ИСТИНА

Создание электронного атласа абразионной и ледово-экзарационной опасности прибрежно-шельфовой зоны Российской Арктики

According to its definition, abrasion is a process of destruction of the coasts anf underwater slope. For the seas situated in the cryolithozone, the coasts of which are composed by frozen sediments, along with mechanical abrasion, executed by waves and storm surges, thermal abrasion is characteristic. Thermal abrasion develops under the influence of thawing of the frozen grounds due to their contact with water and air. In fact, these two processes act simultaneously, and therefore thermal abrasion should be determined as a thermomechanical process. Thermoabrasional coasts have low resistance to erosion. About half of the coasts of the Russian Arctic seas are composed by perennially frozen loose deposits and are therefore vulnerable for thermal abrasion. In the natural conditions such coasts can retreat with rates of 1-3 m per year. One of the consequences of the global climate warming is considerable increase of wave abrasion and thermal abrasion in the last decade. It is determined by changes in the thermal and wave energy regime and by the sea level rise. The increase of the ice-free period duration and wave fetch length leads to the enhance of the wave action on the coast, which, in its turn, influences coastal dynamics by the increase of abrasion. Climate warming is most brightly expressed in the dynamics of the coasts composed by perennialy frozen grounds. On some sections of the Arctic coasts, rates of retreat reach 5-10 m per year. During one year, Russia loses a territory comparable to the area of a small European Country, e.g., the Principality of Liechtenstein, within its Arctic coasts only. The dynamic impact of ice formations (sea ice and icebergs) on the bottom are attributed to the category of dangerous processes. The most wide-spread of them is ice gouging. Ice gouging is destructive mechanical action of sea ice on the underlying surface. The mechanical action on the coasts and bottom of the freezing seas is connected with the dynamics and drift of sea ice, its mobility, hummocking and formation of stamukhas under the influence of hydrometeorologic factors and of the relief of the coastal zone. Ice gouging can act in the coastal zone up to 15-20 m a.s.l. on land and up to depths of 15-30 m, or even 50-65 m, on the bottom. Keels of big hummocky formations reaching depths of 50 m, were directly observed from submarines. Hummocky formations, created from multiannual sea ice with high resistance can make ice gouges of up to 4 m depth on the bottom during their movement with the currents, wind and due to mechanical interaction with ice fields. The deepest areas of the shelf which can be affected by icebergs calving from glaciers have not been documented for the Russian Arctic; however, in the Arctic conditions their depth can be estimated as not less than 100-150 m. In the regions of the glaciers coming to the ocean where the icebergs calve, holes and gouges up to 10 m occur on the sea bottom. At present, a new stage of the development of remote oil and gas fields on the shelf of the Arctic seas starts. In the last decades, due to the exploration of oil and gas resources on the coasts and shelf of the Russian Arctic, human impact on the coastal systems has been rapidly growing. On the coasts and in the coastal-shelf zone, numerous engineering facilities are being constructed and operated oil terminals, drilling and production platforms, underwater pipelines, other living or industrial objects and infrastructure. Constructing of oil and gas fields and creating facilities for conservation and transportation of carbohydrates in the severe Arctic conditions require a complete assessment of natural factors determining geoecological and geotechnical safety. However, as experience shows, in most of the cases, these objects are constructed and operated without due account of the coastal dynamics and sea ice impact on the coasts and bottom. Unfortunately, at oil and gas facilities, design and construction without account of coastal processes and sea ice action have often lead to emergencies and considerable money loss. In particular, underwater pipelines exposed as a result of abrasion are very likely to face sea ice action. Examples of that are the Varandey industrial area in the Pechora Sea and the Kashgan site in the Caspian Sea (Ogorodov, 2005; Chernikov, 2006; Buharitsin, Ayazbayev, 2013), where emergencies of this type made the exploration of the coastal zone more complicated and lead to considerable expenses connected with liquidation of the negative consequences and reparation of the destroyed ecosystems. In this way, investigations of hazardous geomorphic processes on the coasts and shelf of freezing seas are of both high fundamental and applied importance. At the initial stage of the RSCF in 2016-2018, an integrative technology of monitoring of thermoabrasional coasts and ice gouging microrelief in the coastal and shelf zone of freezing seas covering the whole array of the modern observational methods was elaborated and tested. The new stage of applied investigations of 2019-2020 will result in a transition from the elaborated methods and technologies to the adaptation of the fundamental results for their consequent practice implementation. The most important task during planning, design and realization of any project in the severe conditions of the coastal and shelf zone of the Russian Arctic is the safety of the construction and operation of the engineering facilities. Practically, strategic decisions on planning and constriction are often made at the stage before the investments and before prospect investigations for a certain infrastructure object, when there is absolutely no understanding which safety problems such an object will face. The construction, in its turn, is done quickly and in a hurry, before all the recommendations and advice of the research community and specialists are taken into account. A prominent example is the underwater crossing of the main gas pipeline “Bovanenkovo-Ukhta” across the Baydaratskaya Bay of the Kara Sea built within the zone of the most intense impact of ice formations on the bottom (Ogorodov et al., 2013). It is evident that a data and information source on the intensity of hazardous morpholithodynamic processes in the coastal and shelf zone of the Russian Arctic is necessary, that would be understandable not only for a specialist in this area, but would also be easy and available for a wide range of end users: engineers, designers, leaders at stages before the investments and prospect surveys. A map is the most appropriate and easy to understand data source on the intensity of hazardous processes and scales of their distribution. During the continuation of the RSCF project, a series of maps of “abrasion and ice gouging hazards” will be developed based on the methods of the segmentation of the coastline and zoning of the coastal and shelf zone according to the intensity of ice impact on the coasts and bottom, which had been elaborated in 2016-2018. These maps will compose an Electronic Atlas available online on the Web. Such an atlas can link research and practice, illustrating the intensity of processes hazardous for the operation of hydrotechnical facilities in the coastal and shelf zone of Russia. In this way, scientific unity of the project will be assured, and logical transition from the fundamental and methodological tasks of the initial stage of 2016-2018 to the explorational and scientific applied tasks of the 2019-2020 stage will be ensured. The main aim of the 2019-2020 stage will be the creation of the “Electronic Atlas of the abrasion and ice gouging hazards in the coastal and shelf zone of the Russian Arctic”. Synthetic maps of the abrasion and ice gouging hazards will be the main new result of the project. The maps will unite estimations of two leading geomorphic processes in the coastal and shelf zone of freezing seas, making together and separately a considerable threat to the infrastructure objects These maps will be an innovative fundamental and applied product with no analogs in Russia or abroad.

