Мерзлые грунты Сибири и российской Арктики исследовали ученые НГТУ НЭТИ

В Новосибирском государственном техническом университете НЭТИ оценили состояние геологических сред российской Арктики и Сибири. Исследование позволило определить, как именно мерзлые грунты реагируют на изменения температуры, в том числе под влиянием техногенных факторов.

Ученые НГТУ НЭТИ провели многомасштабное моделирование напряженно-деформированного состояния геологических сред при участии Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН (ИНГГ СО РАН). Чтобы оценить поведение грунта в условиях многолетней мерзлоты, исследователи создали математические модели, которые показали состояние почв при изменении температуры и под влиянием внешних нагрузок. Выяснилось, что вечной мерзлоту на территории Арктики и Сибири можно назвать условно — на самом деле она чутко реагирует на каждый сезон и даже тепло от построек и трубопроводов.

По словам руководителя проекта кандидата физико-математических наук, доцента кафедры геофизических систем НГТУ НЭТИ Анастасии Кутищевой, летом порода может растаять до глубины четырех метров, но зимой вновь промерзнуть метров на пять. По данным моделирования, большое значение имеет не только температура воздуха, но и снежный покров, который работает как естественный утеплитель. «Конечно, это общеизвестный факт, однако это косвенно подтверждает корректность получаемых результатов. Иными словами, численное моделирование соответствует «физике процесса», — рассказала ученый.

Особенно любопытные результаты были получены при изучении техногенных факторов, например, влияния свайных конструкций. Выяснилось, что теплая бетонная свая буквально «прожигает» грунт вокруг себя, создавая область постоянного оттаивания, что делает породу менее прочной и создает серьезные риски для строительства, инфраструктуры и экологии. Кроме того, разрушение мерзлых грунтов может привести к выбросу парниковых газов, таких как метан и углекислый газ, что ускорит глобальное потепление.

«Для проверки этих процессов мы использовали специальные вычислительные методы, которые позволили проследить за изменениями мерзлоты с шагом в 10 минут для суточных процессов и один день для сезонных. Все это в будущем поможет спрогнозировать, как будет вести себя грунт дальше, а также учесть различные факторы при строительстве дорог, зданий и трубопроводов в районах вечной мерзлоты», — поделилась Анастасия Кутищева.

Ученые с помощью численного моделирования проверили, как именно мерзлые грунты реагируют на изменения температуры и нагрузки. Выяснилось, что даже без учета подвижности грунтовых вод при оттаивании грунта, а просто под действием гравитации за сезон порода проседает на два сантиметра. Также исследователи зафиксировали последовательное таяние и замерзание породы до четырех метров в глубину, что приводит к деградации структуры породы.

По словам Анастасии Кутищевой, работа ученых НГТУ НЭТИ является уникальной. Методика учитывает сразу несколько взаимосвязанных процессов — теплопередачу, механическую деформацию и фазовые переходы воды в грунт, что дает более точные результаты, чем другие модели, которые чаще всего сосредотачиваются лишь на одной из этих задач. «Кроме этого, созданные алгоритмы мы оптимизировали для параллельных вычислений. Это позволило провести расчеты быстрее и в более высоком разрешении. Чем выше детализация, тем лучше прогноз, а в таких вопросах, как устойчивость зданий или безопасность трубопроводов, точность решает все», — подчеркнула Анастасия Кутищева.

Исследования будут продолжены. Деградация мерзлых пород требует постоянного мониторинга и уточнения прогнозов. В будущем планируется адаптировать разработанные модели к новым климатическим условиям, расширить возможности программного комплекса, провести дополнительные вычислительные эксперименты и проанализировать, как изменяющийся климат повлияет на многолетнемерзлые породы.