Рассматриваемое десятилетие отличалось значительным расширением объемов и тематики геотеплофизических исследований состояния мерзлых протаивающих и промерзающих пород и процессов в них. Основные исследования велись в следующих направлениях:

1. Исследование тепловых полей криолитозоны, условий формирования отрицательной температуры и процессов глубокого промерзания земной коры;

2. Закономерности тепло- и массообмена в мерзлых промерзающих и протаивающих горных породах;

3. Теплофизические закономерности развития криогенных явлений и их влияние на мерзлые толщи;

4. Воднотепловой режим почв при различных видах орошения лугов и сельхозземель;

5. Термический режим газовых и нефтяных скважин в мерзлых породах;

6. Разработка методов и аппаратуры измерений температуры и теплофизических свойств грунтов и горных пород.

Расширение тематики было связано, в первую очередь, с потребностями науки в объективных инструментальных данных о природных процессах, переходом мерзлотоведения из разряда описательных географических направлений в сторону геофизических и геотехнических наук и разработкой в СССР методов и аппаратуры для изучения естественных явлений и процессов. Во вторую очередь, оно связано с усилением антропогенного прессинга на природную среду и необходимостью слежения за быстро меняющимися процессами и последствиями такого влияния.

В течение рассматриваемого периода геотеплофизические исследования велись лабораториями геотермии (к.г.-м.н. В.Т.Балобаев), гидротермических мелиораций (к.с.х.н. А.В.Павлов), теплофизики криогенных явлений (к.г.н. - д.г.н. Ф.Э.Арэ) и теплофизики (к.ф.н. И.М.Кутасов).

По первому направлению исследования проводились лабораторией геотермии, которая сформировалась в 1962 году. Основной костяк лаборатории составляли научные сотрудники В.Н.Девяткин, Б.В.Володько, В.Г.Русаков, А.И.Левченко, Ю.Г.Шесткевич, С.И.Заболотник, Р.И.Гаврильев, Н.И.Шендер и инженеры А.А.Чухно, В.Ю.Шамшурин, Н.Д.Костюнин, И.Д.Никифоров, О.П.Гулая (Губа-нова).

В начале 70-х годов в Институте усилиями В.Т.Балобаева, Г.М.Руденко, В.Г.Романова была разработана методика и создана аппаратура для градуировки полупроводниковых терморезисторов, удовлетворяющая потребность Института. Благодаря этому коллективом лаборатории геотермии были разработаны конструкции легких, транспортабельных и высокоточных геотермических установок для измерения температуры в глубоких скважинах до глубины 1-1,5 км. С их помощью стало возможно проводить измерения температуры во всей толще мерзлых пород и ниже ее в любом труднодоступном районе. Это сразу значительно расширило географию и объем геотермических исследований криолитозоны и нижележащих талых пород. Первоначально они ограничивались пределами Якутии.

Крупные исследования были проведены на разведочных площадях Вилюйской группы газовых месторождений в связи с их подготовкой к эксплуатации (Барыканской, Вилюйской, Линденской, Хайлахской, Мостахской, Неджелинской, Бадаранской, Средне-Вилюйской, Усть-Вилюйской, Собо-Хаинской, Уордахской, Эксеняхской). Они расположены в пределах Вилюйской синеклизы, сложенной с поверхности достаточно рыхлыми несцементированными меловыми песчанистыми породами. Исследованиями было установлено, что криолитозона этого региона, аномально мощная, а температурное поле в ней не стыкуется с таковым в нижележащих талых породах.

Для объяснения этого явления в лаборатории геотермии было организовано измерение теплопроводности кернов горных пород и определение тепловых потоков в мерзлой и талой зонах. Их сравнение показало, что тепловой поток в талой зоне намного больше, чем в криолитозоне. Недостающая часть внутриземного теплового потока поглощается на нижней фазовой границе, вследствие чего эта граница перемещается вверх со скоростью 1-3 см в год. Так было обосновано широкое существование нестационарных толщ мерзлых пород. С тех пор определение внутриземного теплового потока в ходе геотермических исследований стало обязательным, что позволило изучить энергетику и динамику криолитозоны в разных регионах ее развития. Благодаря этому информатизм геотермических исследований очень сильно возрос.

Внутриземной тепловой поток формируется в земной коре и мантии и определяется их составом, строением, состоянием и динамическими процессами в этих оболочках земли. Таким образом стало возможным связать процессы промерзания земной коры с глубинными процессами в коре и мантии. Научная ценность и современность проводимых Институтом геотермических исследований была признана в СССР и за рубежом. С 1972 года геотермические работы начинают проводиться в рамках государственных научно-технических программ: с 1972 по 1976 год - "Изучение структуры геотермических полей земной коры в верхней мантии", с 1977 по 1981 год - "Роль теплового поля земли в геодинамике в зонах глубокого промерзания земной коры".

