Прогноз температурного и водно-ионного режима засоленных мерзлых пород и криопэгов

Волков, Николай Генрихович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Прогноз температурного и водно-ионного режима засоленных мерзлых пород и криопэгов
ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Прогноз температурного и водно-ионного режима засоленных мерзлых пород и криопэгов"

На правах рукопнен

Волков Николай Генрихович

' ПРОГНОЗ ТЕМПЕРАТУРНОГО И ВОДНО-ИОННОГО РЕЖИМА

ЗАСОЛЕННЫХ МЕРЗЛЫХ ПОРОД И КРИОПЭГОВ (на примере п-ова Ямал)

Специальность 25.00.08 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва -2006

Работа выполнена на кафедре геокриологии Геологического факультета Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук

Комаров Илья Аркадьевич доктор геолого-минералогических наук, профессор Ершов Эдуард Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор географических наук

профессор Голубев Владимир Николаевич кандидат геолого-минералогических наук Чижов Александр Борисович

Ведущая организация: ФГУП «Фундаментпроект»

Защита состоится 17 марта 2006 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 501.001.30 при Московском Государственном Университете им. М.В. Ломоносова по адресу: Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В.Ломоносова, геологический факультет, аудитория 415.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ зона «А», б этаж

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 119992, Москва, Ленинские горы, МГУ, геологический факультет, ученому секретарю диссертационного совета, профессору Л.Т. Роман.

Автореферат разослан 17 февраля 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор геолого-минералогических наук, профессор

JLT. Роман

2.00£ А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В связи с интенсивным хозяйственным освоением территорий приморских низменностей, в частности газоконденсатных месторождений п-ова Ямал (Крузенштернское, Бованенковское, Харасавейское и т.д.). для которых характерен морской тип засоления, возникает необходимость оценки температурного и водно-ионного режима мерзлых засоленных пород и криопэгов в естественных условиях и при техногенном воздействии. От температурного и водно-ионного режима зависят инженерно-геокриологические свойства засоленных мерзлых грунтов, несущая способность грунтовых оснований и коррозионная активность мерзлых засоленных грунтов, экологическая обстановка территорий и т.д.

В литературе имеются различные методики прогноза температурного режима засоленных мерзлых пород, удовлетворительно отражающие природу происходящих в них процессов. Основная проблема при их использовании - это корректный выбор входных параметров, прежде всего температуры начала замерзания и фазового состава влаги в засоленных мерзлых породах. Для массива засоленных пород, вмещающего криопэги, приемлемые методики прогноза температурного и водно-ионного режима отсутствуют.

Цель и задачи исследования. Основной целью работы является разработка методик прогноза температурного и водно-ионного режима мерзлых засоленных пород и криопэгов. Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:

1) сделать обзор существующих в литературе методик прогноза температурного режима мерзлых засоленных пород и криопэгов, а также экспериментальных и расчетных методов нахождения параметров фазового равновесия влаги;

2) модифицировать криоскопический метод для определения температуры начала замерзания и содержания незамерзшей воды в засоленных породах при произвольной концентрации поровых растворов;

3) разработать алгоритм для расчетной оценки параметров фазового равновесия влаги в мерзлых засоленных породах морского генезиса при произвольной концентрации порового раствора;

4) разработать методику оценки температуры формирования ионно-солевого состава криопэгов по кривой десульфатизации;

5) проанализировать температурные условия формирования ионно-солевого состава криопэгов морского генезиса для ряда районов п-ова Ямал;

6) предложить математическую модель и алгоритм ее реализации для расчета температурного режима криопэга и массива вмещающих его пород, находящихся в слое годовых теплооборотов;

7) сделать прогноз температурного и водно-ионного режима массива засоленных пород и криопэгов для ряда участков Крузенштернского газоконденсатного месторожде-

ния (ГКМ);

8) оценить эффективность работы различны ройств (СОУ) в засоленных грунтах для природно-

Научная новизна работы определяется следующими результатами:

По экспериментальной части: для нахождения температуры начала замерзания и содержания незамерзшей воды в засоленных породах при произвольной концентрации и ионном составе поровых растворов предложен модифицированный криоскопический метод, основанный на комплексном анализе термограммы оттаивания;

По расчетно-методической части: разработан алгоритм программы для оценки температуры замерзания и фазового состава влаги в мерзлых породах с преобладающим хлоридным засолением порового раствора произвольной концентрации; в рамках рассмотрения 7-компонентной системы Na-K-Ca-Mg-CI-SCVHaO предложены: • для засоленных пород произвольного состава и концентрации - методика расчетной оценки температуры замерзания, фазового и химического состава поровой влаги; • для криопэгов произвольного состава и концентрации - методика оценки температурных условий формирования ионно-солевого состава криопэга по кривой десульфатизации; • методика расчета теплового взаимодействия криопэга с массивом вмещающих пород в слое годовых теплооборотов;

По прогнозной части: выявлено, что криопэг оказывает отепляющее влияние на нижележащие породы, а изменение общей минерализации криопэгов в течение года может меняться в два и более раз; для ряда участков Крузенпггернского ГКМ показано, что изменения значений концентрации порового раствора и минерализации криопэга составляют от сотен процентов в верхних горизонтах до нескольких процентов на глубине 8-10 метров; предложено выделять в слое годовых теплооборотов три типа горизонтов засоленных пород по наличию мирабилита.

Практическое значение работы. Практическое значение работы связано с применением разработанных методик прогноза температурного режима в засоленных породах и криопэгах, а также методик экспериментального и расчетного нахождения температуры начала замерзания, фазового и ионно-солевого состава поровой влаги и криопэга и т.д. для проектирования, строительства и эксплуатации объектов промышленного и гражданского назначения в зоне распространения многолетнемерзлых засоленных пород. Впервые проведен сравнительный анализ работы различных типов СОУ в условиях засоленных мерзлых пород для п-ова Ямал.

Ряд материалов используется при чтении курса «Геокриология», а также в ходе выполнения студентами курсовых, бакалаврских и магистерских работ.

Личный вклад автора. Все основные результаты исследования получены лично автором либо при его непосредственном участии.

Апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 11 работ на Международных и Всероссийских конференциях и совещаниях, в частности: 2 статьи в журнале «Криосфера Земли» (2003, 2005); 3 доклада на Международных конференциях геокриологов (Пущино, 2002, 2003, Тюмень 2004); 3 статьи в трудах 3-ей конференции геокриологов России (Москва, 2005); 1 статья в сборнике трудов «Теоретические и практические проблемы геотехники» (Санкт-Петербург, 2005); 1 доклад на 2-ой европейской кон-

ференции по вечной мерзлоте (Германия, Потсдам, 2005); 1 доклад на научно-практическом семинаре «Мерзлые засоленные грунты в строительстве» (Тюмень, 2005).

Структура и обьем работы. Работа объемом 211 страниц состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы из 87 наименований и приложения, которое содержит 54 страницы графического материала. Она проиллюстрирована 41 рисунком и 36 таблицами.

Работа выполнена на кафедре геокриологии геологического факультета МГУ. Автор крайне признателен заведующему лабораторией инженерной геокриологии кафедры д.г.-м.н. И.А. Комарову за руководство и помощь в процессе подготовки диссертации и заведующему кафедрой профессору Э.Д. Ершова за поддержку работы. Автор глубоко благодарен профессору С.М. Фотиеву и начальнику лаборатории ВНИИГАЗа к.т.н. Р.М Баясану за помощь при проведении исследований, а также сотруднику института ГЕОХИ РАН к.г.-м.н. М.В. Мироненко и сотруднику кафедры криолитологии и гляциологии МГУ к.г.н. И.Д. Стрелецкой за возможность использования программного продукта и ряда материалов по Крузенштернскому ГКМ. Автор благодарен сотрудникам кафедры геокриологии к.т.н. Г.П. Пустовойту, к.г.-м.н. Булдовичу и профессору H.H. Романовскому, за ценные замечания сделанные в ходе обсуждения результатов исследований, а также магистранту Е.М. Кулиш за помощь при проведении экспериментальных и расчетных работ.

Содержание работы

В первой главе рассматриваются методики и результаты экспериментального определения параметров фазового равновесия влаги (температуры начала замерзания, фазового состава влаги) в засоленных мерзлых породах. Экспериментальными исследованиями этих параметров занимались В.И. Аксенов, А.П. Боженова, Г.П. Бровка, A.B. Брушков, И.А. Комаров, Р.Г. Мотенко, З.А. Нерсесова, JI.T. Роман, В.Г. Чеверев, D. Anderson и др. Анализ литературных данных показал, что наиболее простым и производительным является криоскопический метод. Однако общепринятая методика не позволяет с приемлемой точностью определять температуру начала замерзания пород при малых влажностях и высоких концентрациях поровых растворов. Характерный вид термограммы оттаивания (изменения температуры образца пород t во времени т) и ее графическая обработка представлены на рис.1. На ней выделяются три участка, характеризующиеся разной скоростью (темпом) нагревания образца. Для влагонасьпценных незаселенных пород нахождение температуры начала замерзания ^ (в цикле нагревания соответствует температуре оттаивания) не вызывает сложностей, поскольку резкая разница между тангенсами угла наклона касательных tg а, (участки III и II, которые обычно и анализировались исследователями) обеспечивает надежную фиксацию величины t^ (точка 2). С уменьшением влажности и увеличением концентрации порового раствора происходит "размывание" температурного диапазона, в котором происходит оттаивание, что приводит к увеличению погрешности, которая может достигать 1+2°С и более, что абсолютно неприемлемо (рис. 1).

Рис. 1. Предлагаемая схема обработка данных прн использовании криоскопического метода: I, П, ГО - условно выделенные участки термограммы оттаивания

Идея предлагаемой обработки состоит в предположении, что взаимное соотношение скоростей нагрева образца пород, характеризуемое величинами tg а, к трем выделенным участкам термограммы, определяется, в основном, величиной теплоемкости. Для первого и третьего участка скорости нагревания близки (практически отсутствуют фазовые переходы). На втором участке величина скорости значительно меньше, поскольку часть подводимого тепла идет на плавление льда в порах, а часть на повышение температуры. Алгоритм обработки следующий: • на первом этапе достаточно произвольным образом наносят касательные к термограмме на участках 1П, II и находят промежуточное значение ^ ; • задавая различные влажности образцов, строят промежуточную температурную кривую содержания незамерзшей воды = Г (0; • используя эту кривую, по аддитивным соотношениям рассчитывают суммарные величины удельной теплоемкости породы в мерзлом Си и талом Сг состояниях, а также величина эффективной теплоемкости Сэф, характеризующая процесс для второго участка; • по соотношениям соответствующих теплоемкостей корректируют наклон касательных (ф аь а2,аз) на выделенных участках (рис. 1); • для каждого значения влажности образца фиксируют новое положение (щ" (точка 2), соответствующее величине температуры оттаивания; • затем строят уточненную кривую = { (Ц. Процесс уточнения температуры оттаивания можно повторять несколько раз. Когда величина разности значений температур замерзания предыдущего и последующего приближения станет ниже величины заданной погрешности, итерационный процесс обработки прекращают.

Экспериментальные исследования проводились на образцах кварцевого песка и каолинитовой глины. Породы искусственно засолялись комбинациями N301, КС1, СаСЬ, в разных концентрациях растворов (табл.1).

Некоторые результаты определения ^ приведены в табл. 1 (ст. 8), из которых следует, что увеличение минерализации порового раствора приводит к понижению температуры начала замерзания породы. При одинаковой концентрации порового раствора наиболее сильное влияние на температуру начала замерзания оказывает смесь

солей NaCl и СаС12, в меньшей степени - смесь NaCI и KCl, и наименьшее - смесь хлорида натрия и сульфата магния (NaCl и MgSO^.

