 40 % фундаментов жилых и производственных сооружений в зоне мерзлоты получили повреждения вследствие её оттаивания [3]. На фоне этого системный мониторинг состояния ММП становится критической необходимостью для проектировщиков и строителей.

В 2021 году по инициативе Санкт-Петербургского государственного университета и при поддержке Российского научного фонда развёрнута региональная сеть термометрических скважин для отслеживания геотемпературной динамики в различных ландшафтных зонах Магаданской области. Статья рассматривает данные мониторинга за 2021–2024 гг., полученные на ключевых скважинах в посёлках Сокол, Палатка, Усть-Омчуг и в городе Магадан, и выводы, необходимые для адаптации норм проектирования и строительства к изменяющимся криолитозонным условиям.

Методология.

Система мониторинга и оборудование

С 2021 по 2024 год в Магаданской области была развёрнута региональная сеть из 23 термометрических скважин глубиной от 5 до 30 метров [1]. Скважины распределены по трём основным типам ландшафтов: — горно-привершинный (вершины и склоны хребтов, высота 900–1200 м); — горно-долинный прирусловой (поймы, интенсивный влияние грунтовых вод); — горно-долинный террасовый (аллювиальные и флювиогляциальные террасы, часто заболоченные). Основные ключевые скважины, анализируемые в данной работе отражены в таблице 1.

Таблица 1

Для измерения температуры пород применялись: — термокосы ООО «Импеданс» длиной 5–30 м с герметичными датчиками температуры; — логгеры HOBO TMCx-HD (американской компании HOBO Onset) с 10-летней автономностью; — метеостанции Hobo Onset RG3-M и KESTREL 5000 для регистрации температуры воздуха, осадков, скорости ветра; — фотоловушки со снегомерной рейкой для ежедневного мониторинга высоты и плотности снежного покрова.

Период наблюдений и сбор данных

Основной массив непрерывных данных получен за трёхлетний период (2021–2024) на водосборе реки Анмангында (скважины Сопка и ГП2) и впоследствии на прибрежных низменностях (Сокол, Палатка) [1]. Измерения проводились ежесуточно с автоматической записью.

Микроклиматические параметры регистрировались на высоте 1,5–2,0 м, приборы ориентировались на север для исключения солнечного нагрева. Калибровка снежного покрова выполнялась ежегодно зимой контрольным бурением.

Результаты. Температурные тренды по скважинам

Скважина Сокол (прибережная низменность, 59,9° N, 175 м)

Скважина Сокол, оборудованная в посёлке у берега залива Шелихова, показывает самую высокую среднегодовую температуру в регионе (+1,9 °C), близкую к 0 °C, что указывает на маргинальное состояние ММП в этой локации [1]. Глубина сезонного оттаивания составляет 2,0 м. Данный результат свидетельствует о том, что мерзлота здесь находится в режиме интенсивной деградации, и уже при небольшом дополнительном потеплении (на 2 °C) территория может перейти в зону сезонно-мёрзлого грунта.

Это подтверждается сравнением с историческими данными: ещё в 1960-х годах среднегодовая температура в Магадане составляла –4,1 °C[2], что на 6,0 °C холоднее нынешних условий.

Скважина Палатка (низменность, 60,1° N, 346 м)

На скважине Палатка, расположенной в 140 км северо-восточнее Магадана, температурный режим более стабилен: среднегодовая температура пород составляет –0,4 °C, что отражает переходное положение между маргинальной и устойчивой мерзлотой [1]. Глубина сезонного оттаивания здесь больше, чем на Сокол — 3,0 м, что связано с иной растительностью и снежным покровом.

Скважины Сопка и ГП2 (долина реки Анмангында)

На водосборе р. Анмангында (высоты 700–1027 м) обнаружены выраженные различия в температурном режиме между возвышенностями и долинами [1-3]:

Скважина Сопка (горно-привершинный тип, высота 1027 м): среднегодовая температура –3,2 °C, глубина оттаивания неизменна 1,3 м за три года наблюдений. Зимняя температура на глубине 1 м повышается, что указывает на чувствительность этой локации к колебаниям температуры воздуха.

Скважина ГП2 (горно-долинный террасовый тип, высота 712 м): среднегодовая температура –1,8 °C, но здесь выявлена тревожная динамика — глубина сезонного оттаивания увеличилась с 0,9 м в 2022 году до 1,2 м в 2023 году, т. е. на 33 % [1-3]. Это свидетельствует об ускорении деградации в этой долине.