Участие в выполнении госпрограмм инициировало более широкие региональные геотермические исследования с целью изучения геотеплового состояния важнейших геотектонических структур криолитозоны. Были исследованы мерзлотно-геотермические условия Алданской антеклизы (угольные месторождения Таежное, Селигдар, Тарыннах) , Непско-Ботуобинского свода Анабарской антеклизы (трубки "Удачная", "Мир", "Интернациональная", "Юбилейная", "Сытыканская", "Айхал"; нефтегазовые месторождения Средне-Ботуобинское, Нелбанское, Юргинское, Инктехское, Верхне-Вилюйчанское, Пеледуйское). Продолжались начатые ранее геотермические исследования на территории Верхояно-Чукотской горноскладчатой области (месторождения Кулар, Нежданинское, Сеймчан, Сардана, Дуэт, Омолой, Звездочка). Начались исследования за пределами Якутии. Крупные работы были проведены под руководством А.И.Левченко в Западной Сибири ( месторождения полуострова Ямал и Таз-Куровской нефтяной провинции, месторождения Сибирских увалов и широтного участка Оби, Приенисейские месторождения, Мессояхо-Селенинская группа месторождений). Было изучено при активном участии Б.В.Володько и В.Г.Русакова тепловое состояние криолитозоны на западной и северо-западной окраинах Сибирской платформы (месторождения Курейка, Ираас, Ханар, в Попигайской котловине, Енисей-Ханангском прогибе и на Енисейском кряже). Этот перечень можно пополнить измерениями в отдельных скважинах криолитозоны.

В результате таких интенсивных работ было получено огромное количество научной информации, которая позволила совсем по новому взглянуть на процесс глубокого промерзания земной коры и состояние криолитозоны в настоящее время.

Во-первых, экспериментально было доказано, что внутриземной тепловой поток оказывает решающее влияние на мощность криолитозоны. Самая мощная толща мерзлых пород наблюдается в областях с наименьшим тепловым потоком (Анабарский кристаллический массив и его склоны), а наименьшая в тектонически активных зонах с высоким тепловым потоком (Верхояно-Колымская складчатая область). Позже это было обосновано В.Т.Балобаевым теоретически.

Во-вторых, анализ тепловых потоков показан, что через них существует прямая зависимость мощности мерзлой толщи от тектонико-динамической активности земной коры, особенно в мезокайнозойский период. В-третьих, было показано повсеместное развитие нестационарных мерзлых толщ во всех депрессиях, моложе юрского возраста. Самой крупной из них является Западно-Сибирская плита. В ее пределах районированы с севера на юг мерзлые толщи, развитые с поверхности, но оттаивающие снизу, реликтовые мерзлые толщи, оторванные от поверхности и протаивающие и сверху, и снизу и двухслойные мерзлые толщи с реликтовой мерзлотой и новообразованной с поверхности. Рассчитаны скорости движения фазовых границ.

Нестационарные мерзлые толщи сохраняют в своем современном состоянии память о прошлом. В.Т.Балобаевым был создан метод извлечения этой памяти - реконструкция палеогеокриологических условий в период последней холодной эпохи плейстоцена и в голоцене. С его помощью были получены весьма точные количественные данные о температурах мерзлых пород в ту эпоху и о ареалах покровного оледенения в Западной Сибири и Якутии (1978). Эти же реконструкции позволили объективно доказать, что в перигляциальной зоне существовали подпрудные пресноводные бассейны.

В 70-х годах в связи с геотермическими исследованиями в горных районах возникла проблема формирования мощности криолитозоны в разных элементах горного рельефа. Основная масса мерзлотоведов строила карты мощности мерзлых пород примитивным образом: определялась температура поверхности верхнего слоя горных пород в какой-то точке, на другие элементы рельефа пересчитывалась с учетом классического градиента температуры в свободной атмосфере, а затем эта температура делилась на геотермический градиент и получали мощность криолитозоны. Это не укладывалось ни в какие физические рамки, так как гипсотермический градиент в горах меняется в широких пределах из-за температурной инверсии, и геотермический градиент меняется от одного элемента рельефа к другому.

Сотрудником лаборатории геотермии Ю.Г.Шасткевичем был предложен ряд вариантов решения уравнения теплопроводности для среды с нелинейными границами с помощью теории подобия и решения некорректных обратных задач математической физики, которые интенсивно развивались в СССР школами А.Н.Тихонова и . .Лаврентьева. В 1978 году им была защищена кандидатская диссертация "Аналитическое моделирование стационарного геотермического поля". В ней сформулированы и решены актуальные вопросы разработки математической теории интерпретации геотермических наблюдений в любой пространственной среде. Разработан общий метод построения частных решений: метод производящий функции, позволяющий построить пространственное стационарное температурное поле в однородной и неоднородной среде по фактическим данным. Теория была проверена на большом фактическом материале, полученном В.Н.Девяткиным, Ю.Г.Шасткевичем, В.Ю.Шамшуриным и А.И.Левченко. Особую роль сыграли материалы геотермических исследований на Нежданинском месторождении, расположенном на самом высоком хребте области криолитозоны Сунтар-Хаята ( высота около 3 000 м). Благодаря очень детальным исследованиям и использованию ЭВМ было построено двухмерное температурное поле хребта, полностью совпадающее с фактическими данными (Балобаев В.Т., Левченко А.И.). Его анализ однозначно показал, что мощность мерзлых пород под различными элементами рельефа формируется, главным образом, под влиянием перераспределения внутриземного теплового потока под влиянием рельефа. В хребте Сунтар-Хаята оно приводило к четырех-пятикратному превышению значений теплового потока под долинами, по сравнению с вершинами, и сокращению мощности мерзлых пород под долинами в два раза. В дальнейшем был разработан аналитический метод построения двухмерных полей криолитозоны по ограниченному набору фактических данных в разных точках пространства при любом рельефа поверхности.

