Корниенко С.Г.
Институт проблем нефти и газа РАН

Безопасность функционирования объектов нефтегазового комплекса на территориях распространения многолетнемерзлых пород (ММП) во многом определяется эффективностью систем мониторинга опасных геокриологических процессов, развитие которых связано как с природными факторами, так и с влиянием самих технических объектов. К числу опасных трансформаций криогенных грунтов относится образование термокарста, термоэрозия, морозное пучение, растепление, заболачивание. Наиболее уязвимыми в этом отношении являются магистральные трубопроводы, поскольку подобные процессы приводят к изменению их положения, деформации и высокой вероятности возникновения аварийной ситуации [1,2].

Предположение о том, что трансформации мерзлых грунтов могут сопровождаться изменениями температуры на земной поверхности и контролироваться системами теплового дистанционного зондировании (ТДЗ) достаточно очевидно, и служит основанием для исследований и разработок в этом направлении [2,3]. Однако на сегодняшний день практически нет методик и технологий, позволяющих учитывать все значимые факторы и, соответственно, получать достоверные воспроизводимые результаты. Реально, из числа опасных геокриологических процессов, по данным ТДЗ в настоящее время достоверно определяются только места подтоплений вблизи технических объектов, что, в большинстве случаев, может быть установлено по визуальным наблюдениям. Интерес представляют картирование неоднородностей ММП, в первую очередь, льдистость грунтов, среднегодовая температура, а также изменения состояния мерзлых грунтов, явно не проявляющиеся на поверхности. Практическая реализация метода в задачах криологии предполагает проведение ряда целевых исследований, к числу которых относится моделирование процессов формирования тепловых аномалий на поверхности реальных криогенных ландшафтов, мультивременной анализ данных ТДЗ, натурные наблюдения вариаций теплового режима мерзлых грунтов, определение информативности метода и условий его применения.

По результатам дешифрирования космических снимков теплового диапазона было установлено, что участки без признаков термокарстовой опасности (ТО) (дренированные, малольдистые) дешифрируются высокими значениями радиационной температуры (РТ) поверхности в дневное время, в период летнего прогрева, в то время как опасные (высокольдистые) зоны попадают в область фоновых и низких значений (Бованенковское НГКМ) [4]. Для подтверждения воспроизводимости результата были проанализированы 9 космических снимков со спутников Landsat 4,5,7 разных лет с 1985 по 2001 г.г. и разных дат в июне, июле, августе, сентябре и октябре (рис. 1). Было установлено, что факт проявления признаков ТО регистрируется по РТ только на снимках сентября и октября.

Рис.1 Характер проявления аномалий радиационной температуры (РТ) над участками термокарстовой опасности в летне-осенний период

Для оценки контрастов температуры на поверхности, связанных с контрастной льдистостью грунтов, была разработана математическая модель, учитывающая затраты тепла на фазовый переход в период летнего прогрева [5]. Расчеты по модели проводились при условии залегания границы массивных льдов на глубине 1.2 м. Результаты расчета температур поверхности грунтов с массивным льдом и без массивного льда на примере характерных метеоусловий 1999 г. (п. Марре-Сале, Западный Ямал) показаны на рис. 2. Оттаивание грунтов в исследуемом районе началось после 17 июня, когда сумма положительных температур воздуха превысила 4.5 °C. Отсутствие температурных контрастов на поверхности, связанных с различной льдистостью грунтов, или их незначительные величины в начале сезона оттаивания, по-видимому, обусловлено большими затратами приходящего к поверхности тепла на фазовые переходы. Заметные контрасты температуры поверхности (1.0–1.4 °C) возникают при значительных глубинах протаивания, в конце июля – начале августа, а максимальные контрасты (до 2.2–2.5 °C) – в сентябре.

Рис. 2. Изменения температуры земной поверхности.

1 - над грунтами без массивных льдов, 2 - с массивными льдами
Теоретической основой разработки метода ТДЗ для оценки неоднородностей грунтов в криолитозоне является тот факт, что в условиях нестационарного теплового воздей-ствия (суточные, годовые колебания температуры воздуха), температура земной поверхности имеет составляющую, зависимую от теплофизических свойств слоя, в частности тепловой инерции (Е), до глубины которого проникают колебания температуры воздуха [6,7]. Разность значений температуры поверхности в моменты максимального и минимального нагрева характеризует Е слоя до глубины проникновения соответственно суточных и годовых колебаний. Таким образом, по измерениям температуры поверхности (контактным или бесконтактным), в том числе по данным ТДЗ, полученным в разное время суток или время года, теоретически можно определить Е грунтов.