Высотная поясность и инверсия климата

Анализ данных 12 скважин вокруг поселения Усть-Омчуг–Кулу выявил влияние инверсии температуры: наиболее холодные условия наблюдаются либо на вершинах гор (1000–1200 м), либо в долинах (600–700 м), в то время как промежуточные высоты (700–1000 м) в прирусловых ландшафтах значительно теплее [1-2]. Это объясняется спуском холодного воздуха с вершин в долины, явлением, известным как температурная инверсия в криолитозоне.

Градиент понижения температуры пород с юга на север составляет примерно 1 °C на градус широты для надпойменных террас [1].

Динамика сезонного оттаивания

Увеличение глубины сезонного оттаивания (или активного слоя, англ. active layer thickness, ALT) — ключевой индикатор деградации ММП. За три года наблюдений на ГП2 произошел рост ALT на 0,3 м (33 %), при этом на Сопка величина осталась стабильной [1-3]. Такая неоднородность развития процессов подчеркивает необходимость локального мониторинга: прогноз, основанный только на региональных данных метеостанций, может быть неточен.

Обсуждение. Сравнение с исторической база данных

Первый научный мониторинг ММП в Магадане был организован в 1971 году. К 1990-м годам сеть наблюдений сократилась до двух пунктов с глубиной измерений всего 3,2 м, что оказалось неадекватно для территории в 450 тыс. км²[1]. Текущая региональная сеть восполняет этот пробел.

Сопоставление с данными эпохи 1960–1990 гг. показывает: — Тренд потепления на +2 °C за 60 лет (от –4,1 до –2 °C в Магадане)[2]; — Переход части территории из зоны сплошной мерзлоты в зону прерывистой мерзлоты; — В Сусумане (самой холодной точке области) уже 75 % территории переходит на талые и сезонно-мёрзлые грунты [2-4].

Если темп потепления сохранится, через 60 лет температура может приблизиться к 0 °C, а ещё через 60 лет может стать положительной на большей части низменностей региона.

Значение для проектирования зданий: два принципа

Норма проектирования в криолитозоне предусматривает два альтернативных принципа [4-6]:

Принцип I — сохранение мерзлоты применяется, когда расчёты показывают, что при оттаивании грунта деформации будут неприемлемы. Здесь используются: — Свайные фундаменты глубокого заложения; — Проветриваемые подполья (воздушные подушки 1,5–2,0 м между первым этажом и грунтом); — Термостабилизаторы (системы охлаждения с парожидкостными термосифонами), поддерживающие температуру до –10 °C на глубине 10 м [5-7].

Принцип II — допущение оттаивания применяется редко: лишь при мощности ММП менее 10 м и её прерывистом распространении. Это условие характерно для маргинальной мерзлоты, такой как в Магадане на побережье [3-4].

Проблемы свайных фундаментов при деградации мерзлоты

Исторический опыт Магадана показывает, что в 1930–1960-х годах, при интенсивном строительстве, часто возникали аварийные деформации зданий. В 1971 году специалисты пришли к выводу, что свайный фундамент — наиболее эффективный вариант для Магадана[2].

Однако при деградации мерзлоты механизм отказа свай становится сложнее [6]:

Морозное пучение — при замерзании грунтовых вод вокруг сваи происходит расширение, и свая может быть выталкивана вверх на 20–30 см. Это явление называется negative friction (отрицательное трение) и наблюдалось на терминале аэропорта Сокол в 1988–1990 гг. [6]

Потеря несущей способности при оттаивании — когда ледяной цемент между сваей и грунтом тает, несущая способность резко снижается. Расчётная глубина заложения, обоснованная для мерзлоты температурой –3,6 °C, становится недостаточной, если мерзлота деградирует до –1,8 °C.

Неравномерные осадки — если различные участки фундамента теряют несущую способность неравномерно, здание подвергается дифференциальной осадке, что приводит к появлению трещин в стенах и разрушению конструкций.

Пример: Аэропорт Сокол в Магадане

Здание пассажирского терминала аэропорта Сокол, построенное в конце 1980-х на свайном фундаменте, демонстрирует классический сценарий отказа [6-9]:

Котлован оставался открытым более двух лет; осенние дожди и зимние оттепели привели к переувлажнению грунта.

При промерзании насыщенного грунта произошло морозное пучение на глубину до 5 м, поднявшее нагруженные и ненагруженные кусты свай на 20–30 см неравномерно.

После завершения строительства здание стало деформироваться из-за просадки протаявших грунтов под негативным трением.

К 1991 году на фасаде и внутри здания появились характерные паутинообразные трещины.