В 1978 году впервые были проведены геотермические измерения в скважинах на шельфе моря Лаптевых вблизи острова Б.Ляховский (В.Ю.Шамшурин). Они показали отсутствие под дном моря реликтовой мерзлоты и существование нормального термического режима с отрицательной температурой поверхности дна и верхнего слоя горных пород до 30-50 м.

В конце 70-х годов проведено обобщение данных по внутиземному тепловому потоку криолитозоны и построена карта теплового потока масштаба 1:10 000 000, устанавливающая тесную взаимосвязь теплового состояния земных недр и глубины промерзания земной коры с геотектоническими структурами и геодинамическими процессами. Выявлены зоны с минимальным тепловым потоком (менее 20 мВт/м2), который наблюдается в пределах Анабарской антеклизы и на краевых частях Сибирской платформы. Эти регионы отличаются наиболее мощной криолитозоной. Максимальные потоки обнаруживаются в пределах высокогорной Верхояно-Черской складчатой области.

Как уже говорилось выше, расширение объема и номенклатуры геотеплофизических исследований было определено методическими и аппаратурными разработками как лаборатории геотермии, так и других. В течение этого времени совершенствовалась гидроизоляция терморезисторов для скважинных установок. В конце концов небольшие защитные капсулы стали позволять измерять температуру в скважинах, заполненных разными растворами или водой, до глубины 2 км. Был создан обмоточный станок для изготовления термокос и кабеля из отдельных жил геофизических проводов. Были созданы секционный штанговый измеритель температуры в горизонтальных и вертикальных шахтных шпурах и термощуп, погружаемый в сезонно-талый слой.

В 60-х годах в Институте мерзлотоведения была создана теплофизическая лаборатория, которая занималась созданием методов измерения теплофизических свойств промерзающих и мерзлых грунтов. Позже в связи с началом определений внутриземных тепловых потоков возникла необходимость в широких масштабах заняться исследованием теплофизических и физических свойств горных пород разной степени литификации и генезиса по кернам буровых скважин. Были разработаны лабораторные и полевые методы их измерения (Гаврильев Р.И., Никифоров И.Д., Костюнин Н.Д.). Определялись плотность, влажность, пористость, теплопроводность и теплоемкость. В лаборатории использовались методы стационарного и регулярного режима, метод плоского источника тепла. В полевых условиях использовались зондовые методы (короткий и длинный цилиндрические зонды), а в шахтах - прижимной плоский зонд. Теплоемкость определялась в адиабатическом калориметре, а влагоемкость - в вакуумном эксикаторе.

К концу 70-х годов были изучены свойства около 1 000 кернов горных пород алмазных месторождений Западной Якутии, нефтяных месторождений Западной Сибири, месторождений зоны БАМ и западной части Сибирской платформы, угольных месторождений Южной Якутии.

Были созданы методы и установка для определения теплопроводности крупнообломочных пород, которую нельзя определить по одиночным кернам (Р.И.Гаврильев, В.Т.Балобаев, И.Д.Никифоров). Эти результаты позволили перейти к расчету тепловых полей для конкретных условий и геологических сред.

В 70-х годах продолжались теплобалансовые стационарные наблюдения за процессами формирования температуры верхнего слоя горных пород при взаимодействии с приземным слоем атмосферы в разных природно-ландшафтных ассоциациях. Основной комплекс наблюдений проводился на теплобалансовом стационаре Института в г.Якутске силами лаборатории гидротермических мелиораций (А.В.Павлов, А.Н.Прокопьев). Были организованы две основные площадки. Одна с луговой растительностью на большой лесной поляне (50 х 50 м), другая - в сосновом лесу и над ним. На них проводились в полном объеме актинометрические и градиентные наблюдения за суммарной, рассеянной и поглощенной радиацией, радиационным балансом, температурой, влажностью, скоростью ветра на разных высотах в воздухе. В почвенно-грунтовом слое измерялась температура на поверхности и в деятельном слое и тепловые потоки на разных глубинах. Баланс влаги измерялся влагомерами и испарителями.

Благодаря этим наблюдениям были установлены особенности и различия тепло- и влагобаланса горных пород с атмосферой в наиболее типичных для зоны развития мерзлых пород ландшафтах. В результате всех видов теплообмена - радиационного, турбулентного и кондуктивного и процессов конденсации-испарения температура грунтов в лесу оказывается на 1-20 ниже, а глубина протаивания на 10-15% меньше, чем на открытых участках. Таежные ландшафты оказывают охлаждающее влияние на криолитозону, несмотря на увеличение радиационного баланса в них в 1,5 раза.

Начиная с 1975 года были организованы площадки с искусственными поверхностными покрытиями - пенопластом и пленками. Особо детальные наблюдения были поставлены в снежном покрове. Наблюдались его динамика, испарение, структурные изменения, теплообмен в нем и потоки влаги. В результате были предложены расчетные схемы теплопроводности снега в зависимости от его плотности, структуры и температуры для условий Центральной Якутии. Было показано, что в весенний период испаряется значительное количество снега (Ф.Э.Арэ). Было показано, что на площадках, покрытых пленками снижается испарение, турбулентный поток тепла и радиационный баланс. Пенопластовые покрытия очень сильно (в 3-6 раз) уменьшают сезонное протаивание.