Тепловая инерция определяется как

(1)
где, - коэффициенты теплопроводности, удельной теплоемкости, плотности и температуропроводности грунтов. Увеличение льдистости грунтов, при прочих равных условиях приводит к увеличению Е за счет более высокой теплопроводности и теплоемкости льда. Параметр Е, определяемый по данным ТДЗ, широко используется при изучении и мониторинге неоднородностей земной поверхности и поверхности планет.
При инструментальной ошибке измерения температуры 0,1 °С в зонах сплошного распространения ММП глубина проникновения суточных колебаний в среднем составляет 0,2-0,3 м без учета толщины растительного покрова. Годовые колебания проникают до глубины 8-10 м (слой нулевых теплооборотов).
Приращение температуры на поверхности (амплитуда ΔT) зависит от E следующим образом [6]:

(1)
где, Q – поглощенная энергия, τ – время.
Из формулы (1) следует, что при равных условиях поступления энергии (например, солнечного прогрева) различия в ΔT будут зависеть только от E. Таким образом, контра-стные теплофизические свойства грунтов могут характеризоваться по разнице или отношению амплитуд ΔT. В частности, в период прогрева, более льдистые грунты, имеющие более высокие значения Е, буду характеризоваться более низкими значениями приращения температуры поверхности.
Адекватной E, может быть т.н. «кажущаяся тепловая инерция» (КТИ), определяемая по РТ поверхности, измеренной в периоды максимального и минимального прогрева [7,8].

(2)
где К – эмпирический коэффициент. Существование зависимости между КТИ и E позволяет использовать КТИ для оценки E в единицах разности РТ. Грунты с более высо-ким содержанием льда также будут характеризоваться более низкими значениями разности РТ.
Информация о неоднородностях теплофизических свойств верхнего слоя ММП представляет практический интерес при инженерно-геокриологических изысканиях и мониторинге опасных геокриологических процессов. Известно, что на участках с высокими теплоизолирующими свойствами поверхности (низкой Е) вероятность распространения высокольдистых грунтов и мощных пластовых льдов гораздо выше. Отсюда следует, что по характеру тепловой инерции поверхности можно косвенно судить о свойствах ММП. Как было отмечено выше, по разности распределений РТ поверхности в дневное и ночное время суток может быть построена карта, характеризующая теплоизоляционные свойства верхнего слоя. Установлено, что максимальные значения разности дневных и ночных значений температуры поверхности суши для условий Ямала в конце августа могут достигать 6 - 7 °С. Эти значения характеризует участки с минимальной КТИ (или Е) и, соответственно, максимальным теплоизолирующим эффектом.

На основе данного подхода впервые по данным спутника NOAA (пространственное разрешение 1,1 км) получено распределение КТИ, характеризующее теплоизолирую-щие свойства поверхностных покровов на территорию центральной части п-ова Ямал. Основу данного распределения составляет разность значений РТ поверхности, полученных по данным дневной (22.08.1998) и ночной (23.08.1998 г.) съемки. Сравнение результирующего распределения с геоморфологическими и топографическими картами показало, что зоны повышенных значений разности РТ, характеризующие участки с высокими теплоизолирующими свойствами, приурочены, в основном, к водоразделам и морским террасам, в то время как зоны пониженных значений разности РТ, в большей степени прихо-дятся на поймы и надпойменные террасы. Полученный результат, в целом, согласуется с известными представлениями о характере теплоизолирующего поверхностного слоя данных геоморфологических уровней. В тоже время, существенная пространственная дифференциация этого параметра, выявляемая по данным космической съемки, позволяет более детально и достоверно охарактеризовать неоднородность теплоизолирующих свойств поверхности, что практически невозможно сделать другими методами.

Рис.3 Сравнительный анализ распределения разности РТ поверхности, льдистости отложений верхнего горизонта и мощности ММП (Бованенковское НГКМ).

На рис. 3 дан фрагмент карты разности РТ и карты аномалий разности РТ на участок территории Бованенковского НГКМ в сравнении с известными картами льдистости отложений верхнего горизонта и мощности ММП, построенными по данным наземных наблюдений и измерениям в скважинах [9]. Сравнение показывает, что, в основном, аномально высокие значения разности РТ (высокой поверхностной теплоизоляции) приурочены к участкам высокой льдистости грунтов и большей мощности ММП. Приведенный пример иллюстрирует достаточно высокую информативность данных ТДЗ для характеристики неоднородностей мерзлых грунтов и могут использоваться для их изучения и мониторинга, в том числе на слабоизученных территориях. Очевидно, что при использовании данных с более высоким пространственным разрешением, например, полученных при воздушной съемке, на основе данного подхода могут быть охарактеризованы участки ММП при строительстве и эксплуатации технических объектов или находящиеся в непосредственной близости к уже построенным объектам.