Табл. 1. Сопоставление экспериментальных (Жданных ■ расчетных (^п)знаяений температуры начала замерзания для поровых растворов различного ионного состава и концентрации

Ионный состав порового раствора, моль/кг Общ. ми- Температура на- Погреш

нерализа- чала замерзания ность,

Na* мг Ca}* er so42- ция, г/литр tVC %

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0,30 0,235 - - 0,535 35 -1,9 -1,8 5

0,60 0,47 - - 1,07 70 -3,9 -3,6 8

0,855 0,67 - - 1,525 100 -5,5 -5,1 7

0,54 0,05 - - 0,59 35 -2,2 -2,0 9

1,08 0,10 - • 1,18 70 -4,1 -4,0 2

1,54 0,13 - - 1,67 100 -5,9 -5,8 2

0,30 - - 0,16 0,62 35 -1,9 -1,9 0

0,60 - - 0,32 1,24 70 -3,8 -3,8 0

0,855 - 0,455 1,765 100 -5,8 -5,6 3

0,54 - - 0,03 0,60 35 -2,0 -2,0 0

1,08 - - 0,06 1,20 70 42 -4,0 5

1,54 - - 0,09 1,72 100 -6,0 -5,9 2

0,30 - 0,15 - 0,30 0,15 35 -1,3 -1,4 7

0,60 - 0,29 - 0,60 0,29 70 -2,5 -2,8 И

0,855 - 0,42 - 0,855 0,42 100 -3,8 -3,8 0

0,54 0,03 - 0,54 0,03 35 -1,7 -1,9 10

1,08 - 0,06 - 1,08 0,06 70 -3,5 -3,9 10

1,54 - 0,08 - 1,54 0,08 100 -5,0 -5.0 0

Термодинамические модели и методики расчетной оценки параметров фазового и химического равновесия влаги в засоленных мерзлых породах рассматриваются во второй главе. Проведенный анализ литературных данных, нормативной литературы (СНиП 2.02.04-88) показал, что предложенные методы расчета, как правило, ограничены рассмотрением случая, когда поровый раствор бинарный (двухкомпонентный, НгО + NaCl)), а его концентрация относительно невелика (В.А. Велли, П.А.Гришин, А.А.Коновалов, А.М.Глобус, Л.Т.Роман, В.Г.Чеверев, А. Banin, D.M. Anderson и др.). В их основе лежат различные модификации криоскопической формулы из теории растворов, с учетом изотонического коэффициента или без. Однако концентрация легкорастворенных солей в поро-вых растворах пород, может достигать величин 2-3 нормальностей и более. Для случая произвольной концентрации порового раствора, который в первом приближении можно рассматривать как бинарный (породы морского генезиса), единая методика нахождения температур замерзания и фазового состава влаги в засоленных и незаселенных породах

предложена И.А. Комаровым. Общее уравнение для оценки параметров фазового равновесия влаги имеет вид:

Ж't(Д' - "'>'•(" - Ц-N) (1)

д iA*<t-Vi) I

где f, m - коэффициент активности растворителя и его массовая доля, соответственно; L -мольная теплота фазового перехода; R - газовая постоянная; Т0=273К; 9 = Т, -То - температура начала замерзания; i - номер шага; j - номер компонента; п - число циклов расчета, а,, pi, у, - коэффициенты, находимые из экспериментальных данных по теплоемкости, которые представляют в виде степенного ряда по температуре, как разность соответствующих коэффициентов для льда и переохлажденной воды (i = 1), а для засоленных пород (i = 2) эти коэффициенты будут определяться по разности теплоемкости для льда и поровых растворов; ДН = Н, - H°j - разность молярных энтальпий поровой влаги (раствора) и влаги в свободном объеме при стандартных условиях, которая для незаселенных пород (i = 1) представляет по физическому смыслу дифференциальную теплоту смачивания или адсорбции (находятся из обработки данных по изотермам сорбции, полученных при положительных или отрицательных температурах Tv), а при i=2 - дифференциальную теплоту растворения ионов солей в свободном растворе.

Для решения уравнения (1) нами были разработан алгоритм и программа на языке Pascal. Алгоритм расчетов следующий: на первом шаге (i=l) рассчитывается температура замерзания для незаселенной породы, а параметры, подставляемые в уравнение (1), соответствуют фиксированному значению влажности породы, для которой и находится температура замерзания; на втором шаге (i=2) есть температура замерзания засоленной породы, здесь входные параметры вводятся для фиксированного значения концентрации порового раствора и определенного типа засоления породы Проведение серий расчетов при разных задаваемых значениях влажности и засоленности, а, следовательно, концентрации порового раствора, позволяет получить температурные кривые фазового состава при различных значениях засоленности. В работе приведена методика выбора параметров расчетной схемы: дифференциальных теплот адсорбции и растворения, активностей и коэффициентов активности, теплоемкости компонент пород и т.д. Сопоставление расчетных данных с экспериментальными по температуре замерзания для образцов отмытого мелкозернистого песка засоленных NaCl и NazSOi показало их удовлетворительную сходимость.

Для больших концентраций и пород с полиионным засолением, хоть сколько-нибудь приемлемых методов оценки температуры замерзания пород не существует. Однако в литературе имеются большой материал по методам оценки температуры замерзания для водных растворов солей в свободном объеме С помощью теоретических моделей концентрированных природных вод обычно определяются равновесные концентрации ком-

понентов путем введения соответствующих произведений растворимости для минералов и по теории Дебая-Хкжкеля находятся коэффициенты активности растворенных ионов. Расчет проводится на ПЭВМ путем решения уравнений закона действующих масс с ограничением налагаемым уравнением баланса массы. Одна из наиболее известных моделей для диапазона положительных температур реализована в программе "Гиббс" и ее модификациях (Ю.В. Шваров). Для моделирования фазового и химического равновесия водных растворов солей в объеме при отрицательных температурах наиболее перспективным оказался подход К. Питцера. Используя одну из его модификаций, в лаборатории CRREL (M.Mironenko, G.Marion, S.Grant, R. Farren) для семикомпонентной системы Na-K-Ca-Mg-CI-SO4-H2O была разработана модель и программа «FREZCHEM2» для вычисления химического равновесия между водными растворами электролитов, льдом и солями. Равновесный состав системы при заданных температуре, давлении и химическом составе рассчитывается методом минимизации функции свободной энергии Гиббса. Расчет проводится при балансе анионов и катионов, т.е. при соблюдении условия электронейтральности. Определяется фазовый состав системы, а также моляльности и активности компонентов раствора электролитов.

Результаты сопоставления рассчитанных по этой программе температур начала замерзания с нашими экспериментальными данными для образцов отмытого мелкозернистого люберецкого песка, засоленного хлоридами и сульфатами, показали удовлетворительную сходимость (табл.1) Погрешность расчета не превышала 11%. Песок был выбран с целью минимизации влияния минеральных частиц на температуру начала замерзания порового раствора.

В третьей главе рассматриваются существующие представления о криометамор-физации морской воды, предлагается новая методика оценки температуры формирования ионно-солеворо состава криопэгов морского генезиса и анализируются результаты, полученные с помощью предлагаемой методики. Исследованиями закономерностей изменения ионно-солевого состава морской воды от температуры занимались К.Э. Гитгерман, Б.А. Савельев, JI.A. Жигарев, С.М. Фотиев, К. Nelson, Т. Tompson, К. Fujino и др. Для их выявления Б.А. Савельев, а позже JI.A. Жигарев в своих работах используют экспериментальные данные об изменении химического состава морской воды при охлаждении в диапазоне температур 0 + -30°С, которые представлены в работах К.Э. Гиттермана. Эти же данные, применительно к криопэгам морского генезиса, анализирует С.М. Фотиев, который предлагает различать три стадии криогенного метаморфизма водного состава криопэ-га: 1 стадия - охлаждение в интервале температур от 0 до -1,8°С, на которой происходит охлаждение морской воды без изменения ее химического состава и минерализации; 2 стадия - концентрирование, которое происходит в интервале температур от -1,8 до -7,4°С; 3 стадия - десульфатизация, обусловленная выпадением мирабилита (Na2S04-10н20) н происходящая в интервале температур от -7,4 до -22,5°С. Полное отсутствие бикарбонатов на всех трех стадиях криогенного метаморфизма - характерная закономерность криогенного преобразования солевого состава морской воды. Основные гра-

ничные значения температуры между тремя выделенными стадиями соответствуют температурам начала кристаллизации льда (НгО), мирабилита (N82804-ЮНгО), гидрогалита (№С1-2Н20).

Однако их величина может ощутимо меняться в зависимости от исходного состава морской воды (таб. 2). Так расчетные данные, полученные нами при одинаковом исходном составе морской воды с помощью модели Питцера, незначительно отличаются от экспериментальных данных К.Э. Гиттермана (табл. 2, стр.1) и К. Нельсона и Т. Томпсона (табл. 2, стр. 2). Это позволяет использовать данную программу для моделирования промораживания растворов с произвольным 7-компонентным составом. Из сопоставления температур начала кристаллизации мирабилита из морской воды различного ионного состава можно сделать вывод, что исходный состав морской воды существенно влияет на нее, а значения этой температуры колеблются в диапазоне -5,6 + -7,7 °С. С увеличением относительного содержания иона ЙО^" в растворе температура начала выпадения мирабилита (N82804-ЮНгО) возрастает. Естественно, что тогда температурные интервалы стадий криометаморфизма морской воды должны измениться в зависимости от состава морской воды. Например, для состава (табл.2, стр.2) они будут следующими: 1 стадия - от 0 до -1,9°С; 2 стадия - от -1,9 до -5,9°С; 3 стадия -от -5,9 до -22,9°С.

Табл. 2. Сопоставление экспериментальных и расчетных значений температуры начала выпадения в твердую фазу некоторых минералов нз морской воды различного ионного состава в процессе вымораживания

Ионный состав морской воды по данным различных авторов Температура начала кристаллизации некоторых минералов из морской воды при ее вымораживании

№ Источник Na* Г Са СГ SO,2" Н20 Na,SO, 10 Н,0 NaCl 2 Н,0

1 Гитгерман К.Э. (1937) 0,473 0,01 0,005 0,027 0,519 0,014 -1,8» -7,4* -22,5*

-1,8 -7,7 -22,2

2 Nelson К., Thompson Т., (1954) 0,4869 0,0106 0,0095 0,0552 0,5682 0,0294 -1,9* -5,9* -22,9*

-1,9 -5,9 -22,9

3 Справочник химика (1971) 0,5439 0,0003 0,0037 0,0082 0,518 0,025 -1,9 -5,6 -21,6

4 Справочные данные (1991) 0,4651 0,0099 0,010 0,053 0,545 0,028 -1,9 ■6,0 -22,9

5 Карское море (Фотиев, 1999) 0,175 - 0,0025 0,021 0,2 0,011 -0,7 -5,6 -22,7

* звездочкой отмечены экспериментальные данные по температуре начала кристаллизации-НгО - лед, Ыа2504-Ю Н20 - мирабилит, ЫаС1-2 Н20 - гидрогалит

На основе данных К.Э. Гиттермана С.М. Фотиевым была построена палетка (рис.2А)> с помощью которой можно определить температуру формирования ионно-солевого состава криопэга, для чего достаточно знать содержание хлоридов. Сопоставление вышеуказанной палетки с палетками, рассчитанными нами для морской воды различного состава (табл. 2) показывает, что кривые А и В, полученные при одинаковом исходном ионном составе морской воды, отличаются незначительно (исключая диапазон малых концентраций хлоридов) (рис.2). Если исходный состав морской воды отличен, то количе-

ственное расхождение между палеткой А и палетками Б, Г, Д, Е становится уже существенным.

100

Содержание хлоридов, % 80 60 40 20

0 £

1 £ .в

-10 ■15 -20 -25

- - -1

1 ^Яг ___ —♦—А -■-Б -*-д -Е

Ряс. 2. Изменение содержания хлоридов в морской воде в процессе ее вымораживания:

А - палетка, построенная С.М.Фотиевым (1999) по экспериментальным данным К.Э. Гиттермана; Б, В, Г, Д, Е - палетки, рассчитанные автором при исходном ионном составе морской воды: Б - по данным К. Нельсона и Т. Томпсона; В - по данным К.Э. Гиттермана; Г- по данным спектро-химической лаборатории; Д - по справочным данным; Е - по данным для Карского моря.

В работе подробно рассмотрен процесс криометаморфизации морской воды на третьей стадии процесса десульфатизации. На первых двух стадиях охлаждения и концентрирования качественное соотношение катионов и анионов существенно не изменяется, а на третьей стадии происходит выпадение сульфата натрия в твердую фазу. Температура начала кристаллизации этой соли в криопэге зависит от ионного состава рассола, например для рассмотренного выше случая формирования криопэга морского генезиса она равна -5,9°С. Если криопэг промерзает до температуры более низкой, например -7°С, то часть мирабилита выпадает в осадок, а в жидкой фазе количество сульфат-иона уменьшается, соответствуя равновесному содержанию при этой температуре. При этом разбавление вод криопэга пресной водой, которое может произойти за счет оттаивания льда вмещающих пород, или при отборе пробы рассола из скважины, не оказывает влияния на температуру начала выпадения КагвОд-ЮН^О и относительное содержание в рассоле ионов 8042\ Следовательно, на основании химического анализа пробы конкретного криопэга, с помощью моделирования мы можем восстановить величину минимального значения температуры, при которой произошло формирование ионно-солевого состава криопэга (в данном примере это -7°С). Эта температура соответствует температуре начала кристаллизации мирабилита для каждой конкретной пробы криопэга и четко фиксируется на кривой

десульфатизации (температурной зависимости концентрации сульфат-иона) (рис. 4, 5). С помощью предлагаемой методики можно моделировать процесс промораживания не только морской воды, но и непосредственно самой пробы криопэга. Поэтому для корректного определения температуры формирования ионно-солевого состава криопэга не обязательно знать исходный состав морской воды, из которой сформировался криопэг.