Результаты исследований были обобщены в монографии А.В.Павлова "Теплообмен почвы с атмосферой в северных и умеренных широтах территории СССР". В ней проведен сравнительный анализ внутригодового хода составляющих внешнего теплообмена в естественных ландшафтах Центральной Якутии, Енисейском Севере, Большеземельской тундре и Подмосковье.

В период с 1971 по 1974 год проводились режимные теплобалансовые наблюдения на стационаре в г.Игарке на пяти экспериментальных площадках (естест-венной безлесной, оголенной, заторфованной, в березовом лесу и покрытой пленкой). В результате была изучена теплозащитная роль снега, его теплопроводность и диффузия водяного пара в нем. Было показано, что в районе Игарки в грунт летом поступает 10% аккумулируемого поверхностного тепла. Даже редкий березовый лес понижает температуру мерзлых пород на 1,0-1,80С (А.В.Павлов, П.Н.Скрябин, Б.П.Сергеев).

Аналогичные работы были проведены в 1974-1976 годах на Соленинском стационаре (северо-восток Тюменской области). Наблюдения выполнялись на трех естественных площадках (мохово-лишайниковая, осоковая и ерниковая тундра) и четырех техногенных площадках ( с удаленным и нарушенным напочвенным покровом, с покрытием и залитой водой). Было показано, что удаление и нарушение тундрового покрова приводит к увеличению радиационного баланса, теплового потока в почву и испарения, соотношение испарение-радиационный баланс в тундре меньше, чем в умеренной зоне. Дана оценка эффективности ряда покрытий поверхности (А.В.Павлов, А.А.Мандаров, П.Н.Скрябин, Б.Н.Сергеев).

В 1978-1979 годах в связи с созданием в пойме р.Лены намывных песчаных территорий для застройки был проведен комплекс теплобалансовых и теплофизических наблюдений за процессами на поверхности и в промерзающих песках. Показано, что естественное промерзание намывной насыпи, высотой 6-7 метров, будет продолжаться от трех до десятка лет в зависимости от состояния снежного покрова (А.В.Павлов, А.А.Мандаров, Р.И.Гаврильев, А.Н.Прокопьев, П.Н.Скрябин, Ю.Б.Скачков, Н.И.Вотякова).

Наконец, последний крупный стационар, где лаборатория гидротермических мелиораций проводила систематические тепло- и влагобалансовые исследования на поверхности был организован в районе оз.Сырдах в 1973-1977 годах. Наблюдения велись на 3-х ландшафтных комплексах: озеро, лиственничный лес и открытый участок аласа. Изучены радиационный, тепловой и водный режимы в течение четырех лет. На озере радиационный баланс на четверть больше, чем на суше, а испарение в 2 раза превышало сумму осадков. Качественная картина теплообмена над лиственничным лесом и в лесу не отличается от соснового, а количественные характеристики несколько отличаются. В результате температура поверхности почвы в лесу в среднем за год была на 1,10С ниже, чем на открытом аласе, а глубина протаивания в 1,5 раза меньше (А.В.Павлов, А.Л.Арэ, А.Н.Прокопьев, Ю.Б.Скачков).

В связи с правительственным решением о строительстве Байкало-Амурской железнодорожной магистрали (БАМ) в Прибайкалье и Забайкалье начались интенсивные инженерно-геологические изыскания и проектирование по трассам дороги и на площадях перспективных месторождений полезных ископаемых. В 1972-1973 годах были проведены микроклиматические и теплобалансовые исследования на территории Черемховского угольного бассейна (Иркутская область). Задачей их явилось изучение влияния леса и его вырубки на тепловой режим грунтов и возникновение и деградации мерзлоты. Было показано, что острова мерзлоты формируются только под пологом леса и оттаивают после его вырубки. Луговые ландшафты характеризуются только сезонным промерзанием.

В 1975-1979 годах были проведены очень крупные стационарные исследования теплообмена поверхности с атмосферой, потоков тепла в грунтах и процессов формирования температуры в среднегорных условиях северного БАМа (район Золотинки). Значительные участки железной дороги проходят по таким участкам и необходимо было выяснить их криогенное состояние и изменение его при техногенном нарушении поверхности. Наблюдения велись на 16 площадках, расположенных на разных высотах (800-1 000 м), разных элементах рельефа, на склонах разной экспозиции и при разных поверхностных условиях. Одна площадка располагалась на наледи в долине Иенгры. Часть площадок была с нарушенным растительным и напочвенным покровами (М.К.Гаврилова, А.М.Потапов).

Наиболее холодные грунты залегают на склонах северной и восточной экспозиций. Выше 990 м мерзлые породы развиты повсеместно, ниже они встречаются лишь на склонах северной экспозиции и заторфованных участках долин, которые испытывают влияние постоянной земной инверсии температуры.