Несмотря на рекомендации усиления фундамента (1991), меры не были приняты, и деформации продолжаются более 30 лет [6-9].

Этот пример подчеркивает критическую важность: — Качественных инженерно-геологических изысканий перед началом строительства; — Защиты строительной площадки от увлажнения; — Постоянного геодезического мониторинга осадок фундамента.

Инженерные решения для новых объектов

На основе данных мониторинга ММП и опыта Магадана, для зданий в зоне деградирующей мерзлоты рекомендуются [5-6]:

Термостабилизаторы — сезонно-действующие установки охлаждения (СОУ) с парожидкостными устройствами, погружаемыми в полость сваи. Летом они работают в режиме холодильной машины, зимой используют наружный воздух. Такие системы используются в Якутии и Норильске и поддерживают температуру грунта до –10 °C.

Стеклопластиковые сваи — в 2024–2025 годах учёные СПбПУ разработали новые конструкции стеклопластиковых свай, снижающих вес конструкции на 6 % и повышающих надежность на 30 % относительно традиционных железобетонных свай [5].

Глубокое заложение — свайные фундаменты требуют погружения ниже расчётной границы оттаивания с учётом деградации.

Геодезический мониторинг — установка осадочных марок по периметру и систематические высокоточные измерения (минимум один раз в год, в критический летний период).

Риски для дорожной инфраструктуры

Данные мониторинга также применимы к расчёту стабильности дорог. Деградация ММП приводит к [1-2][5]:

— Дифференциальным просадкам и волнистости дорожного полотна; — Оползневому разрушению обочин;

— Морозному пучению и образованию наледей;

— Эрозионному разрушению откосов.

Фундаментальное управление дорожной инфраструктурой в криолитозоне требует включения данных о локальных температурах ММП в проектные расчёты, а не только опоры на региональные климатические норм.

Выводы и рекомендации. Ключевые находки

Дифференциальная деградация: Температурный режим ММП в Магаданской области существенно различается в зависимости от ландшафта, высоты и близости к водоёмам. Маргинальная мерзлота на побережье (Сокол, +1,9 °C) кардинально отличается от холодных гор (Сопка, –3,2 °C). Один региональный прогноз неадекватен для проектирования инфраструктуры на всей территории области.

Ускорение активного слоя: На скважине ГП2 в долине р. Анмангында глубина сезонного оттаивания увеличилась на 33 % за три года (0,9 → 1,2 м). Это указывает на ускорение деградации в некоторых локациях.

Недостаточность исторических нормативов: Свайные фундаменты, спроектированные для температур –3,6 °C (1990-е годы), находятся в зоне риска при текущих температурах –2 °C и тренде к ещё большему потеплению.

Микроклиматическое влияние: Высота, растительность и близость к водоёмам создают микроклиматические особенности, которые нельзя игнорировать при проектировании.

Практические рекомендации

Для строителей и проектировщиков:

— Требовать инженерно-геологические изыскания с бурением скважин на глубину не менее 20–30 м в каждой новой локации, с термометрией и определением влажности грунтов.

— Включить в проекты термостабилизаторы для зданий в зонах маргинальной и прерывистой мерзлоты. — Установить системы геодезического мониторинга осадок фундамента, с минимум годовыми измерениями, особенно в летний период.

— Адаптировать расчётные параметры несущей способности свай в соответствии с локальными данными температуры ММП, а не региональными средними значениями.

Для органов власти и научных организаций:

— Расширить сеть термометрических скважин до 40–50 точек в критических зонах (города, магистрали, промышленные объекты), обеспечив пространственное покрытие всех типов ландшафтов.

— Интегрировать данные мониторинга в государственные нормативы проектирования (актуализация СП 14.13330).

— Организовать открытый доступ к данным скважин для проектных и исследовательских организаций. — Финансировать постдипломное образование специалистов в области геокриологии и инженерного мерзлотоведения.

Перспективы. Региональная сеть мониторинга ММП в Магаданской области, развёрнутая в 2021–2024 гг., закрыла критический пробел в данных, существовавший с 1990-х годов. Она позволит улучшить качество проектирования и предотвратить аварийные ситуации, подобные деформации аэропорта Сокол. Однако для полного управления рисками деградации мерзлоты необходимо: — Продолжить мониторинг минимум 10–15 лет для выявления долгосрочных трендов; — Интегрировать спутниковые данные (InSAR, микроволновые снимки) для картирования деформаций на региональной шкале; — Разработать региональные дифференцированные нормы проектирования для различных ландшафтно-геокриологических зон.