Итогом работы этапа 2019-2020 г. Проекта РНФ должен стать Электронный атлас абразионной и ледово-экзарационной опасности прибрежно-шельфовой зоны Российской Арктики. Атлас планируется разместить в свободном доступе на сайте географического факультета МГУ http://geogr.msu.ru/. Впервые в мировой практике будет создан атлас, включающий картографическую интерпретацию оценок интенсивности рельефообразующих процессов, опасных для человеческой деятельности в прибрежно-шельфовой зоне замерзающих морей: (1) абразии берегов и подводного склона (включая термоабразию) и (2) экзарацию берегов и дна ледяными образованиями. Эти процессы неразрывно связаны между собой, будучи частью морфолитогенеза. Типизация берегов Российской Арктики по абразионной опасности будет включать геоморфологическую (тип берега) и динамическую (скорость отступания/проградации береговой линии) составляющие. Абразия берегов опасна как для инженерных сооружений, пересекающих береговую черту, так и для объектов, расположенных в непосредственной близости от берегового уступа. Чем выше скорость отступания берега, тем выше абразионная опасность и опасность для инженерных сооружений. Районирование прибрежно-шельфовой зоны по интенсивности воздействия ледяных образований на берега и дно и последующее картирование, в свою очередь, позволят выявить участки дна замерзающих морей с различным механизмом ледово-экзарационных воздействий, различной интенсивностью экзарации или с ее отсутствием, т.е. более или менее опасные для инженерных сооружений. Пользователь атласа: ученый, инженер, проектировщик, инвестор, принимающий стратегические решения, или простой студент -смогут сделать выводы об опасности того или иного участка, например, для прокладки трубопровода или кабеля связи. Электронный атлас, как и результаты НИР по проекту РНФ в целом, дадут возможность повысить уровень геоэкологической и геотехнической безопасности при проектировании и строительстве инженерных сооружений в прибрежно-шельфовой зоне Российской Арктики, что, несомненно, даст значительный экономический эффект за счет снижения рисков возникновения чрезвычайных ситуаций и катастроф природно-техногенного происхождения. Полученные результаты также могут найти широкое применение в научно-методическом и образовательном процессе.