Пределы применимости предложенной методики. Данная методика (в пределах рассмотрения 7-компонентной системы №-К-Са-М^-С1-804-Н20) может быть использована для анализа условий формирования и эволюции водно-ионного состава криопэга под воздействием коротко- и длиннопериодных колебаний температуры на поверхности. Например, если ионно-солевой состав пробы рассола криопэга, имеющего температуру -4 "С, соответствует, полученному расчетом для температуры -7°С, то следует предположить, что ионный состав криопэга сформировался при более низких отрицательных температурах. Однако имеется ряд моментов, которые затрудняют ретроспективный анализ условий формирования и эволюции состава криопэгов. Это связано с различием в экспериментальных результатах по вымораживанию морской воды при низких отрицательных температурах, полученных с одной стороны К.Э. Гитгерманом, а с другой К. Нельсоном и Т. Томпсоном. Согласно последним полное выпадение всех солей в твердую фазу соответствует эвтектической температуре кристаллизации из раствора СаСЬ-бНгО, т.е. температуре около -53,7°С. По К.Э. Гиттерману температура полного выпадение всех солей равна -Зб,ОвС соответствуя температуре выпадения хлористого магния, причем хлористый кальций при этом в результате реакции обмена (2) переходит в сернокислый кальций, который может выпадать при температуре -17,0°С:

СаС12 + М^в04 5 М8С12; + СаБО^ (2)

Другой момент связан с тем, что по данным К.Э. Гитгермана стадия десульфатизации кончается при температуре -22,б°С, а затем при понижении температуры концентрация N82804 в жидкой фазе возрастает, достигая второго максимума при -35,6°С (первый пик отмечается вблизи точки выпадения мирабилита при - 7,6°С). Это явление связывается Б.А. Савельевым и позже Л.А. Жигаревым с регенерацией солей, а именно химическим взаимодействием гипса с хлористым натрием согласно реакции:

Са804-2Н20 + 2ИаС1 + 8 Н20 ¡3 Ка2304-10н20 + СаС12 (3) До температуры -21,6 °С реакция (3) протекает слева вправо, а ниже -21,6 °С с момента кристаллизации №С1 - в обратном направлении, что не приводит к накоплению мирабилита и хлористого кальция в рассоле. Однако повышение концентрации №2804 в жидкой фазе в области температур ниже точки начала выпадения гидрогалита можно объяснить резким превышением скорости кристаллизации раствора над темпом десульфатизации, поскольку из раствора выпадает в твердую фазу большая доля соли №С1, которая доминирует в нем, вследствие чего весовое количество N82804 на 1 грамм раствора увеличивается. При дальнейшем понижении температуры скорости выравниваются, а затем темп десульфатизации начинает преобладать. В этой интерпретации второй пик получает естественное объяснение, в отличие от ситуации, описываемой химической реакцией (3).

Такая трактовка следует из сделанного нами анализа экспериментальных данных К. Нельсона и Т. Томсона. Однако качественная картина вымораживания криопэга при этом несколько изменится. На рис. 3 приведена кривая десульфа-тизации, которая получена путем обработки данных по исходному составу раствора, исследованного К.Э. Гиттерманом, с помощью предлагаемой методики. Здесь после начала выпадения гидрогаллита происходит нарушение монотонного характера изменения температурной кривой десульфатизации. Концентрация сульфатов в растворе уменьшается вплоть до температуры -37,9вС, когда начинается выпадение М§С12-6Н20. В этой точке наблюдается экстремум (минимум) значения концентрации сульфатов, которая затем возрастает и второй пик фиксируется уже при температуре около -50вС.

Применимость нашей методики для криопэгов, которые формируются в естественных условиях, обусловлена также возможностью выноса части мирабилита во вмещающие породы. Это может происходить за счет миграции криопэгов, различия в условиях промерзания-оттаивания, процессов сульфатредукции и адсорбции солей. В частности:

1. Криопэг в процессе своей эволюции может мигрировать, причем основными причинами, вызывающими его миграцию, на наш взгляд, являются: изменение «криологических и гидрогеологических условий, температурная неоднородность в массиве вмещающих пород; диффузионный перенос ионов из центральной зоны криопэга к периферии; миграция солей во вмещающую породу, сопровождающаяся понижением температуры замерзания и вследствие этого оттаиванием пресного льда в порах; перенос пресных вод, образовавшихся в результате таяния льда, за счет естественной конвекции вверх по разрезу с последующим их замерзанием. Замерзание сопровождается вытеснением части солей обратно в криопэг, но часть солей захватывается поровым льдом. В результате миграции происходит захоронение выпадающего мирабилита в массиве.

2. Для криопэгов, расположенных в слое годовых амплитуд, даже при их относительной неподвижности периодическое изменение температурных условий приводит к сдвигу ионного состава в сторону уменьшения сульфатов. Хотя мирабилит является легкорастворимым минералом и в процессе промерзания-оттаивания рассола ведет себя полностью обратимым образом, специфика протекания этих процессов непосредственно в массиве пород приводит к необратимости. Так в процессе промерзания при достижении температуры начала выпадения -5,9°С мирабилит выпадает в твердую фазу в виде кри-

Тммирапур*, С

Рнс.3. Температурная кривая Изменения концентрации сульфат-иона в морской воде с исходным ионным составом по К.Э. Гиттерману

сталлов, вкрапленных в пресный поровый лед. При повышении температуры мирабилит будет растворяться уже не в рассоле, а пресной воде и, следовательно, его обратный переход в жидкую фазу будет происходить при более высокой температуре, близкой к эвтектической для бинарного раствора N82804 + НгО. Это характерно и для других солей, например, эвтектическая температура бинарного раствора КО+НгО равна -11,2°С, в то время как ее значение в точке начала выпадения в твердую фазу в морской воде равно -30°С.

3. Кроме криогенного концентрирования и минералообразования, в криопэгах могут проходить химические реакции, типа восстановление сульфатов с образованием сульфидов и сероводорода и поглощением кислорода анаэробными бактериями (сульфатре-дукция). В частности, при опробовании криопэгов исследователями зафиксировалось выделение сероводорода.

Используя предлагаемую методику, нами был проведен анализ проб криопэгов, отобранных на п-ове Ямал и Колымской низменности. В табл 3 приведены результаты расчетов температуры формирования ионно-солевого состава криопэгов п-ова Ямал, на основе данных по компонентному составу.

Табл. 3. Результаты расчетов температур формирования ионно-солевого состава криопэгов п-ова Ямал

№ Место отбора Глубина вскрытия, м Минерализация, г/л Температура воды, "С Содержание хлоридов, % (от суммы солей) Рассчитанна« температура начала замерзания криопэга, °С Рассчитанная температура формирования ионно-солевогс состава криопэга, "С

по палетке С.М. Фотиевг по методике автора

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 Долина р. Хальмеряха 9,5 58,7 -3,5 86,3 -3,2 -17 -17

2 Долина р. Хеяха 9,3 15,9 -0,5 10,1 -0,8 -7,4 -5,9

3 III терраса р. Надуйяха 3,5 59,6 -3,0 89,3 -3,2 -20 -24

4 О-в Белый 1,8 111,8 -6,0 77,6 -6,6 -13,6 -12,6

5 О-в Литке 4,6 72,8 55 а 40 -10,3 -9,0

6 Мыс Хараса-вей 7,0 103,0 - 11,1 -5,0 -7,4 -5,9

Например, для пробы криопэга, отобранного в долине р. Хальмеряха (табл. 3, стр. 1), согласно палетке А (рис.2) и расчетам по предложенной методике, его ионно-солевой состав сформировался при температуре охлаждения вмещающих пород ниже -17 °С (рис. 4). Но при такой температуре криопэг должен иметь минерализацию около 200 г/л и температуру начала замерзания около -17°С. Однако фактическая минерализация составляет 58,7 г/л, а расчетная температура начала замерзания -3,2°С. Это несоответствие подтверждает предположение, выдвинутое ранее С.М. Фотиевым (1999), о смешении криомета-морфизованных вод с пресными водами. Об этом свидетельствует также наличие в этих пробах бикарбонатов. При этом разбавление пробы криопэга, скорее всего, происходит уже после вскрытия линзы буровой скважиной. Этот факт подтверждается близостью значений измеренной в натурных условиях температуры вмещающих пород и криопэгов (-3,5°С) и рассчитанной нами температуры начала замерзания раствора (-3,2°С).

о +• о

-5 -10 -15 -20

-25 -30

Температура, °С

-■-Литке Белый |

—Хальмеряха —t—морская вода |

—1

Рис. 4. Зависимость концеитрации сульфат-иона от температуры, рассчитанная для проб криопэгов п-ова Ямал

Формирование состава криопэгов, которые были отобраны в долине р. Хеяха и на м. Харасавей, происходило при температуре не выше максимальной для второй стадии криометаморфизма морской воды. На это указывает ионный состав криопэгов, несмотря на то, что при отборе пробы криопэга в долине р. Хеяха, предположительно, произошло разбавление пресными водами. По-видимому, почти все пробы криопэгов подверглись разбавлению. Исключение составляет проба криопэга, отобранная на м. Харасавей. Таким образом, можно с большой долей уверенности сделать вывод, что данный криопэг сформировался в температурном диапазоне от -5,0 до -5,9 "С.

Анализ проб криопэгов, отобранных на территории Колымской низменности. В работе (Гиличинский и др., 2003) представлены данные по криопэгам Колымской низменности. Эти криопэги характеризуются хлоридно-натриевым составом морского генезиса, имеют достаточно высокую минерализацию (от 92 г/л до 163 г/л). Как видно из табл. 4 некоторые значения рассчитанных температур формирования ионно-солевого состава криопэга, полученные двумя обсуждаемыми методиками, могут бьггь достаточно близкими для скважин (скв. 14/99, 17/99, 17/80), некоторые отличаются (скв. 15/99, 16/99, 15/80). Максимальное расхождение рассчитанных значений температур достигает в пробе криопэга из скважины 15/80 и составляет 5,8 °С (табл. 4, столбцы 3 и 4). В некоторых пробах криопэгов из скважин 14/99,17/99,17/80 рассчитанные значения температур начала замерзания и формирования ионно-солевого состава криопэга оказались достаточно близки (отмечается расхождение от 0,4 °С до 1,4 °С для проб скв. 14/99 и 17/99 соответственно). Из рис. 5 видно, что температуры начала выпадения мирабилита и начала замерзания близки у проб из скважин 17/80,14/99 и 17/99. Этот факт указывает на то, что данные криопэги сформировался, по-видимому, при температурах -10 + -11 "Си ионно-солевой и фазовый состав криопэга соответствует данной температуре. Откуда можно сделать вывод, что криопэг не

подвергался в последствии изменениям температурных условий и ионно-солевого и фазового состава.

Табл. 4. Температуры начала замерзания и формирования ионно-солевого

состава крнопэгов, отобранных на территории Колымской низменности

Скв. № Ионный состав пробы крнопэга Температура формирования ионно-солевого состава криопэга, "С Рассчитанная температура начала замерзания криопэга, °С

по палетке С.М. Фотиева рассчитанная по предложенной методике

1 2 3 4 5

14/99 С198,2 SO< 1,4 НСО, 0,4 М1Иоэ Na+K 85,3 Mg 13,1 Ca 1.6 -13,0 -10,8 -10,4

15/99 С! 99 S04 0,9 НСОэ ОД Mi56,ie Nin-K 85,6 Mi 13.2 Ca 1,2 -11,5 -14,4 -10,0

16/99 Q 98,8 S04 0,9 НСО) 0,3 M|20,7»" Na+K 85,6 Mg 13,4 Ca 1 -7,8 -12,8 -7,2

17/99 C198,4 S04 1.3 HCO, 0,3 M|JM5 " NW-K 85,6 Mg 13,1 Ca 1,3 -11,0 -11,0 -9,6

15/80 C198,1 S04 1.2 HCO, 0,7 MK,J2 - --------- Na+K 85,1 Mb 11,3 Ca 3,6 -6,0 -11,8 -5,4

17/80 C197.8 SO, ! ,8 HCO3 0,4 Mi35,5.......- - Na+K 87,7 Mg 10,9 Ca 1,4 -9,5 -9,5 -8,2

•17/99 -15/80

-17/80 -14/99

-16/99

- морская вода

-15/99

25 -30

Температура, С

Рис. S. Зависимость концентрации иона SO«*" от температуры, рассчитанная для проб крнопэгов отобранных на Колымской ннзменностн

Для крнопэгов, отобранных из скважин 15/99, 15/80 и 16/99, рассчитанные значения температуры начала выпадения мирабилита и начала замерзания расходятся значи-

тельно. Так для криопэга 15/80 ионно-солевой состав соответствует температуре -11,8 °С, а фазовый состав - -5,4 °С. Возможно, криопэг сформировался при температуре порядка -12 °С, о чем говорит его ионно-солевой состав. Однако потом подвергся разбавлению, что подтверждает температура начала замерзания раствора и фазовый состав криопэга. Разбавление произошло за счет таяния льда во вмещающих криопэг породах в результате повышения температуры или по другим причинам. Причем концентрация ионов в криопэ-ге примерно в два раза меньше концентрации раствора криопэга, сформировавшегося при температуре порядка -12 °С. Следует отметить, что содержание сульфат-иона в криопэгах для диапазона температур ниже температуры начала кристаллизации мирабилита соответствует содержанию сульфат-иона в морской воде (рис. 4 и 5). Этот факт подтверждает предположение о том, что криопэга сформировались из морской воды и не подвергались охлаждению ниже температуры начала кристаллизации мирабилита. Различие в концентрациях сульфат-иона при температуре начала кристаллизации мирабилита и в отобранной пробе позволяет количественно оценить степень разбавления проб криопэгов.