Изменение температуры поверхности мерзлых грунтов содержащих растительный покров может быть связано с изменением состояния этих покровов. В этой связи, необходимо разделение этих двух факторов. На первом этапе, по разновременным данным ДЗЗ видимого и ближнего ИК-диапазонов, синхронным по времени с тепловой съемкой, осуществляется выявление зон трансформации поверхностных покровов. Наиболее эффективно для тундровых зон эта задача решается на основе спектрального индекса SWVI, разность значений которого характеризует участки поражения растительности и ее последующего развития (сукцессий) [10]. Далее проводится операция коррекции двух тепловых снимков на неадекватные метеоусловия при формировании теплового поля поверхности. Суть операции состоит в определении регрессионной зависимости между двумя распределениями РТ поверхности по ненарушенным участкам поверхности (песчаники, ягель, массивы лиственницы, водоемы), находящимся на значительном удалении от технических объектов и коррекции одного распределения по отношению к другому. Далее осуществляется комплексное дешифрирование карт трансформации растительности и карт разности значений РТ.

Рис.4.Оценка изменений состояния грунтов на основе комплексной интерпретации данных видимого и теплового диапазонов (участок территории Уренгойского НГКМ, снимки со спутников Landsat 4,7 авг.1988 и авг. 2001 г.г.)

Применение данного подхода проиллюстрировано на рис.4, где в левой части показаны участки развития и поражения растительности (по индексу SWVI), а в правой - изменение РТ поверхности на территории Уренгойского НГКМ. Участки трансформированной растительности характеризуются соответствующими пониженными и повышенными значениями РТ, в зависимости от стадии трансформации. Интерес представляют участки без изменения состояния растительности (А, Б), на которых также отмечаются зоны повышенных и пониженных значений РТ. Повышение может быть связано с дрени-рованием верхнего слоя грунта, что само по себе не представляет опасности для инженерных сооружений. В тоже время причиной понижения РТ может быть увеличение влажности грунта, связанное с изменением условий стока грунтовых или подземных вод. Эти участки вблизи газопровода и железной дороги, а также вблизи УКПГ могут быть отнесены к зонам развития опасных геокриологических процессов.
Важным условием при проведении ежегодного мониторинга состояния ММП явля-ется соответствие не только сезонных, но и суточных фаз измерений. Другим важным условием является определение нарушенных территорий, поскольку на участках с изменением поверхностного покрова состояние мерзлых грунтов также будет отличаться от естественного, и в их пределах более вероятно развитие опасных геокриологических процессов.

Список источников
1. Система менеджмента риска эксплуатации газопромысловых сооружений в геокриологических условиях Арктики и п-ова Ямал / З.С. Салихов, О.П. Андреев, А.К. Арабский, С.Д. Кондратьев, В.Б. Павлунин, Г.П. Ставкин // Наука и техника в газовой промышленности. – 2006. - №3. - С. 18-25.
2. Хренов Н.Н. Основы комплексной диагностики северных трубопроводов. Аэрокосмические методы и обработка материалов съемок. // М.,Газоил пресс, 2003, 352 с.
3. Долгов И.А., Васьков И.В. Авиационный комплекс для дистанционной тепловизионной диагностики магистральных газопроводов / Шестнадцатая Международная деловая встреча «Диагностика-2006» (Сочи, 17-21 апреля 2006 г.): В 2 т. Т.1. – М.: ООО «ИРЦ Газпром», 2006, с. 392-400.
4. Корниенко С.Г. Особенности проявления признаков термокарстовой опасности в тепловом поле земной поверхности по данным космической съемки / Материалы Международной конференции «Криогенные ресурсы полярных и горных регионов. Состояние и перспективы инженерного мерзлотоведения», г. Тюмень, 21-24 апреля 2008 г., Изд-во Научный совет по криологии Земли РАН, 2008, с.189-192.
5. Корниенко С.Г., Разумов О.С. Моделирование контрастов температуры на земной поверхности в условиях неоднородных по льдистости грунтов / Криосфера Земли. 2009. т. XIII, № 2, с. 55-61.
6. Активный тепловой контроль влажных пористых материалов. В.П. Вавилов, П. Бизон, К. Брессан, Э. Гринцато, А.И. Иванов, О. Ковалева, С. Маринетти, О.И. Надавний / Де-фектоскопия, 1991, № 5, с 50.
7. Kahle A.B., Alley R.E. Calculation of thermal inertia from day-night measurement separated by days or weeks.- Photogramm. Eng.& Remote Sens., 1985, v.51, N 1, pp.72-75.
8. Горный В.И., Шилин Б.В., Ясинский Г.И. Тепловая аэрокосмическая съемка. – М.: Не-дра, 1993. – 128 с.
9. Инженерно-геологический мониторинг промыслов Ямала: В 2-х томах Т.2. Геокриологические условия освоения Бованенковского месторождения / Под ред. В.В. Баулина. Тюмень: ИПОС СО РАН, 1996. 234 с.
10. Корниенко С.Г. Оценка влияния разработки Уренгойского нефтегазоконденсатного месторождения на состояние территории лесотундры по данным ИСЗ «Landsat» // Исследование Земли из космоса, 2009, №4, с.78-87