В 1977-1978 годы были начаты режимные стационарные теплофизические исследования процессов формирования температуры грунтов на восточном участке БАМа в районах Этерикана (Хабаровский край, З.Г. Сорокина, А.К.Потибенко) и Зейска (Амурская область, С.И.Заболотник, Ю.Г.Шасткевич, Н.И.Шендер). Геокриологические условия восточного участка в корне отличаются от западного. Здесь господствует муссонный климат, наблюдается избыток летней влаги, вследствие чего повсеместно встречаются безлесные маревые ландшафты, где на поверхности широко развиты мохо-торфянные покровы, часто большой мощности (мох - 10-30 см, торф - 40-80 см). Мерзлые породы фиксировались преимущественно на заторфованных марях. Их образование и существование обусловлено исключительно влиянием мохо-торфяных покровов и снега. Поэтому были поставлены наблюдения на площадках: естественно маревой, с удаленным моховым покровом, с удалением снега зимой и с удалением и мха, и снега. Было количественно изучено влияние этих покровов на формирование температуры деятельного слоя и последствия их ликвидации. Впоследствии это было просчитано теоретически на ЭВМ и составлен прогноз развития криогенной ситуации при освоении территории.

В 1979-1980 годах осуществлен цикл режимных исследований теплового баланса поверхности и приземного воздуха в Заилийском Алатау (Тянь-Шань) на склоне северной экспозиции на двух высотных отметках 2400 и 3200 м. Подобных наблюдений на таких высотах в южных областях СССР еще не проводилось (Ю.Б.Скачков).

В 60-х годах обострилась проблема термокарста. Научный мир уже не удовлетворяло объяснение его развития только за счет голоценового потепления климата. Было высказано мнение, что термокарст развивается с обязательным участием гидрогеологических процессов, что послужило толчком для исследования процессов теплообмена в воде и донных отложениях термокарстовых озер и термообразии их берегов. Самые крупные работы были выполнены на стационаре озера Сырдах в Центральной Якутии в 1973-1977 годах (Ф.Э.Арэ, М.И.Тишин, А.Н.Прокопьев). Были организованы стационарные круглогодичные автоматизированные наблюдения за тепловым режимом и теплопереносом в воде, снегу, льду, донных отложениях до глубины 20-30 м в крупном озере Сырдах, глубиной 5-6 м и двух мелких аласных озерах. Кроме того теплобалансовые и теплофизические отложения велись на сухом аласе, в лесу и над озерами. Их сопровождали гидрологические исследования озер и аласов и межаласных пространств, учитывающие осадки, сток, инфильтрацию, таяние подземного льда и испарение.

В результате длительных наблюдений было установлено, что озеро Сырдах около 200 мм воды инфильтрует через подозерный талик в подземные горизонты, температура у дна не опускается ниже 3-4щС, а в малых озерах она близка к 0-1щС. Теплопередача в воде осуществляется конвективным путем, поэтому наблюдается большую часть года гомотермия. Разрушение льда весной происходит значительно быстрее, чем его образование осенью и зимой из-за проникновения солнечной радиации через лед и нагревания воды на 6-100С подо льдом и из-за разрушения льда ветром. Изучены процессы промерзания-протаивания и формирования температуры на мелководьях при их полном промерзании. Было показано, что после сформирования термокарстового озера дальнейший рост аласа происходит за счет термообразии берегов, при которой большое значение имеет ветровой режим.

На основании полученных экспериментальных материалов была составлена физико-математическая модель процессов формирования термокарстовых образований и расчета по 12-ти ее вариантам, позволяющим проследить эти процессы за большой промежуток времени и получить количественные зависимости.

Параллельно изучались процессы теплообмена в придонном слое крупных, глубоких озер и на шельфе арктических морей. На озере Токо были определены температура, тепловой поток в дно озера и скорость конвективного обмена на разном расстоянии от дна ( А. . Ефимов). Изучено влияние выхода подземных вод на дне водоемов.

Проблемам разрушения арктического ледового комплекса и формирования субаквальной криолитозоны шельфа в 70-е годы было уделено значительное внимание (Ф.Э.Арэ, Е.Н.Молочушкин, А. .Фартышев). Велись систематические наблюдения за процессами разрушения берегов арктических морей под влиянием термокарста и термообразии. Были исследованы берега устьев рек и морей в Оленекской протоке Лены, на Быковском полуострове, острове Мостах, моря Лаптевых. Сравнением аэрофотоснимков 1951 и 1976 годов показано, что средняя скорость отступания берегов морей составляет 2-6 м/год. В результате в прибрежной полосе шельфа сохраняются реликтовые мерзлые толщи. До изобаты 2-3 м температура дна шельфа очень низкая (-11ё-120С), глубже она повышается до -2,0 ё-3,00С.

В результате были найдены основные закономерности развития термообразионных берегов как результат сложного взаимодействия механических , теплофизических и гидрогеологических процессов, протекающих в береговой зоне; оценена их интенсивность в разных условиях по морфологических характеристикам береговых уступов. Была разработана и реализована математическая программа расчета динамики развития криолитозоны на шельфе морей Лаптевых и Восточно-Сибирского в связи с отступлением берегов, трансгрессиями и регрессиями моря в плейстоцене и голоцене.

В этот же период были проведены стационарные исследования за динамикой термического режима ложа водохранилища Вилюйской ГЭС и особенностями теплообмена в слое воды толщиною до 70-80 м, а также за особенностями переработки берегов водохранилища термообразией при изменяющемся уровне воды (И.Н.Константинов).