Предлагаемая методика позволяет рассмотреть вопрос о возможном генезисе криопэгов, а точнее о составе природных вод, из которых сформировался криопэг. В работе проанализировано большое количество проб природных вод п-ова Ямал, которые можно условно разделить на две группы - воды бассейна Карского моря и воды бассейна Обской губы: поверхностные воды (пробы непосредственно из Карского моря и Обской губы, пробы из рек их бассейнов); подземные воды (пробы из подруеловых таликов рек бассейнов Карского моря и Обской губы, а также криопэгов встреченных под руслами рек, на лайдах и на террасах). На рис. 6 представлены температурные кривые десульфатизации для проб природных вод бассейна Карского моря (рис.ба) и Обской губы (рис.66). Исходные данные по среднему ионно-солевому составу проб природных вод (№2 - №10) приведены в работе.

Сходимость данных по сульфат-иону в диапазоне температур ниже точки начала выпадения мирабилита свидетельствует о близости и постоянстве качественного состава вод бассейна Карского моря, а именно взаимосоотношения ионов Na+, К+, Са2+, Mg2*, СГ (рис. 6а). Следовательно, можно предположить, что их формирование происходило в результате доминирующего участия морской воды. С другой стороны, пробы природных вод бассейна Обской губы отличаются непостоянством ионного состава, что иллюстрируется различным количественным и качественным характером кривых десульфатизации (рис. 66).

Ряс. 6 я, б. Кривые десульфатнзации для различных природных вод Ямала

№1 - морская вода по данным К. Нельсона, Т. Томпсона, №2 - Карское море, №3 - Обская губа, №4 -воды рек бассейна Карского моря, №5 - воды подрусловых таликов рек бассейна Карского моря), №6 - криопэги на лайдах, №7 - криопэги на террасах, №8 - воды рек бассейна Обской губы, №9 - воды подрусловых таликов рек бассейна Обской губы, №10 - криопэги под руслами рек

Четвертая глава посвящена разработке методики расчета динамики температурных полей в массиве засоленных мерзлых пород, вмещающем криопэги. Существуют различные методики прогноза температурного режима засоленных мерзлых пород, представленные в работах С.С. Григоряна, М.С. Красса, П.П. Пермякова, П.Г. Романова, С.Д. Калюжного, Г.П. Бровки, И.А. Комарова и др. и отличающиеся учетом тех или иных особенностей протекания процесса в породах различного состава и свойств, при различных тер-

мобарических условиях (задачи с явным и неявным выделением фронта, с учетом или без учета коэффициента захвата солей льдом, способом учета миграции солей и т.д.). Однако для пород, вмещающих криопэги, методика прогноза температурного режима отсутствует.

В работе предлагается методика прогноза температурного режима криопэга и вмещающих его пород для двух случаев его расположения в слое нулевых годовых амплитуд: линза криопэга находится вблизи поверхности (но ниже границы слоя сезонного оттаивания); криопэг находится вблизи нижней границы слоя, когда амплитуда колебаний температуры минимальна. При формулировке задачи использовались следующие допущения и предпосылки: криопэг промерзает по типу «закрытой системы», не мигрирует и не меняет своей геометрии; теплофизические свойства мерзлой, талой, охлажденной зон криопэга и вмещающих пород кусочно-постоянны; химическое и адсорбционное взаимодействие рассола с породой отсутствует; переносом ионов за счет диффузии и конвекции пренебрегаем; тепловые эффекты, связанные с выпадением солей из раствора в твердую фазу и выделением (поглощением) теплоты растворения, малы по сравнению с теплотой, идущей на фазовый переход вода-лед.

Рассматривается одномерная многофронтовая задача теплопроводности для массива сезонно талых пород, в котором находится криопэг, представленный плоскопараллельной линзой песчаных пород, содержащих высокоминерализованный рассол. В массиве вмещающих пород и криопэге происходят фазовые переходы в спектре отрицательных температур с образованием подвижных границ раздела талой, мерзлой и охлажденной зон. Модель учитывает: изменение водно-солевого состава криопэга от температуры; влияние концентрации и солевого состава вод криопэга на температуру начала замерзания, содержание незамерзшей воды и льда в нем. На дневной поверхности выделенного массива пород, с учетом наличия сезонного снежного покрова, задавались граничные условия третьего рода. На нижней границе массива задавалось граничное условие II рода (величина геотермического потока),

Реализация сравнительного моделирования динамики температурных полей в годовом цикле осуществлялось с помощью комплексного использования программ «РМ^-СНЕМ2» и «Тепло» (Л.Н. Хрусталев и др.). Последняя реализует краевую задачу теплопроводности в энтальпийной постановке при помощи явной конечно-разностной схемы с произвольно задаваемым шагом сетки. Рассчитывались варианты с различными величинами коэффициента захвата соли К» для 3 случаев: с полным захватом солей льдом Кк=1 (крайне высокая скорость промерзания, или эвтектическое вымерзание рассола при очень низких температурах); с полным отжатием солей в поровый раствор, образуется пресный лед (крайне низкая скорость промерзания) Кю=0; с частичным отжатием 1>Кк>0. Величина Кзх применительно к рассматриваемой модели трактовалась как отношение суммарной концентрации солей в поровом льде и поровой влаге промерзающей зоны криопэга Кпрм к концентрации солей в рассоле его охлажденной зоны Кох.

К« — Кпрм / Кох (4)

Для учета теплового эффекта промораживания рассола криопэга использовалась величина эффективной теплоемкости С^,:

С* (Т, W, М, в) = См (М, О + (<1\Унз (Т, М, в) / (1Т) • Ь (Т, М, в) (5) где: С„ - теплоемкость мерзлой породы; - содержание незамерзшей воды; Ь - удельная теплота плавления льда; М - молекулярный вес; в - концентрация рассола.

При численной реализации исследуемая область представлялась в виде блоков. В талом или охлажденном состоянии для блока задаются теплофизические параметры, соответствующие породе с определенной концентрацией порового раствора (рассола криопэга), а в мерзлом состоянии - с концентрацией, учитывающей коэффициент захвата солей. С помощью программы И1ЕгСНЕМ2 рассчитывались кривые фазового состава криопэга ^Л'из = i (Т). Значения производной сШ^ / <1Т находились для соответствующих температурных диапазонов.

Моделирование проводилось применительно к климатическим условиям, характерным для полуострова Ямал. Климатические данные были приняты по нормативным документам для района Маре-Сале (СНиП 23-01-99). Теплофизические свойства криопэга, находящегося в охлажденном состоянии (ХоХ,, Сох) соответствовали значениям, которые характерны для переувлажненных песчаных пород. Теплофизические свойства мерзлых (Хм>) См ) и талых пород (V,, Сг) выбирались по данным, приведенным в работе Комарова И.А. (2003). Для разных коэффициентов захвата рассчитывались значения эффективной теплоемкости, теплоты фазового перехода и температуры начала замерзания. Мощность линзы криопэгов составляла 0,5 м.

Расчетные результаты для линзы криопэга, находящейся вблизи поверхности (на глубине 2-2,5 м), показывают, что с увеличением эффекта отжатия солей в охлажденную зону отепляющее влияние криопэга возрастает. Возникновение еще одного фронта, связанного с промерзанием криопэга, приводит к тому, что образуется дополнительная "нулевая завеса" (по терминологии М.И. Сумгина), аналогично той, которая связана с наличием фронта раздела мерзлой и талой зон в массиве вмещающих пород Она экранирует криопэг от проникновения низкотемпературных колебаний, уменьшая величину амплитуды, по сравнению с таковой получаемой при решении задачи в отсутствии криопэга. Для криопэга, залегающего на глубине 8-8,5 м, отепляющее влияние минимально. Для иллюстрации (рис. 7) приведены результаты сравнительной оценки изменения температуры массива пород в годовом цикле, для случаев присутствия и отсутствия криопэга при расположении его на глубине 2-2,5м. Величина коэффициента захвата с учетом скорости промерзания при концентрации рассола в криопэге Кпр=45 г/л выбиралась равной кзх =0,3. Теплофизические параметры для вмещающих пород были приняты следующими: Хт=1,3 Вт/м'К, А.„=1,б Вт/м-К, Сг=1900 кДж/м3 К, и,—0,9 °С, а для криопэга: ^=0,65 Вт/м-К, Хи=0,9 Вт/м-К, Сох=3 ООО кДж/м3-К, 1щ=-2,6 °С.

Время, месяцы

Рнс.7. Изменение среднемесячной температуры в течение года в массиве пород без крио-пэга (А) и с криопэгом (В) -1) на глубине 2,0 м, 2) на глубине 2,5 м по оси абсцисс отложены месяцы: 0-1 - январь......11-12 -декабрь

Из представленных графиков видно, что в целом крнопэг оказывает отепляющее влияние, приводя к повышению среднегодовой температуры. Однако при рассмотрении влияния отдельных сезонов картина становится неоднозначной. Так в период с отрицательными температурами воздуха в массиве пород с криопэгом отмечается понижение температуры по сравнению с массивом без него. Причем с увеличением глубины расположения эта разница увеличивается, например, для января месяца от 0,3 до 0,6 °С. Для периода с положительными температурами воздуха, наоборот, отмечается повышение температуры, для июня от 1,8 до 2,5 "С. По полученным данным, общая минерализация крио-пэга изменялась в зависимости от сезона пределах 45-85 г/л, т.е. почти в два раза.

В пятой главе рассмотрены геокриологические условия Крузенштернского газо-конденсатного месторождения (ГКМ) расположенного на территории п-ова Ямал. Геокриологические условия п-ова Ямал рассматривались в работах Ю.Б. Баду, В.В. Баулина, Ю.К. Васильчука, Г.И. Дубикова, Н В. Ивановой, С.Ю. Пармузина, И.Д. Стрелецкой, В.Т. Трофимова и многих других.

Территория Крузенштернского ГКМ характеризуется сплошным по площади распространением многолетнемерзлых пород на всех элементах рельефа и оценивается диапазоном среднегодовых температур ММП от -3,2 до -6,8 °С. Отложения П морской террасы и лайды в подавляющем большинстве относятся к засоленным. Широкое распространение засоленных пород определяется особенностями осадконакопления и промерзания в прибрежно-морских условиях Из материалов по инженерно-геокриологическим исследованиям Крузенштернского месторождения нами были отобраны пять наиболее представительных скважин'. Скважины №№ 11, 12,13, 14 вскрывают голоценовые отложения, слагающие приморскую равнину - лайду. Они представлены в основном суглинками и супесями, реже пылеватыми или мелкозернистыми песками. Весовая влажность пород составляет для песчаных - 21+28 %, для глинистых - 31-5-51 %. Засоленность супесей составляет

1 Данные материалы были любезно предоставлены И.Д. Стрелецкой

08=1,8%, в наибольшей степени засолены суглинки тяжелые 08=1,5-4,0%, в песках изменяется от 0,4 до 2,5 %. В песчаных и супесчаных отложениях на малых глубинах (первые метры) обнаружены линзы криопэгов, как напорные, так и безнапорные. Скважина №18 вскрывает верхнеплейстоцен-голоценовые морские отложения, слагающие П террасу. Отложения в основном представлены суглинками и глинами, реже песками и супесями. В зависимости от глубины и наличия органических примесей влажность глинистых пород меняется в широком диапазоне значений от 18% до 88%. Для супесчаных и песчаных пород влажность соответственно составляет 24-г29 %, и 18+23 %. Породы в разной степени засолены. Наиболее часто встречающиеся значения засоленности в суглинках составляют 0,5+0,7%.

С помощью предлагаемых методик проведено математическое моделирование температурного и водно-ионного режима пород слоя годовых амплитуд. Сопоставление расчетных данных по температурным полям с имеющимися натурными данными по отдельным скважинам показало в целом удовлетворительную сходимость. В качестве примера на рис. 8 представлены температурные профили для исследуемых скважин (11,12,13,14,

18) на начало сентября и апреля. Характер температурной кривой определяется различием литоло-гического состава, влажности, засоленности пород, наличия или отсутствия криопэгов в массиве пород. Температура пород на глубине нулевых годовых амплитуд меняется от -4,9 °С до -5,9 °С, причем более высокие температуры фиксируются для участков, на которых были встречены криопэги, что обусловлено их отепляющим влиянием.