На первом этапе исследований в рамках проекта РНФ разработана комплексная технология мониторинга динамики термоабразионных берегов, в полной мере охватывающая весь спектр методик наблюдений за динамикой берегов, используемый в разных дисциплинах и включает их взаимодействие. Системе присуща научная новизна: во-первых, в нее включены передовые методики и технологии, а, во-вторых, ее наиболее сильной стороной являются собственные методы, алгоритмы и программное обеспечение, разработанное силами коллектива впервые в рамках настоящего проекта. Актуальной систему мониторинга термоабразионных берегов делает возможность не только анализа данных отступания берегов в прошлом, но и возможность прогнозирования для принятия стратегических управленческих и инженерных решений. В соответствии с проделанной работой, описанной выше, в первую часть единой системы мониторинга, включающую наблюдения за динамикой термоабразионных берегов, вошли следующие результаты, полученные в рамках работы над проектом. Разработаны требования к данным, используемым в исследованиях динамики термоабразионных берегов. Выработаны рекомендации к необходимым метаданным (уточнение формата записи дат, координат, числовых параметров, текстовых параметров, условных обозначений к графическим материалам, оценка погрешностей и др.). Все это позволяет при работе с данными: а) понять их происхождение; б) оценить качество; в) спланировать возможные операции по дальнейшей обработке. Используемые данные впоследствии должны унифицированы и обладают единым форматом; все параметры должны быть четко объяснены и понятны. Существуют также определенные принципы стандартизации, облегчающие наполнение, преобразование и использование банков данных, и, к примеру, включение их в крупные международные базы данных (Pangaea, ACD и др.).

Составлен "Электронный атлас абразионной и ледово-экзарационной опасности прибрежно-шельфовой зоны морей Российской Арктики". Для «погружения» читателя в материал и лучшего понимания механизма развития абразионного и экзарационного процессов в атласе даны описания и примеры основных типов берегов, а также схемы, иллюстрирующие особенности строения ледяного покрова в береговой зоне. Дополнительно в виде серии обзорных карт рассмотрены основные факторы, определяющие характер и распространение абразионного и экзарационого процессов в морях Российской Арктики. На карте литолого-геоморфологического строения побережья отображены морфология берегов и слагающие их породы. На карте геокриологического строения побережья и шельфа показано распространение многолетнемерзлых пород, тип и льдистость грунтов, область распространения многолетнемерзлых пород на шельфе, а также современные ледники. Карта изменений относительного уровня моря и вертикальных движений земной коры отражает средние скорости поднятия или опускания относительного уровня морей Российской Арктики в голоцене. На картах сезонного нарастания и таяния ледяного покрова показано среднее положение 15% концентрации морских льдов с шагом в месяц. Карты строения ледяного покрова в период его максимального распространения, осредненного для периода до (1979-1999 гг.) и во время (2005-2018 гг.) глобального потепления показывают, что структура и площадь, занимаемая разными типами льда значительно изменилась в результате потепления климата. Подобные изменения приводят к смещению зон наиболее интенсивного воздействия ледяных образований на дно. На карте источников и ареалов распространения айсбергов отображены наиболее крупные ледники, от которых могут откалываться айсберги, области их максимальной концентрации и южная граница встречаемости. Собственно, сами карты, иллюстрирующие развитие абразионных и ледово-экзарационных процессов, имеют 3 уровня детальности: обзорный – для всего побережья Российской Арктики, региональный – отдельно для каждого из морей, и третий, наиболее детальный – для него специально выбраны ключевые районы нефтегазового освоения. Обзорная карта позволяет увидеть общие закономерности распространения опасных экзогенных процессов в прибрежно-шельфовой зоне всей Российской Арктики в целом. Региональные карты атласа могут служить в качестве источника базовых знаний и информации о типах морских берегов и скоростях их разрушения, масштабах и видах воздействий ледяного покрова на дно. Эти сведения необходимы как на уровне принятия стратегических инвестиционных решений по освоению крупных месторождений и регионов, так и для организации учебного процесса для студентов и аспирантов. Наиболее детальные карты могут быть востребованы при проектировании конкретных гидротехнических сооружений в береговой зоне морей Российской Арктики.