В связи с интенсивным развитием в 60-х годах сельского хозяйства в северных регионах перед наукой были поставлены проблемы повышения урожайности и создания оптимальных условий их выращивания. На севере основу сельского хозяйства составляют животноводство и овощеводство. Поэтому речь шла о повышении урожаев трав на лугах и овощей на полях. Поскольку вегетация в регионах с мерзлыми породами зависит от увлажненности и температуры сезонно-талого слоя, то этими проблемами пришлось заняться мерзлотоведам, лаборатории гидротермических мелиораций Института (А.В.Павлов, А.А.Мандаров, И.С.Угаров). Основная задача - создать технологии повышения урожайности путем регулирования температуры и влажности корнеобитаемого слоя.

Основным сельхозрайоном криолитозоны является Центральная Якутия, отличающаяся в первую очередь засушливым климатом и теплым но коротким летом. На ее территории проводились основные работы по водно тепловой мелиорации лугов и земель.

В 70-х годах была изучена эффективность лиманного орошения пойменных и аласных лугов на землях Хоробутской мелиоративной системы и аласах Центральной Якутии. Рекомендована система ярусных лиманов, режимы и длительность затопления в зависимости от водно-физических свойств, начальной влажности и температуры почв. Рекомендовано затопление слоем 30-40 см и продолжительностью 8-10 суток.

Исследовано, кроме того, влияние дождевания на гидротермический режим талого слоя. Установлены и рекомендованы оптимальные режимы дождевального орошения, норма поливов в зависимости от влажности и погодных условий в различных почвенных зонах на естественных и сеяных лугах и на полях кормовых культур.

Изучение эффективности предзимнего орошения и влияния искусственных наледей показало их малое влияние на урожайность или отсутствие такового вообще. Научные рекомендации по орошению лугов и земель в зоне развития мерзлых пород будут эффективны при значительном повышении мелиоративной культуры работников сельского хозяйства.

Важнейшим природным фактором, определяющим формирование отрицательной температуры поверхности Земли и горных пород, является климат. Установление взаимосвязей параметров криолитозоны с климатом было направлением одной из групп лабораторий геотермии, руководимой М.К.Гавриловой. Были обработаны климатические материалы по северу Евразии и Северной Америке, на основе чего было составлено около 50-ти карт различных элементов климата. Сопоставление их с геокриологическими картами позволило установить взаимосвязь климата и мерзлоты на разных уровнях. Выделены планетарный климат, обуславливающий развитие мерзлых зон на Земле, макроклимат , связанный с континентальными особенностями глубокого промерзания и микроклимат, влияющий на процессы сезонного протаивания-промерзания. Эти результаты легли в основу монографии "Климат и вечная мерзлота на континентах".

В период с 1972 по 1979 год в институте функционировала лаборатория теплофизики, которую возглавлял И.М.Кутасов. Лаборатория исследовала термический режим газовых и нефтяных скважин в режимах бурения и эксплуатации. Необходимость этих работ диктовалась бурным развитием нефте-газодобычи в районах развития мерзлых пород (Западная Сибирь, Якутия) и появившимися в связи с этим проблемами устойчивости скважин. Исследования велись как непосредственно на скважинах так и путем физического и математического моделирования процессов на ЭВМ. При натурных наблюдениях были изучены необходимые параметры теплообмена в скважинах, изучен процесс кавернообразования, влияние на мерзлые породы процесса длительной эксплуатации газовых и нефтяных, как одиночных. так и кустов, скважин (В.Г.Русаков. На их основе были созданы методы расчета радиусов протаивания и теплового влияния вокруг скважин, длительности возможной остановки скважины без замерзания в ней раствора, создан метод двух термограмм, позволяющий по двум разновременным измерениям температуры в невыстоявшейся скважине определить естественную ненарушенную температуру горных пород и мощность мерзлой зоны, которые необходимы для правильной установки башмака кондуктора скважины. В лаборатории была создана модель скважины для изучения кавернообразования при разных режимах бурения и промывки в льдистых породах. Было установлено, что промывка с добавками нефти или с раствором большой плотности увеличивает устойчивость стенок скважин. Турбулизация течения жидкости увеличивает диаметр каверн. Предложен метод расчета максимальных каверн.

Построена математическая модель бурящейся и газируемой скважины. Было просчитано 100 вариантов задач нарушения-восстановления теплового режима вокруг скважин, для Западной Сибири, рассмотрены мерзлые толщи с безградиентным и слабоградиентным тепловым полем (В.Г.Русаков). Была построена аналитическая модель теплообмена газируемой скважины, найдены предельные условия гидратообразования с учетом адиабатических процессов в скважине и на входе в нее из пласта, а также теплообмена со стенками (В.Т.Балобаев). К сожалению, очень новые и интересные результаты не были полностью востребованы разведочными и эксплуатационными организациями, работавшими по принципу максимума пробуренных метров.

Семидесятые годы можно назвать периодом становления и развития фундаментальных геохимических исследований в Институте мерзлотоведения. Лаборатория геохимии, выделившаяся в конце 60-х годов как самостоятельное подразделение, была призвана главным образом проводить химический анализ образцов, доставлявшихся сотрудниками института из экспедиций. Но задачи лаборатории геохимии мерзлой зоны ( так она в то время называлась) академического института глубже и шире. Кроме общеаналитических работ здесь должны проводиться исследования, направленные на разработку теории физико-химических процессов, протекающих в природных системах, с учетом особенностей, налагаемых низкотемпературными условиями и наличием твердой фазы воды.