Результаты моделирования температурного и водно-ионного режима пород показали, что в годовом цикле изменения значений концентрации порово- ■ го раствора и минерализации криопэга составляют от сотен процентов в верхних горизонтах до нескольких процентов на глубине 8-10 метров, причем

Температура, С -4 -2

-15

-13

Температура, С -11 -9

^-11-1

|---12 |

■ ——

Апрель |-"-18-1

0 2 4

в 10 12 14 16 18 20

Рве. 8. Расчетный температурный профиль иа 1 сентября я 1 апреля в скважинах №№ 11,12,13, 14,18 Крузенштернского ГКМ

концентрация порового раствора достигает максимума и минимума, которые по времени совпадают с соответствующими температурными экстремумами (рис. 9а). Такая закономерность касается всех ионов в отдельности, кроме сульфат-иона. В верхних горизонтах концентрация сульфат-иона достигает своего максимума два раза в год, в сентябре и в январе, а минимума достигает в декабре и в мае (рис. 9в). Это связано с тем, что сульфат-ион при низких температурах начинает выпадать в твердую фазу (вО^зоШ!), а именно происходит кристаллизация мирабилита (№2804*1 ОНгО). При очередном повышении температуры мирабилит растворяется в поровом растворе. С увеличением глубины изменения концентрации уменьшаются вместе с годовыми колебаниями температуры. Так на глубине 5,5 м (рис. 9г) изменение концентрации сульфат-иона принимают характер изменения общей концентрации. Причем максимальное значение концентрации сульфат-иона достигается в том же месяце, что и общая концентрация ионов. Стоит отметить, что на глубине 3,5 м максимум общей концентрации достигается в том же месяце, что и минимум концентрации сульфат-иона (рис. 96). Из полученных результатов моделирования видно, что в этих горизонтах в течение года мирабилит постоянно находится в твердой фазе.

т» фм нар апр им юн мол т сей оет но* дм

Месяцы

мар май июл сек ноя Месяцы

яне мар

июл сен ноя Месяцы

мар май июл сен Месяцы

Рис. 9. Изменение обшей концентрация нонов и концентрации сульфат-иона (в04) в годовом цикле в скважине №18 на глубинах: а -1,5 м; б - 3,5 м» в — 3)0 м| г - 5,5 м*

Таким образом, исходя из анализа температурного и водно-ионного режима для массива пород вскрытых рассматриваемыми скважинами, мы можем выделить три типа горизонтов:

- первый тип горизонта включает в себя породы, в которых в течение года сульфат-ион находится только в жидкой фазе, т.е. в растворенном состоянии (рис. 9г), к нему относится большинство рассмотренных горизонтов в исследуемых скважинах.

- второй тип - в которых в течение года на непродолжительное время появляются кристаллы мирабилита, вследствие вымораживания сульфат-иона из порового раствора (рис. 9в), к нему относятся в основном горизонты, слагающие верхнюю часть разреза.

- третий тип - в которых в течение всего года присутствуют кристаллы мирабилита и не растворяются полностью в поровом растворе (рис. 96), к нему относятся горизонты, приуроченные к глубинам 3,5 м и 7,0 м (скв. 18).

В шестой главе рассмотрены особенности динамики температурного режима в засоленных грунтах при техногенном воздействии, на примере задачи теплового взаимодействия сезонных охлаждающих устройств (СОУ) различных типов с массивом засоленных грунтов. Это позволяет сделать расчетную оценку эффективности работы различных типов СОУ.

Специфика промораживания засоленных грунтов обусловлена их более низкими температурами начала замерзания и повышенным содержанием незамерзшей воды, в результате чего необходимо увеличение «хладозатрат» на единицу объема грунта. При прочих равных условиях это реализуется за счет выбора оптимальной конструкции СОУ.

Для оценки эффективности работы различных типов СОУ (ТС-1, ТМД-4, ТМД-5, ТМД-5Р) в засоленных мерзлых породах была выполнена серия расчетов, осуществляемых с помощью решения двумерной задачи теплопроводности с фазовыми переходами реализованная в программе «Тепло». При реализации задачи специфика засоленных пород учитывалась через переменные величины температуры замерзания и эффективной теплоемкости. Моделирование динамики температурных полей проводилось для годового цикла, применительно к массиву, сложенному супесчаными породами влажностью W« = 25 % и плотностью Pd=l,5 г/см3, характеризующимися морским типом засоления. Климатические данные были приняты по нормативным документам (СНиП 23-01-99) для района п. Маре-Сале (п-ов Ямал). Расчеты были проведены для двух значений засоленностей Ds=0,45% (вариант 1) и Ds=0,9% (вариант 2) применительно к мерзлому (вариант А, температура на глубине нулевых годовых амплитуд принималась равной to < tm) и охлажденному массиву пород (вариант Б, 0 > to > ta). Теплофизические свойства грунтов выбирались согласно работе (Баясан, Волков и др., 2005). В табл. 5 представлены результаты моделирования процесса охлаждения грунта одиночно стоящим СОУ для 4-х вариантов, указанных выше. Для сравнения приведены значения температур грунта на расстоянии 0,5 м от СОУ, на глубине 6,0 м (вариант А) и величины минимального радиуса грунтового массива, замороженного вокруг СОУ (вариант Б).

По технологическим причинам СОУ обычно устанавливаются на расстоянии >0,5 м от сваи. Практическое применение при сооружении объектов промышленного и гражданского назначения в криолитозоне находят металлические сваи из стальных труб диаметром (0) 219 мм, 326 мм, 426 мм. Результаты моделирования (табл. 5) показали, что не все СОУ способны создать необходимые массивы мерзлого грунта, полностью вмещающие сваи, и, тем самым, обеспечить их несущую способность. Термостабилизаторы типа ТМД-5 и ТМД-5Р по своим параметрам (радиусы промораживания и уровни понижения температуры мерзлого грунта) наилучшим образом соответствует поставленной задаче.

Табл. 5. Результаты моделирования охлаждения грунта одиночно стоящим СОУ

Дата - Конец пассивного периода Тип СОУ

ТС-1 ТМД-4 ТМД-5 ТМД-5Р

1 2 3 4 5 6

Температура грунта на расстоянии 0 5 м от СОУ на глубине 6,0 м, °С

Температура грунта (вариант 1а) 1 октября - после одного года работы СОУ -3,1 ■за -3,4 -3,7

1 октября - после двух лег работы СОУ -3,2 -3,3 -3,5 -3,9

Температура грунта (вариант 2а) 1 октября - после одного года работы СОУ -3,2 -3,4 -3,6 -4,0

1 октября - после двух лет работы СОУ -3,3 -3,5 -3,7 -4,2

Радиус промораживания грунта на глубине 6,0 м вокруг СОУ, м

Радиус промораживания грунта (вариант 16) 1 октября - после одного года работы СОУ 0,8 1,0 1,3 1,75

1 октября - после двух лет работы СОУ 1,1 1,4 1,7 2,3

Радиус промораживания грунта (вариант 26) 1 октября - после одного года работы СОУ 0,9 1,1 1,4 1,8

1 октября - после двух лет работы СОУ 1,2 1,4 1,9 2,6

Табл. 6. Несущая способность сван в охлажденном различными тиками СОУ массиве засоленном грунта (в скобках указано относительное уве_личение несущей способности сван с применением СОУ I

Варианты расчета Несущая способность сваи 0426 мм длиной 10 м, тони

Без СОУ с применением СОУ различных типов

ТС-1 ТМД-4 ТМД-5 ТМД-5Р

Супесь, 08=0,45% Вариант 1а 102,7 (0%) 121,4(18%) 130,2 (27 %) 142,7 (39%) 154,2 (50%)

Супесь, 0в=0,9% Вариант 2а 59,0 (0%) 70,3 (19%) 77,8 (32%) 85,4 (45%) 100,4(70%)

В табл. 6 приведены данные по несущей способности сваи 0426 мм длиной 10 м, полученные расчетным путем по методике, приведенной в СНиП 2.02.04-88, показывающие, что наиболее эффективными являются термостабилизаторы ТМД-5 и ТМД-5Р. Охлаждение мерзлого массива с помощью термостабилизаторов такого типа увеличивает несу-

щую способность свай на 40 - 70 %. Другие термостабилизаторы также увеличивают несущую способность свай, но в меньшей степени, в частности, ТС-1 - на 20 %, а ТМД-4 -на 30 %. При увеличении засоленности грунтов оснований более рациональным и перспективным является применение эффективных термостабилизаторов типа ТМД-5 и ТМД-5Р, так как они позволяют существенно повысить несущую способность свайных оснований.

ВЫВОДЫ

1. Из существующих методов экспериментального определения температуры начала замерзания и содержания незамерзшей воды наиболее простым в реализации, информативным и производительным является криоскопический метод, однако его применимость для засоленных пород ограничена малыми концентрациями порового раствора. Для случая произвольной концентрации предложена модифицированная методика обработки термограммы оттаивания.

2. Расчет параметров фазового равновесия для пород с преобладающим хлоридным засолением с удовлетворительной для практики точностью, может быггь сделан: а) при небольшой концентрации порового раствора по нормативной литературе, или по модификациям криоскопической формулы из теории растворов; б) при произвольной концентрации -по методике И. А. Комарова, которая основана на термохимическом (энергетическом) подходе. Для реализации последней разработан алгоритм и написана программа на ПЭВМ. Проведенное сопоставление расчетных данных с экспериментальными показало удовлетворительную сходимость.

3. Для засоленных пород и криопэгов произвольного состава и концентрации, в рамках рассмотрения 7-компонентной системы Na-K-Ca-Mg-Cl-S04-H20 предложены: а) методика расчетной оценки параметров фазового и химического равновесия; б) методика оценки температурных условий формирования ионно-солевого состава криопэга по кривой десульфатизации. Для последней указаны пределы применимости, которые обусловлены: возможностью выноса части мирабилита во вмещающие породы; миграцией криопэгов; процессами сульфатредукции и адсорбцией солей.

4. С помощью предложенной методики оценены температурные условия формирования ионно-солевого состава ряда криопэгов, а также природных вод Ямала приуроченных к бассейну Карского моря и Обской губы. Полученные данные по их химическому и фазовому составу позволяют качественно и количественно оценивать возможное разбавление криопэгов пресными водами.

5. Предложена модель и алгоритм расчета теплового взаимодействия криопэга с массивом вмещающих пород в слое годовых амплитуд. Показано, что криопэг оказывает . отепляющее влияние на нижележащие породы, которое возрастает с увеличением эффекта отжатая солей в охлажденную зону. Сезонные изменения общей минерализации криопэга могут быть изменятся в два и более раз.

6. Проанализированы геокриологические условия Крузенштернского газоконден-сатного месторождения. Прогноз температурного и водно-ионного режима пород для ха-

растерных скважин на лайде и П морской террасе показал, что в годовом цикле общая минерализация порового раствора достигает максимума и минимума, по времени совпадающими с соответствующими температурными экстремумами, а изменение концентрации сульфат-ионов может иметь два минимума, что связано с выпадением мирабилита в твердую фазу.

7. Анализ температурного и водно-ионного режима для массива пород вскрытых рассматриваемыми скважинами позволил выделить три типа горизонтов: первый включает в себя породы, в которых в течение года сульфат-ион находится только в жидкой фазе, к нему относится большинство рассмотренных горизонтов в исследуемых скважинах; второй - в которых в течение года на непродолжительное время появляются кристаллы мирабилита, к нему относятся в основном горизонты, слагающие верхнюю часть разреза; третий - в которых в течение всего года присутствуют кристаллы мирабилита и не растворяются полностью.

8. Оценка эффективности работы различных типов СОУ в условиях засоленных грунтов для природно-климатических условий п-ова Ямал показала, что наиболее эффективным СОУ является двухфазный термостабилизатор ТМД-5Р. Охлаждение мерзлого массива с помощью термостабилизаторов такого типа увеличивает несущую способность сваи на 40 - 70%.

Основные положения диссертация отражены в работах:

1. Прогноз параметров фазового равновесия при наличии в поровой влаге ионов легкорастворимых солей // Материалы Международной конференции «Экстремальные криосферные явления: фундаментальные и прикладные аспекты», Пущино, 2002, с 160-161 (в соавторстве с Комаровым И.А.)

2. Криопэги и их обитатели - модель для астробиологии // Криосфера Земли, 2003, т. VII, №> 3, с.73-85. (в соавторстве с Гиличинским Д.А., Ривкиной Е.М.. Щербаковой В.А., Лауринавичус К.С., Комаровым И.А.)

3. Экспериментальное исследование теплоемкости и ДТА кривых мерзлых засоленных пород // Материалы Международной конференции «Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения», Пущино, 2003, с. 215-216. (в соавторстве с Комаровым И А , Мельчаковой Л.В.)

4. Теоретические и экспериментальные исследования параметров фазового равновесия для засоленных пород и криопэгов // Материалы Международной конференции «Криосфера нефтегазоносных провинций», Тюмень, 2004, с. 27-32. (в соавторстве с Фотиевым С.М., Комаровым И.А.)

5. Сопоставление методик оценки температуры формирования водно-солевого состава криопэгов // Материалы Третьей конференции геокриологов России. Т.2. М.: Изд-во МГУ, 2005, с. 7984. (в соавторстве с Ершовым Э.Д., Комаровым ИЛ.)

6. Методика оценки теплового взаимодействия криопэгов с вмещающими породами в слое нулевых годовых амплитуд // Материалы Третьей конференции геокриологов России. Т.2. М.-Изд-во МГУ, 2005, с. 41-45. (в соавторстве с Кулиш Е.М., Комаровым И.А.)

7. Эффективность работы различных типов СОУ в засоленных многолетнемерзлых грунтах. // Материалы Третьей конференции геокриологов России. Т.4. М,- Изд-во МГУ, 2005, с. 27-32. (в соавторстве с Баясаном Р М., Коротченко А.Г., Комаровым И.А., Лобановым А.Д.)

8. Технические решения по термостабилизации свайных оснований в засоленных многолет-немерзлых грунтах с применением сезонных охлаждающих устройств // Сб. трудов «Теоретические и практические проблемы геотехники», СПб, 2005. (в соавторстве со Вторушиным В.Н., Бая-саном P.M., Пустовойтом Г.П., Газиводой В.Б.)

9. The research of phase balance parameters and formation temperature for cryopegs // 2nd European Conference on Permafrost, Potsdam, Germany, 2005, p. 114-115. (в соавторстве с Комаровым И.А.)

10. Методики оценки температуры формирования ионно-солевого состава криопэгов // Крио-сфера Земли, 2005, т. IX, № 4, с.54-61. (в соавторстве с Комаровым И.А., Мироненко М.В., Фотие-вым С.М.)

11. Методика прогноза температурного режима и водно-ионного состава засоленных пород и криопэгов // Материалы научно-практического семинара «Исследование засоленных мерзлых грунтов в строительных целях», Тюмень, Изд-во «Эпоха», 2006, 35 стр. (в соавторстве с Комаровым И.А.) (в печати)

Г1

Отпечатано в отделе оперативной печати Геологического ф-та МГУ Тираж (¿о экз. Заказ №

34 9 9

ZOOG& 3^93

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Волков, Николай Генрихович

Общая характеристика работы.

Введение.

Глава 1. Методика и результаты экспериментального изучения температуры замерзания мерзлых засоленных пород.

1.1. Существующие методики экспериментального определения параметров фазового равновесия влаги в засоленных породах.

1.2. Модифицированная методика экспериментального определения температуры начала замерзания и фазового состава влаги в засоленных породах с помощью криоскопического метода в цикле оттаивания.

1.3. Методика подготовки образцов к испытаниям и краткая характеристика исследуемых пород.

1.4. Результаты экспериментального изучения температуры замерзания пород с полиионным засолением.

Глава 2. Термодинамические модели и методики расчетной оценки параметров фазового равновесия влаги в засоленных мерзлых породах.

2.1. Существующие расчетные методики нахождения температуры начала

• замерзания и фазового состава влаги в мерзлых засоленных породах.

2.2. Разработка алгоритма расчета параметров фазового равновесия влаги в засоленных породах с помощью энергетической модели и результаты сопоставления с экспериментальными данными.

2.3. Краткое описание программы «FREZCHEM2» и результаты сопоставления расчетных данных с полученными экспериментальными.

Глава 3. Методика оценки температурных условий формирования ионно-солевого состава криопэгов.

3.1. Существующие представления о криометаморфизации морской воды в диапазоне отрицательных температур.

3.2. Разработка методики определения температуры формирования ионно-солевого состава криопэгов по кривой десульфатизации и пределы ее применимости.

3.3. Температурные условия формирования ионно-солевого состава криопэгов п-ова Ямал и Колымской низменности.

Глава 4. Методика прогноза теплового режима криопэгов и вмещающих их пород в слое годовых амплитуд.

4.1. Существующие методики расчета динамики температурных полей в массиве засоленных мерзлых пород.

4.2. Постановка задачи о нахождении температурного поля в криопэге и вмещающих его пород, находящихся в слое годовых амплитуд и алгоритм ее реализации.

4.3. Анализ влияния криопэга на температурный режим массива пород.

Глава 5. Прогноз температурного и водно-ионного режима засоленных пород и криопэгов для ряда участков Крузенштернского газоконденсатного месторождения.

5.1. Геокриологические условия Крузенштернского месторождения.

5.2. Прогноз динамики температурных полей и изменения водно-ионного состава в засоленных породах и криопэгах для ряда участков

Крузенштернского месторождения.

Глава 6. Прогноз температурного режима засоленных грунтов при техногенном воздействии сезонных охлаждающих устройств для условий п-оваЯмал.

6.1. Характеристика основных типов сезонных охлаждающих устройств.

6.2. Результаты моделирования процесса охлаждения и промораживания массива засоленных грунтов с помощью сезонных охлаждающих устройств и оценка их эффективности.

Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Прогноз температурного и водно-ионного режима засоленных мерзлых пород и криопэгов"

Актуальность проблемы. В связи с интенсивным хозяйственным освоением территорий приморских низменностей, в частности газоконденсатных месторождений п-ова Ямал (Крузенштернское, Бованенковское, Харасавейское и т.д.), для которых характерен морской тип засоления, возникает необходимость оценки температурного и водно-ионного режима мерзлых засоленных пород и криопэгов в естественных условиях и при техногенном воздействии. От температурного и водно-ионного режима зависят инженерно-геокриологические свойства засоленных мерзлых грунтов, несущая способность грунтовых оснований и коррозионная активность мерзлых засоленных грунтов, экологическая обстановка территорий и т.д.

В литературе имеются различные методики прогноза температурного режима засоленных мерзлых пород, удовлетворительно отражающие природу происходящих в них процессов. Основная проблема при их использовании — это корректный выбор входных параметров, прежде всего температуры начала замерзания и фазового состава влаги в засоленных мерзлых породах. Для массива засоленных пород, вмещающего криопэги, приемлемые методики прогноза температурного и водно-ионного режима отсутствуют.

4) разработать методику оценки температуры формирования ионио-солевого состава криопэгов по кривой десульфатизации;

7) сделать прогноз температурного и водно-ионного режима массива засоленных пород и криопэгов для ряда участков Крузенштернского газоконденсатного месторождения (ГКМ);

8) оценить эффективность работы различных типов сезонных охлаждающих устройств (СОУ) в засоленных грунтах для природно-климатических условий п-ова Ямал.

Научная новизна работы определяется следующими результатами:

По расчетно-методической части: разработан алгоритм программы для оценки температуры замерзания и фазового состава влаги в мерзлых породах с преобладающим хлоридным засолением порового раствора произвольной концентрации; в рамках рассмотрения 7-компонентной системы Na-K-Ca-Mg-Cl-SCVHkO предложены: • для Ф засоленных пород произвольного состава и концентрации - методика расчетной оценки температуры замерзания, фазового и химического состава поровой влаги; • для криопэгов произвольного состава и концентрации - методика оценки температурных условий формирования ионно-солевого состава криопэга по кривой десульфатизации; • методика расчета теплового взаимодействия криопэга с массивом вмещающих пород в слое годовых теплооборотов;

По прогнозной части: выявлено, что криопэг оказывает отепляющее влияние на нижележащие породы, а изменение общей минерализации криопэгов в течение года может меняться в два и более раз; для ряда участков Крузенштернского ГКМ показано, что изменения значений концентрации порового раствора и минерализации криопэга составляют от сотен процентов в верхних горизонтах до нескольких процентов на глубине 8-10 метров; предложено выделять в слое годовых теплооборотов три типа горизонтов засоленных пород по наличию мирабилита.

ВВЕДЕНИЕ

Общие сведения о засоленных мерзлых породах. Мерзлые породы относят к засоленным, если содержание легкорастворимых солей превышает 0,05 % - для песков, для супесей - 0,15%, для суглинков -0,20%, для глин - 0,25 %. Засоленные мерзлые породы отмечаются на арктических островах, на севере приморских низменностей Якутии, на равнинах центральной части Якутии и в других районах криолитозоны. (Геокриология СССР, 1989). Существуют два основных типа засоления пород: морской и континентальный, которые различаются по химическому составу. Мерзлые породы с морским типом засоления характеризуются значительным содержанием легкорастворимых солей (0,5-1,5 % от массы сухого грунта) и хлоридным натриевым л составом поровых растворов. Ионпо-солевой состав растворов этих пород (C1~»S04 " >НСО'3 и Na+»Mg2+>Ca2+) такой же, что и в современных морских илах и морской воде. Наряду с указанным наиболее распространенным типом химического состава в мерзлых породах является хлоридно-сульфатпый натриевый и сульфатный натриевый ионный состав поровых растворов. Морской тип засоления характерен для северных территорий -вдоль Арктического побережья России и на островах. Континентальный тип засоления встречается в породах на аллювиальных равнинах центральной части Якутии и в Забайкалье, где отрицательный баланс атмосферных осадков и ионно-солевой состав -(S042">Cr>HC0*3 и Ca2+>Mg2+>Na+). Кроме природного засоления, на территории крупных городов (Норильск, Якутск, Воркута) происходит техногенное засоление пород в таликах и слое сезонного оттаивания.

Значительная часть территории России занята засоленными мерзлыми породами, часто содержащими линзы криопэгов - высокоминерализованных вод с отрицательной температурой (рис.1). Исследования последних лет показали, что поровые воды в засоленных породах криогенной толщи неоднородны по химическому составу в разных районах. Однако эти различия для крупных территорий вполне устойчивы, они связаны с условиями формирования многолетнего промерзания осадочных пород, которые и предопределили распространение двух основных типов засоления: морского и континентального. Как правило, это засоленные породы различных регионов Арктического побережья, имеющие четвертичный плейстоценовый и голоценовый возраст, преимущественно морского генезиса. Однако существуют и континентальные засоленные породы.

Рис. 1. Схема распространения засоленных мерзлых пород на территории России (Дубиков, Иванова, 1991).

Морской тип засоления пород: I - засоленные породы залегают ниже сезонноталого слоя, 2 -кровля засоленных пород на глубинах до 50 м, 3 - кровля засоленных пород преимущественно глубже 50 м, с поверхности - расселенные и незаселенные породы; 4 - континентальный тип засоления пород, засоленные породы залегают с поверхности; 5 -незаселенные и расселенные породы (до глубины 100 м); 6 - южная граница многалетнемерзлых пород; 7- границы распространения засоленных пород (А -установленная, Б - предполагаемая)

Современное распространение мерзлых пород с морским типом засоления определяется следующими факторами: развитием на северных приморских низменностях плейстоценовых морских трансгрессий с накоплением осадков, физико-химическими диагенетическими изменениями и опреснением верхнего горизонта мерзлых пород при их локальном или региональном оттаивании в эпохи климатических потеплений. Формирование мерзлых засоленных толщ побережья Арктики зависит, кроме того, от температурного режима, концентрации порового раствора и скорости осадконакопления. В соответствии с этим на северо-востоке европейской части России засоленные мерзлые породы слагают низкие морские террасы побережья и островов; в области развития более ранних плейстоценовых трансгрессий, граница которых располагается значительно южнее, засоленные мерзлые грунты встречаются на отдельных участках, в основном глубже 50 м от поверхности (Дубиков, Иванова, 1991).

Засоленными в Западной Сибири являются как эпигенетические, так и сингенетические отложения. При этом характерно увеличение содержания солей с юга на север от десятых долей процента до 1-1.5%, а также повышение концентраций порового раствора с глубиной, что объясняется регрессивным характером фаций и перераспределением солей в процессе изменения геокриологических условий.

Морские плейстоценовые и голоценовые отложения встречаются на Арктическом побережье Восточной Сибири и Чукотки. В этом регионе также встречаются талики и приуроченные к ним восходящие источники засоленных подземных вод. Эти воды, приуроченные к водоносным горизонтам, вмещающие породы которых насыщенны рассолами или отложениями каменной соли, могут «засолять» грунты сезонноталого слоя. Кроме того, на данной территории встречены засоленные элювиальные и делювиально-солифлюкционные отложения.

Для Европейской территории России данных о мерзлых засоленных породах мало. Например, на Кольском полуострове морские четвертичные отложения практически не распространены, поэтому возможность нахождения там засоленных мерзлых пород невелика. Многолетнемерзлые породы морского генетического типа характерны для Канинско-Тиманского и Мало-Большеземельского региона (Брушков, 1998). На побережье Баренцева моря развиты области охлажденных ниже 0 °С пород с криопэгами (Геокриология СССР, 1988). Это участки на побережье Болванской, Паханченской, Хайпудырской и Печорской губ, а также в дельтах и низовьях рек Нерута, Черная, Морею, Коротаиха, на самом севере п-ова Канин, Югорский. Засоленность мерзлых пород составляет 0,1-0,8 до 1,5 % по данным Г.И. Дубикова, Ю.Я. Велли, И.Д. Данилова и др.

Континентальное засоление мерзлых пород возникает обычно при сочетании аридного климата с преобладанием испарения, осадконакопления и промерзания (без последующего оттаивания) отложений. Такие условия встречаются на холодных равнинах и плоскогорьях Азии (Центральная Якутия, озерные котловины Тибета). Однако мерзлые засоленные толщи не имеют значительной мощности из-за отсутствия в течение больших интервалов времени одновременности этих условий. Содержание в них солей колеблется от 0,05 до 2% и более (Брушков, 1998). Химический состав мерзлых засоленных пород континента различен, что отличает их от морского засоления. Основной источник засоления - атмосферные воды.