В 1970 году лабораторию геохимии возглавил Е.А.Нечаев - кандидат химических наук, большой энтузиаст своего дела, человек широкой эрудиции, высокого творческого потенциала, обладающий неординарными способностями. Во главу угла при организации исследовательской работы в лаборатории им был поставлен тезис о том, что при взаимодействии компонентов почв и грунтов с почвенными растворами и грунтовыми водами направленность и глубина изменения системы в целом определяются свойствами межфазных границ.

Исходя из представлений, что земная кора состоит главным образом из силикатов и алюмосиликатов, можно считать, что основными компонентами земной коры являются смеси оксидов или их химические соединения. Не замерзшие жидкие пленки в мерзлых грунтах можно рассматривать как раствор, контактирующий с поверхностью дисперсных компонентов грунта (порода, лед). Поэтому все внимание в проводимых исследованиях было сосредоточено на изучении систем оксид-раствор при широких вариациях свойств как твердого, так и жидкого компонентов среды.

В 70-е годы в лаборатории геохимии были поставлены исследования основной характеристики границы раздела в гетерогенной среде - двойного электрического слоя , а также закономерностей распределения между фазами ионов, составляющих основной набор растворимых химических компонентов поверхностных, грунтовых вод и поровых растворов, изменения электроповерхностных свойств оксидов в присутствии этих ионов, взаимодействия органических компонентов водных растворов с оксидами и проч. В эти же годы развивалась и совершенствовалась методика геохронологических исследований - сцинтилляционный вариант метода радиоуглеродного датирования.

В составе лаборатории на протяжении рассматриваемого периода было более 20 человек. Научный состав формировался в основном из прибывших из разных учебных заведений страны молодых специалистов. В 1971 году в лаборатории было 4 научных сотрудника: Е.А.Нечаев, В.А.Волгина, Н.Ф.Федосеев, Г.П.Дегтярева (Левченко). В 1972-75 гг. добавились молодые специалисты: В.П.Романов, к.х.н. В.И.Федосеева, В.Н.Шеин. Научно-технический персонал лаборатории состоял в основном из опытных специалистов, способных как к проведению аналитических работ, так и к выполнению экспериментальных исследований (Т.В.Голованова, Р.М.Петухова, Э.В.Кан, Г.В.Звонарева, О.А.Стрельцова, Л.М.Смирнова, Е.В.Кос-теша, Р.И.Русакова ). Основу группы радиоуглеродного датирования составляли В.В.Костюкевич, И.Е.Иванов, А.П.Шапенков, Т.И.Сундеева. В разные годы в составе группы работали Г.П.Дегтярева(Левченко), С.А.Нестеренко, О.В.Днепровская, М.Н.Белова. Под благотворным влиянием Е.А.Нечаева были защищены две кандидатские диссертации: В.А.Волгина (1974 г.), В.П.Романов (1979 г.). С конца 1978 г. в лаборатории геохимии работает к.т.н. Ю.П.Шишкин.

Надо сказать, что рассматриваемое десятилетие было очень плодотворным для коллектива. В лаборатории был проведен большой объем исследований. Изучены условия и границы применимости потенциометрического метода при исследовании распределения ионов вблизи поверхности оксидов при образовании двойного электрического слоя. Разработана и освоена методика определения электроповерхностных свойств льда, обнаружено их подобие с поверхностью кварца. При изучении электрокинетического потенциала льда и потенциала замерзания установлена связь между электронным строением анионов и способом их включения в кристаллическую решетку льда при замерзании электролитов. На основании результатов исследований было высказано предположение о зависимости ионного произведения воды от напряженности электрического поля в двойном электрическом слое, показано, что вода, находящаяся в плотной части слоя, пространственно соответствует "прочносвязанной", "рыхлосвязанная" находится в пределах диффузной части. При изучении миграции влаги и химических компонентов раствора, а также процессов льдообразования в горных породах (на примере оксида алюминия) было установлено, что перемещение воды происходит главным образом в слое жидкости в пределах диффузной части двойного слоя. На примере замороженной дисперсии фторопласта в растворах KCl и BaCl2 были получены сведения о том, что толщина переходного слоя на границе раздела лед-фторопласт составляет несколько сотен ангстрем при -0. Результаты проведенных многоплановых исследований были изложены в отчетах " Изучение строения границы раздела лед-раствор" (1974) и "Двойной электрический слой на окислах" (1975).

Значимость и фундаментальный смысл исследований были подтверждены и в последующем. В экспериментах по изучению различных гетерогенных систем было установлено, что определяющим фактором влияния на скорость миграции катионов металлов I и II групп является заряд поверхности твердой фазы. При наличии смачивающих пленок подвижность ионов двойного слоя, не адсорбирующихся специфически, адекватна объемной. Специфически адсорбирующиеся ионы практически неподвижны (в определенном интервале концентраций).

Было установлено, что при наличии температурного градиента скорость миграции ионов в мерзлых песках возрастает с увеличением разности температур, если температуры выше температуры эвтектики. Обнаружена корреляция скорости миграции с результатами измерения электропроводности тех же образцов. Скорость миграции катионов щелочных металлов при постоянных отрицательных температурах монотонно падает с понижением температуры, однако не сопровождается резким изменением электропроводности, что свидетельствует об отсутствии специфического (химического) их взаимодействия с поверхностью песка.

Длительными экспериментами, проводившимися в подземной лаборатории, было показано, что скорость миграции ионов щелочных металлов в мерзлых песках определяется градиентом химического потенциала, возникающего при воздействии электрических полей межфазных границ на ионы. В конце 70-х годов были проведены исследования малоувлажненных кварцевых порошковых диафрагм, моделирующих мерзлую систему, при наложении постоянного электрического тока. Впервые в лабораторных условиях была получена зависимость вызванной поляризации от рН порового раствора.

Изучение взаимодействия органических составляющих водных растворов с поверхностью оксидов завершилось обобщающими отчетами "Адсорбция органических веществ на окислах" (1978) и "Изучение влияния добавок органических веществ на смачивание минеральных частиц дисперсных систем" (1979), в которых обосновано утверждение о значительной роли органических веществ в большом многообразии процессов, протекающих в гетерогенных системах. Органические вещества, адсорбируясь на поверхности твердых частиц грунтовых массивов, оказывают влияние на структуру двойного электрического слоя, подвижность ионов в смачивающих пленках и состояние этих пленок. Высказана мысль об особом значении органических веществ в мерзлых породах, где толщина не замерзших пленок сопоставима с толщиной двойного электрического слоя. Основополагающим, фундаментально значимым результатом исследований взаимодействия органических веществ с поверхностью оксидов из водных растворов явилось установление факта, что на оксидах адсорбируются вещества, обладающие вполне определенным потенциалом ионизации, соответствующим так называемому резонансному потенциалу оксида. Результатом многолетних исследований стала докторская диссертация Е.А.Нечаева "Химосорбция органических веществ из водных растворов на окислах и металлах" (1980).

Льду, как одному из основных и характерных составляющих многолетнемерзлых пород, уделялось особое внимание. На протяжении ряда лет проводились целенаправленные исследования поверхностных свойств дисперсного льда с использованием органических веществ разных классов, растворенных в органических растворителях, индифферентных ко льду. Активное взаимодействие со льдом обнаружили вещества, хорошо растворимые в воде. Взаимодействие обусловлено растворением их в жидкоподобной пленке, существующей на поверхности льда. В результате исследования поглощения органических веществ поверхностью дисперсного льда при разных температурах, разной длительности выдерживания образцов льда до и после внесения в раствор было обнаружено исчезновение жидкоподобной пленки при предварительном длительном выдерживании образцов (t < -400С) и возобновление пленки при последующем повышении температуры среды. Время, необходимое для этого, существенно сокращается при приближении к температуре плавления льда. Применение веществ различного класса позволило разработать простой способ оценки удельной поверхности дисперсного льда. Полученные результаты имели также фундаментальный характер и послужили важным инструментом при исследованиях динамики химических элементов в снежном покрове, проведенных в последующие годы на стационаре в Центральной Якутии. За 1971-1980 гг. группой радиоуглеродного датирования исследовано большое количество образцов, представляющих собой донные морские и озерные отложения, пластовые залежи льда, грунты, слагающие морские и речные террасы, образцы из горных районов и межгорных впадин и проч. Образцы доставлялись с обширных территорий, исследуемых геокриологами Института.

К концу 70-х годов экспериментальный и теоретический багаж лаборатории геохимии позволил провести прикладные исследования, нашедшие применение в производстве. В целях охраны окружающей среды были даны рекомендации по ускорению разложения ксантогенатов в период хранения сточных вод обогатительных предприятий в виде наледей (Нежданинский горно-обогатительный комбинат, пос.Солнечный). Для внедрения на приисках Северо-Востока СССР была предложена методика обработки грунтов для уменьшения их смерзаемости растворами определенных поверхностно-активных веществ (ВНИИ-1 МЦМ СССР). Были разработаны и переданы рекомендации по усовершенствованию методики создания ледопородных завес, препятствующих поступлению рассолов в горные выработки в условиях Западной Якутии.

На разных этапах исследований при разработке теории физико-химических процессов в гетерогенной среде участвовали научные сотрудники В.А.Волгина, Н.Ф.Федосеев, В.П.Романов, В.И.Федосеева. Разрабатывались экспериментальные установки, осваивались и совершенствовались методы анализа многих компонентов среды, обсуждались результаты, оформлялись статьи и отчеты.

За десятилетний период лаборатория геохимии превратилась из подразделения, практически выполняющего только аналитическую работу, в крепкий конгломерат, способный ставить и решать новые задачи в познании "ледяного сфинкса". За этот весьма плодотворный период под руководством и при участии Е.А.Нечаева было защищено 7 отчетов, опубликовано 23 статьи. Молодые научные сотрудники участвовали в организации и проведении II Международной конференции по мерзлотоведению, выступали с докладами на Всесоюзных конференциях молодых ученых по вопросам геокриологии, имели возможность стажироваться в ведущих научных центрах Москвы и Ленинграда, изучающих гетерогенные системы.

Первая страница

(c) 2001