Химический и минеральный состав частиц мерзлых дисперсных пород, содержащих в поровом растворе водно-растворимые соли, как правило, не имеет существенных отличий от состава незаселенных пород. Например, на полуострове Ямал преобладают песчаные породы кварцевого состава, встречаются так же глинистые, с примесями железа (Брушков, 1998). Для мерзлых засоленных пород характерно присутствие, особенно в более дисперсных разновидностях, органического вещества. Как правило, прибрежно-морским засоленным мерзлым породам присуща слабая сортировка материала и окатанность, пылеватость песков и наличие песчаной примеси в глинах. Криогенное преобразование химико-минерального состава рыхлых пород в мерзлом состоянии крайне незначительно из-за низких температур. Литогенез мерзлых засоленных пород незавершен, поэтому при изменении внешних условий возможна активизация диагенетических процессов, что обуславливает неустойчивость химико-минерального состояния этих пород.

Химический состав порового раствора засоленных мерзлых пород определяется их происхождением. На Арктическом побережье эти породы обычно представляют собой морские осадки, поэтому состав солей близок к морскому. Морская вода отличается почти постоянным химическим составом, сформировавшимся в течение длительного геологического времени. Однако при отложении морских осадков происходят процессы вытеснения ионов, ионного обмена, адсорбции и бактериального воздействия, в результате чего состав поровой влаги может значительно отличатся от морского. При этом наблюдается изменение концентраций Mg2+, S042", К+, снижение рН. Нередко оказывается, что минерализация поровых вод донных осадков выше, чем придонного слоя

I 2+ 2 2 воды. Но в целом, в растворе морской воды преобладают ионы Na , Са , Mg4 , СГ\ S04% СО32", которые содержатся примерно в том же соотношении и в поровой влаге. Постепенно в осадках может уменьшаться содержание сульфат-иона за счет сульфатредуцирующих микроорганизмов. При протаивании может происходить выщелачивание засоленных пород, увеличение в растворе Са2+, Na+, SO42" или НСОПри промерзании происходит накопление бикарбонатов и карбонатов в растворе, частичному осаждению карбонатов, криогенное концентрирование - «криогенная метаморфизация», т.е. преобразования, происходящие при промерзании и протаивании засоленных пород, сложны, неустойчивы и мало изучены.

Криопэги. Криопэги, их состав, геотемпературный режим, генезис представляют научный и практический интерес в современной криологии и инженерной геологии.

Согласно геокриологическому словарю (2003), цитирую «.Криопэги (криогалинные воды) - природные соленые воды с отрицательными температурами. Термин введен Н.И. Толстихиным и получил всеобщее признание. Криопэги делятся на сезонные и многолетние. Сезонные криопэги формируются зимой в минеральных озерах, поверхностных слоях замерзающих морей, в основании сезонномерзлого и сезонноталого слоев на суше и на мелководных участках северных морей. Многолетние криопэги присутствуют в глубоководной зоне арктических и приантарктических морей и в субаэральной криолитозоне в северной геокриологической зоне преимущественно в виде над-, под-, меж- и внутримерзлотных вод артезианских бассейнов и гидрогеологических массивов, реже в минеральных озерах. Установленные температуры криопэгов от 0 до -12 °С. Криопэги в толще мерзлых пород образуются: а) при промерзании изначально засоленных пород, содержащих соленые и солоноватые воды; в таких случаях в процессе льдообразования происходит концентрирование рассолов; б) при миграции вниз рассолов, сформировавшихся в подошве сезонноталого слоя, в) при промерзании толщ переслаивающихся водопроницаемых и водоупорных пород, где первые насыщены низкотемпературными солеными водами, а вторые слабо засолены и промерзают при температуре, близкой к О °С.»

Криопэги представляют собой соленые воды с отрицательной температурой, образующиеся в результате физико-химических процессов под воздействием сезонного или многолетнего криогенного метаморфизма. В результате процессов сезонного или многолетнего промерзания в значительной степени изменяются химический состав и минерализация природных вод. Условия формирования солевого состава криопэгов практически не изучены. Однако, анализ опубликованных данных (Анисимова, 1981, Фотиев, 1978) позволяет охарактеризовать основные закономерности криогенной метаморфизации химического состава вод. Во-первых, температура кристаллизации природных вод зависит от категории воды, степени ее минерализации и, в основном, меняется от 0 до -30°С. При нулевой температуре замерзает гравитационная, капиллярная и слабосвязанная пресная вода. Прочносвязанная вода замерзает при температурах -10°С и ниже, а рассолы с минерализацией 200 г/кг не замерзают даже при -20°С. Во-вторых, изменение фазового состава влаги приводит к дифференциации солей между твердой и жидкой фазами. При кристаллизации воды часть солей выпадает в осадок, часть захватывается льдом, часть отжимается в нижележащие слои, увеличивая минерализацию остаточного раствора. Такой процесс называется криогенным концентрированием. При таянии льда не все выпавшие в осадок соли переходят в жидкую фазу, что вызывает криогенное опреснение воды, при котором минерализация талой воды меньше минерализации исходного раствора. Таким образом, криогенная метаморфизация существенно влияет на химический состав воды.

Преобразование состава воды при криогенной метаморфизации зависит от исходного состава воды и пород, температуры охлаждения, скорости промерзания, степени растворимости солей при отрицательной температуре, биохимических и обменно-адсорбционных процессов во вмещающих породах. Криогенная метаморфизация может происходить как в пресной, так и в соленой воде, однако для образования криопэгов необходимы воды с высокой минерализацией.

Соленые воды характеризуются преимущественно хлоридным натриевым или кальциевым составом. Их минерализация меняется от 10 до 600 г/кг. По генезису соленые воды разделяются на воды выщелачивания каменной соли и морские воды.

Морские воды при криогенном преобразовании наиболее сильно меняют свой химический состав и минерализацию. Морская вода имеет своеобразный состав, ее минерализация практически постоянна во времени и составляет 35 г/кг. Содержание ионов строго последовательно: Cl>S04>HC03+CCb и Na+K>Mg>Ca, их количественное соотношение большинства ионов так же постоянно, кроме содержания НСОз и СОз.

Заключение Диссертация по теме "Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение", Волков, Николай Генрихович

выводы

1. Проведенный анализ различных методов экспериментального определения температуры начала замерзания и содержания незамерзшей воды показал, что наиболее простым в реализации, информативным и производимым является криоскопический метод, однако его применимость для засоленных пород ограничена малыми концентрациями. Предложено модифицировать методику обработки термограммы оттаивания, с анализом всех ее участков. Проведенное сопоставление экспериментальных и расчетных данных показало их удовлетворительное совпадение.

2. Исходя из анализа существующих методов экспериментального определения теплоемкости и энтальпии засоленных пород при отрицательных температурах, целесообразно использовать дифференциальную сканирующую калориметрию. Обнаруженные на кривых ДТА пики тепловыделений у образцов засоленных пород интерпретируются, как выделения теплоты фазового перехода лед-вода и криогидратообразования. Сопоставление экспериментальных данных по теплоемкости образцов каолина засоленного Na2S04 и NaCl с расчетными значениями, полученными по аддитивной формуле через теплоемкость компонентов породы показало удовлетворительную сходимость.

3. Проведенный анализ показал, что расчет параметров фазового равновесия для пород с преобладающим хлоридным засолением, с удовлетворительной для практики точностью, может быть сделан: при небольшой концентрации порового раствора по нормативной литературе, или по модификациям криоскопической формулы из теории растворов; при произвольной концентрации - по методике И.А. Комарова, которая основана на термохимическом (энергетическом) подходе. Для реализации последней разработан алгоритм программы, а также написана программа для компьютерной реализации, проведено сопоставление рассчитанных данных с экспериментальными, которое показало удовлетворительную сходимость.

4. Для оценки фазовой диаграммы криопэгов может быть использована модель Пицера, реализованная в программе «FREZCHEM2». Сопоставление рассчитанных по этой программе данных с экспериментальными результатами по температуре начала замерзания пород с полиионным засолением показало их удовлетворительную сходимость.

5. Для засоленных пород и криопэгов произвольного состава и концентрации, в рамках 7-компонентной системы Na-K-Ca-Mg-Cl-S04-H20, предложены: методика расчетной оценки параметров фазового и химического равновесия; методика оценки температурных условий формирования ионно-солевого состава криопэга по кривой десульфатизации. Указаны пределы применимости методик, которые обусловлены: неоднозначностью экспериментального материала для диапазона низких отрицательных температур; возможностью выноса части мирабилита во вмещающие породы; миграцией криопэгов; процессами сульфатредукции и адсорбции солей.

6. По предложенной методике оценены температурные условия формирования водно-солевого состава ряда криопэгов п-ова Ямала и Колымской низменности. Полученные данные по химическому и фазовому составу для ряда криопэгов п-ова Ямал подтверждают ранее высказанное С.М Фотиевым предположение о разбавлении этих криопэгов пресными водами. Причины разбавления являются дискуссионным вопросом.

7. Предложена модель и алгоритм для расчета теплового взаимодействия криопэга с массивом вмещающих пород в слое нулевых годовых амплитуд. Показано, что криопэг оказывает отепляющее влияние на нижележащие породы, за счет возникновения фронта промерзания, экранирующего криопэг от проникновения низкотемпературных колебаний и уменьшения теплопроводящих свойств. Отепляющее влияние возрастает с увеличением эффекта отжатая солей в охлажденную зону, зависящего от скорости промерзания, которая при прочих равных условиях определяется местом расположения криопэга в слое. Сезонные изменения общей минерализации криопэга могут быть весьма существенными.

8. В годовом цикле изменения температурного и водно-ионного режима пород общая минерализация порового раствора достигает максимума и минимума, по времени совпадающими с соответствующими температурными экстремумами. В отличие от закономерностей изменения общей минерализации концентрация ионов сульфатов может иметь два минимума в годовом цикле, что связано с выпадением мирабилита в твердую фазу. Предлагается выделить в слое нулевых годовых амплитуд три типа горизонтов: первый - в котором сульфат-ион в течение всего года находится в растворенном виде; второй - в котором могут появляться на непродолжительное время кристаллы мирабилита; третий - в котором кристаллы мирабилита присутствуют постоянно.

9. Для оценки эффективности работы различных типов СОУ в условиях засоленных грунтов был проведен прогноз температурного режима для природно-климатических условий п-ова Ямал. На основе данных о промораживании талого и охлаждении мерзлого засоленного массива можно сделать вывод, что наиболее эффективным СОУ является двухфазный термостабилизатор ТМД-5Р. Охлаждение мерзлого массива с помощью термостабилизаторов такого типа увеличивает несущую способность сваи на 40 - 70 %.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Волков, Николай Генрихович, Москва

1. Ананян А.А., Голованова Г.Ф., Волкова Е.В. Исследование системы каолин вода методом спинового эха // Связанная вода в дисперсных системах. М.: МГУ, 1977. Вып. 4. с. 172-178.

2. Анисимова Н.П. Криогидрохимические особенности мерзлой зоны. Новосибирск: Наука, 1981. 153 с.

3. Анисимова Н.П., Павлова Н.А. Особенности формирования криопэгов в слое годовых теплооборотов на территории Якутска. // Криосфера Земли, 2002, т. IV, №4, с. 6369.

4. Баясан P.M., Волков Н.Г., Коротченко А.Г., Комаров И.А., Лобанов А.Д. Эффективность работы различных типов СОУ в засоленных многолетнемерзлых грунтах. // Материалы Третьей конференции геокриологов России. Т.4. М.: Изд-во МГУ, 2005, с. 27-32.

5. Бакаев В.А., Киселев В.Ф., Красильников К. Г. Понижение температуры плавления воды в капиллярах пористого тела // ДАН СССР. 1959,125,4,831-834

6. Баулин В.В. и др. Геокриологические условия Западно-Сибирской низменности. М., «Наука», 1971.

7. Баулин В.В., Дубиков Г.И., Аксенов и др. Геокриологические условия Харасавэйского и Крузенштерновского газоконденсатных месторождений (полуостров Ямал). М.: ГЕОС, 2003. - 180 с.

8. Боженова А.П., Бакулин Ф.Г. Экспериментальные исследования механизмов передвижения влаги в промерзающих грунтах. Материалы по лабораторным исследованиям мерзлых грунтов, сб. 3. Изд-во АН СССР, М. 1957.

9. Брушков А.В. Засоленные мерзлые породы Арктического побережья, их происхождение и свойства. Москва, изд-во МГУ, 1998, 330 стр.

10. Велли Ю.Я., Гришин П.А. О функциональной, зависимости температуры замерзания от состава воднорастворимых солей в поровом растворе. // Реология грунтов и инженерное мерзлотоведение. М., Наука, 1982. с. 193-196.

11. Волков Н.Г., Кулиш Е.М., Комаров И. А. Методика оценки теплового взаимодействия криопэгов с вмещающими породами в слое нулевых годовых амплитуд // Материалы Третьей конференции геокриологов России. Т.2. М.: Изд-во МГУ, 2005, с. 4145.

12. Вотяков И.Н. Физико-механические свойства мерзлых и оттаивающих грунтов Якутии. Изд-во Наука Сиб. отд. АН СССР Новосибирск, 1975, 174 с.

13. Галиуллин З.Т., Баясан P.M., Коротченко А.Г., Исмаилов И.А., Лобанов А.Д. Сезонные охлаждающие устройства. // Газовая промышленность, №8, 2001 с. 44-45.

14. Геокриологический словарь, под ред. В.В. Баулина и В.Э. Мурзаевой. Москва, изд-во ГЕОС, 2003,140 стр.

15. Геокриология СССР. Западная Сибирь, под ред. Э.Д. Ершова. Москва, Изд-во Недра, 1989,514 стр.

16. Гиличинский Д.А., Ривкина Е.М., Щербакова В.А., Лауринавичус К.С., Комаров И.А., Волков Н.Г. Криопэги и их обитатели модель для астробиологии // Криосфера Земли, 2003, т. VII, № 3, с.73-85.

17. Гиттерман К.Э. Термический анализ морской воды (концентрирование соляных растворов естественным вымораживанием) // Тр. Соляной лаб. АН СССР. М., Изд-во АН СССР, 1937, вып. 15,4.1, с. 5-24.

18. Глобус A.M. Экспериментальная гидрофизика почв., л, Гидрометеоиздат, 1969 г., 355 с.

19. Голубев В.Н. Зависимость структуры льда от солености замерзающей воды // II Международная конференция по мерзлотоведению, Якутск, 1973, Вып. 4, с. 180-184.

20. Голубев В.Н. Структурное ледоведение. Москва, Изд-во МГУ, 1999, 104 с.

21. Горелик Я.Б. Физика криогенных процессов в литосфере. Автореф. дисс. на соиск. уч. степени д-ра геол.-мин. наук, Тюмень, 2001, 52 с.

22. ГОСТ 12536-79 Грунты. Методы лабораторного определения зернового (гранулометрического) состава. М.: ИИТП Госстроя СССР, 1979. № 189. 26 с.

23. ГОСТ 5180-84 Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик. М.: ИИТП Госстроя СССР, 1984. № 177. 23 с.

24. Гречищев С.Е., Чистотинов Л.В., Шур Ю.Л. Криогенные физико-геологические процессы и их прогноз. М.: Недра, 1980, с.384.

25. Григорян С.С., Красс М.С., Гусева Е.В., Геворкян С.Г. Количественная теория геокриологического прогноза Изд-во МГУ 1987,266 с.

26. Грунтоведение. Под ред. Сергеева Е.М., Москва, 1983 г.

27. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Муллер В.М. Поверхностные силы. М. Наука, 1985, 398 с.

28. Дубиков Г.И., Иванова Н.В. Засоленные мерзлые грунты и их распространение на территории СССР // Засоленные мерзлые грунты как основания сооружений. М.: Наука, 1990. с. 9-11.

29. Дубиков Г.И., Иванова Н.В. Содержание и принципы составления карты засоленности мерзлых грунтов (на примере Западной Сибири) // Мерзлые грунты и криогенные процессы. М.: Наука, 1991. с. 85-89.

30. Ентов В.М., Максимов A.M., Цыпкин Г.Г. Образование двухфазной зоны при промерзании пористой среды: Препринт №269,- М.: Институт проблем механики АН СССР.1986. 56 с.

31. Ершов Э.Д., Акимов Ю.П., Чеверев В.Г., Кучуков Э.З. Фазовый состав влаги в мерзлых породах. М.: Изд-во МГУ, 1979. 189 с.

32. Ершов Э.Д., Данилов И.Д., Чеверев В.Г. Петрография мерзлых пород. Москва, изд-во МГУ, 1987 г., 310 с.

33. Ершов Э.Д., Комаров И.А., Мельчакова J1.B., Мотенко Р.Г. Исследование термодинамических свойств засоленных дисперсных горных пород. Труды конференции по термохимии минералов, т.1, Мииас, 1988.

34. Ершов Э.Д., Комаров И.А., Чувилин Е.М. Прогноз процессов взаимодействия жидких техногенных рассолов, захороняемых в массиве мерзлых пород. // Геоэкология, 2, 1997, стр. 19-29.

35. Ершов Э.Д., Волков Н.Г., Комаров И.А. Сопоставление методик оценки температуры формирования водно-солевого состава криопэгов // Материалы Третьей конференции геокриологов России. Т.2. М.: Изд-во МГУ, 2005, с. 79-84.

36. Ефимов С.С. Влага гигроскопических материалов. Новосибирск, наука, 1986.160 с.

37. Жигарев J1.A. Океаническая криолитозона. М.: Изд-во МГУ, 1997. 320 с.

38. Жуков В.Ф., Салтыков Н.И. Изыскания северного порта в Обской губе, вып. 3. М. -J1., Главсевморпуть, 1953.

39. Зыков Ю.Д. Геофизические методы исследования криолитозоны. М.: МГУ, 1999. 243 с.

40. Иванов А.В. Теория криогенных и гляциоигенных гидрохимических процессов // Итоги науки и техники. Сер гляциол. Т. 5. М.: Изд. ВИНИТИ, 1987. 236 с.

41. Комаров И.А. Единая термодинамическая модель фазового, адсорбционного и химического равновесия поровой влаги в мерзлых породах. Грунтоведение. Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология, 2001, №3, с. 244-259.

42. Комаров И.А. Термодинамика мерзлых и промерзающих пород. Авт. докт. диссерт. Москва, 1999. 52стр.

43. Комаров И.А., Мотенко Р.Г., Смирнова Н.Н. О характере изменения температур оттаивания засоленных пород. Сб.: Инженерно-геологические проблемы Забайкалья. Чита, 1987.

44. Комаров И.А., Луковкин Д.С. Методика количественной оценки влияния процессов солепереноса на ход деградации субаквальных многолетнемерзлых пород шельфа Баренцева моря. // Вторая конференция геокриологов России. Т. 2.2001. с. 154-163.

45. Комаров И.А. Термодинамика и тепломассообмен в дисперсных мерзлых породах. М.: Научный мир, 2003, 608 с.

46. Комаров И.А., Волков Н.Г., Мельчакова Л.В. Экспериментальное исследование теплоемкости и ДТА кривых мерзлых засоленных пород // Материалы Международной конференции «Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения», Пущино, 2003, с. 215-216.

47. Комплексные инженерно-геокриологические исследования Крузенштернского месторождения. Фондовые материалы, Москва, 1990.

48. Лабораторные методы исследования мерзлых пород, под ред. Э.Д. Ершова, Москва, изд-во МГУ, 1985, 350 стр.

49. Минкин М.А. Научные основы инженерно-геокриологических изысканий (на примере севера Западной Сибири): Автореф. дисс. докт. техн. наук, М.: Фундаментпроект, 1992. 58 с.

50. Мотенко Р.Г., Комаров И.А. Результаты экспериментальных исследований фазового состава влаги засоленных мерзлых грунтов Матер.1 съезд Геокриологов России, т.2, 483.

51. Основы Геокриологии. Ч. 2. Литогенетическая геокриология, под ред. Э.Д.Ершова. Москва, изд-во МГУ, 1996, 396 стр.

52. Основы Геокриологии. 4.5. Инженерная геокриология. М.: Изд-во МГУ. 1999. 527с.

53. Пономарев В.М. Формирование подземных вод по побережью северных морей в зоне вечной мерзлоты. М., Изд-во АН СССР, 1950.

54. Пономарев В.М. Подземные воды территории с мощной толщей многолетнемерзлых горных пород. М., Изд-во АН СССР, 1960.

55. Пермяков П.П., Романов П.Г. Тепло- и солеперенос в мерзлых ненасыщенных грунтах. Якутск, 2000.126 с.

56. Роман JI.T. Механика мерзлых грунтов. М.: изд-во МАИК "Наука / Интерпериодика", 2002,426 с.

57. Савельев Б.А. Физика, химия и строение природных льдов и мерзлых пород. М.: Изд-во МГУ, 1971,507 с.

58. СНиП 2.02.01-83. Основания зданий и сооружений.

59. СНиП 2.02.04-88. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах.

60. СНиП 23-01 -99. Строительная климатология.

61. Справочник химика. Третий том. Химическое равновесие и кинетика, свойства растворов, электродные процессы. Москва, изд-во «Химия», 1964,1004 с.

62. Справочник по физическим величинам. Москва, Энергомиздат 1991, 1232 с.

63. Трофимов В.Т., Баду Ю.Б., Кудряшов В.Г., Фирсов Н.Г. Полуостров Ямал. Изд-во МГУ, 1975. 278 с.

64. Фазовый состав влаги в мерзлых породах, под ред. Э.Д.Ершова. Москва, изд-во МГУ, 1979, 189 стр.

65. Фотиев С.М. Закономерности формирования ионно-солевого состава природных вод Ямала // Криосфера Земли, 1999, т. III, № 2, с. 40-65.

66. Фотиев С.М. Закономерности криогенной метаморфизации химического состава морской воды // Криолитозона и подземные воды Сибири. Якутск: И-т Мезлотоведения СО РАН, 1996. Часть 2, с. 16-26.

67. Фотиев С.М., Комаров И.А., Волков Н.Г. Теоретические и экспериментальные исследования параметров фазового равновесия для засоленных пород и криопэгов // Материалы Международной конференции «Криосфера нефтегазоносных провинций», Тюмень, 2004, с. 27-32.

68. Фролов А.Д. Электрические и упругие свойства мерзлых пород и льдов. Пущино ОНТИ ПНЦ РАН, 1998, 515с.

69. Чеверев В.Г. Физико-химическая теория формирования массообменных и тепловых свойств криогенных грунтов. / Автореф. дисс. на соиск. уч. степени д-ра геол.-мин. наук, М.,1999.40 с.

70. Чижов А.Б., Деревягин А.Ю., Майер X. Влагообмен и льдообразование в многолетнемерзлых породах по данным изотопного анализа. // Материалы Третьей конференции геокриологов России. Т.1. М.: Изд-во МГУ, 2005, с. 132-138.

71. Шестаков В.М. Гидрогеодинамика. М.: Изд-во МГУ. 1995. 368 с.

72. Anderson D., Morgenstern N. Physic, Chemistry and mechanic of frozen Ground // Permafrost. Second Int. Conference. 1973. Yakutsk, USSR, 1973. - p. 257-288.

73. CRREL REPORT, 94-18, FREZCHEM: A Chemical-Thermodynamic Model for Aqueous Solutions at Subzero Temperatures. Giles M. Marion and Steven A. Grant, July 1994, 35 p.

74. Mironenko M.V., Grant S.A., Marion G.M., and Farren R.E. FREZCHEM2. A Chemical Thermodynamic Model for Electrolyte Solutions at Subzero Temperatures // CRREL Report 975, October 1997,40 p.

75. Fujino K., Lewis E.L., Perkin R.G. The freezing points of seawater at pressures up to 100 bars. Journal of Geophysical Research, 79, 1974, p. 1792-1797.

76. Low P.F., Anderson D.M., Hoekstra P. Some thermodynamic relationships for soil at and below the freezing point. // Water Resources Res., 1968, v. 4, № 2. p. 379-394.

77. Miller R.D. Freezing and heaving of saturated and unsaturated soils. Highway Res. Rec. 1972. N393.

78. Nelson K.H., Thompson T.G. Deposition of salts from sea water by frigid concentration. Journal of Marine Research, 13 (2), 1954, p. 166-182.

79. Penner E., Ueda T. The dependence of frost heave on load application: preliminary results. Proc. Intern. Symp. On Frost Action in Soils, Lulea, Sweden, 1977, p. 92-100.

80. Pitzer K.S. A thermodynamic model for aqueous solutions of liquid-like density // Reviews in Mineralogy, 1987, V. 17, pp. 97-142.

81. Pitzer K.S. Ion interaction approach: Theory and data correlation // Activity coefficients in electrolyte solutions, 1991, pp. 75-153.

82. Phase composition and thermal properties of frozen saline grounds in wide range of negative temperatures.// VHth International conference on Permafrost. Yellowknife, Canada, 1998, (Yershov E.D., Motenko R.G.).

83. Spencer R.J., Moller N. and Weare J.H. The prediction of mineral solubility in natural waters: A chemical equilibrium model for the Na-K-Ca-Mg-Cl-S04-H20 system at temperatures below -25°C // Geochimica et Cosmochimica Acta, 1990, V. 54, p. 575-590.

84. Volkov N.G., Komarov I.A. The research of phase balance parameters and formation temperature for cryopegs // 2nd European Conference on Permafrost, 2005, p. 114-115.

Информация о работе

Волков, Николай Генрихович
кандидата геолого-минералогических наук
Москва, 2006
ВАК 25.00.08

Диссертация

Прогноз температурного и водно-ионного режима засоленных мерзлых пород и криопэгов - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы