Роль трансформации нефтяного загрязнения в изменении свойств грунтов слоев сезонного оттаивания и сезонного промерзания

Нефедьева, Юлия Андреевна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Роль трансформации нефтяного загрязнения в изменении свойств грунтов слоев сезонного оттаивания и сезонного промерзания
ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Роль трансформации нефтяного загрязнения в изменении свойств грунтов слоев сезонного оттаивания и сезонного промерзания"

0Ы4610244

На правах рукописи

Нсфсдьева Юлия Андреевна

РОЛЬ ТРАНСФОРМАЦИИ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ В ИЗМЕНЕНИИ СВОЙСТВ ГРУНТОВ СЛОЕВ СЕЗОННОГО ОТТАИВАНИЯ И СЕЗОННОГО ПРОМЕРЗАНИЯ

Специалыюсть25.00.08 «Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

1 4 0К7 2010

Москва, 2010

004610244

Работа выполнена на кафедре геокриологии геологического факультета Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова.

Научные руководители: доктор геолого-минералогических паук,

профессор Ершов Эдуард Дмитриевич! кандидат геолого-минералогических наук, доцент Мотенко Римма Григорьевна

Официальные онпоненты: доктор гсолого-минералогических наук,

Минкин Марк Абрамович кандидат технических наук, профессор Кроник Яков Александрович

Ведущая организация: институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН (ИГЭ РАН)

Защита диссертации состоится 15 октября 2010 года в 14 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 501.001.30 при Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: г. Москва, Ленинские горы, Главное здание МГУ, геологический факультет, аудитория 415.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова (Главное здание МГУ, сектор «А», 6 этаж).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 119991, г. Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, геологический факультет, ученому секретарю диссертационного совета профессору В.Н. Соколову.

Автореферат разослан 14 сентября 2010г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.001.30

доктор гсолого-минералогических наук, профессор

В.Н. Соколов

Введение

Актуальность работы. Активное развитие нефтедобывающей промышленности приводит к существенному увеличению территорий, отводимых для освоения нефтяных месторождений. При этом возникает опасность углеводородного загрязнения природных ландшафтов, которая является следствием разливов нефти и нефтепродуктов при их добыче, хранении, транспортировке и переработке. Нефть, попадая в почвы и грунты, привносит с собой разнообразный набор химических соединений, нарушающих сложившийся геохимический баланс в экосистемах. Процессы деградации загрязнителей в грунтах осуществляются на фоне их активного взаимодействия с грунтовой массой. Это приводит к направленному изменению свойств грунтов, которое может быть растянуто во времени не только в результате постепенного проникновения нефти и нефтепродуктов в породы, но и в результате в результате их трансформации.

Большинство исследований свойств нефтезагрязненных мерзлых и промерзающих грунтов, в том числе и теплофизических свойств, на данный момент проводилось на грунтах нарушенного сложения. А в реальных условиях состав и свойства загрязненных грунтов изменяются во времени, в связи с этим особенно важным является вопрос изучения нефтезагрязненных грунтов при их естественной трансформации в зависимости от времени и условий загрязнения.

Большая часть месторождений нефти и газа России находится в криолитозоне; в отличие от районов распространения талых пород, нефтяное загрязнение криолитозоны и последующие изменения свойств грунтов и альбедо поверхности сказывается на температурном режиме и глубине сезонного оттаивания пород. В связи с этим возникает необходимость специального экспериментального изучения влияния трансформации углеводородного загрязнения на свойства грунтов слоев сезонного оттаивания и сезонного промерзания, с последующим использованием полученных результатов для прогноза последствий разливов нефти и нефтепродуктов в конкретных геокриологических условиях.

Цель и задачи работы. Основная цель работы - выявление влияния трансформации нефтяного загрязнения на свойства и состав грунтов слоев сезонного промерзания и оттаивания.

В связи с поставленной целью основные задачи состояли в следующем:

1. Ознакомиться с современным состоянием изученности влияния нефтяного загрязнения на свойства и состав дисперсных грунтов, закономерностей изменения состава нефти и ее свойств во времени.

2. Провести комплексное экспериментальное исследование состава и свойств нефти и нефтезагрязненных грунтов разного гранулометрического состава, включающее в себя: а) отбор грунтов разного гранулометрического состава естественного

сложения в местах нефтяного загрязнения различной длительности и условий его трансформации; б) геохимическое исследование качественного и количественного состава нефти и нефтепродукта, содержащегося в грунтах; в) исследование гранулометрического и микроагрегатного состава нефтезагрязненных грунтов; г) исследование теплофизических, акустических и электрических свойств нефтезагрязненных грунтов; д) получение закономерностей изменения исследованных свойств в зависимости от длительности трансформации, степени и условий загрязнения, температуры грунтов; е) сопоставление полученных зависимостей изменения состава и свойств грунтов и нефти от времени трансформации.

3. На основе полученных результатов исследований провести прогнозные расчеты изменения мощности слоя сезонного протаивания (промерзания) для грунтов различного состава в районах Европейского Севера, Западной Сибири и Аляски с оценкой влияния изменения альбедо поверхности и теплофизических свойств.

Защищаемые положения

1. Реализован комплексный подход к экспериментальному изучению изменения свойств грунтов слоев сезонного оттаивания и сезонного промерзания под влиянием нефтяного загрязнения и его трансформации, состоящий в исследовании количественных и качественных изменений нефти, изучении микроагрегатного состава и теплофизических, акустических и электрических свойств нефтезагрязненных грунтов.

2. Впервые установленные закономерности изменения теплофизических, акустических, электрических свойств и состава исследуемых грунтов, а также состава нефти в зависимости от длительности трансформации, степени и условий нефтяного загрязнения, дисперсности и температуры выявили роль трансформации нефтяного загрязнения в изменении свойств грунтов слоя сезонного оттаивания (промерзания), заключающуюся в снижении значений исследуемых характеристик с длительностью трансформации при количественном уменьшении загрязнения и подобном характере их изменения и взаимосвязи с изменением состава грунтов и нефти.

3. Установлено влияние нефтяного загрязнения и его трансформации на мощность слоев сезонного протаивания (промерзания) для различных геокриологических условий, заключающееся в большем влиянии изменения альбедо поверхности на мерзлые грунты, и более выраженном влияния изменения теплопроводных свойств на промерзающие грунты из-за более интенсивных процессов трансформации нефти в них. Изменения глубин сезонного оттаивания и промерзания в нефтезагрязненных песках происходят наиболее интенсивно, чем в суглинках, ввиду меньшего изменения теплопроводности песков при загрязнении нефтью.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые проведено комплексное экспериментальное исследование влияния трансформации нефтяного загрязнения на изменение состава и свойств нефтей и нефтезагрязненных мерзлых и промерзающих грунтов разного гранулометрического состава.

а) установлено, что через 3 года увеличение содержания асфальтенов в групповом составе нефти и уменьшение коэффициента теплопроводности происходит в ряду: супесь - суглинок - глина; для глины содержание асфальтенов увеличилось в 5 раз и уменьшение коэффициента теплопроводности составило около 30%;

б) через 5 лет трансформации нефти для суглинков и супесей выявлено увеличение содержания асфальтенов в 7 и 2,5 раза, соответственно, и зафиксировано уменьшение значений коэффициента теплопроводности (Я), скорости продольных волн (V) и удельного электрического сопротивления (р)на 30-50%;

в) в суглинке, слагавшем дно нефтяного амбара, в результате 15-летнего преобразования установлено трехкратное уменьшение коэффициента теплопроводности (Л,) при наибольшем увеличении асфальтеновой фракции (в 10 раз).

а) при совместном влиянии изменения альбедо поверхности и теплофизических свойств под влиянием трансформации нефтяного загрязнения увеличение глубины сезонного оттаивания в исследованных районах составило от 20% (в районах с длительно-устойчивыми типами сезонного оттаивания) до ~70% (в районах с переходными типами сезонного оттаивания пород); уменьшение глубины сезонного промерзания в исследованных районах составило -15-20%;

б) при угнетении и исчезновении растительного покрова для всех типов грунтов во всех районах распространения мерзлых пород зафиксировано начало развития процесса многолетнего оттаивания пород и увеличение его глубины через 5 лет более чем на 2 м;

в) сравнение результатов моделирования с литературными данными по полевым исследованиям нефтяного загрязнения криолитозоны показали их хорошую сходимость.

изменения геокриологических условий под влиянием нефтяного загрязнения. Полученные результаты моделирования могут быть использованы для прогноза негативных геологических процессов и явлений в местах, подвергающихся нефтяному загрязнению; а также при решении ряда инженерных задач: проектировании хранилищ нефти и нефтепродуктов в толщах мерзлых пород и других сооружений, связанных с добычей, транспортировкой, переработкой нефти и др. Часть экспериментальных результатов и выводов применяется в научно-исследовательской работе сотрудников и студентов кафедры геокриологии геологического факультета МГУ.

Личный вклад автора. В процессе работы автором проведено 54 эксперимента по исследованию изменения группового состава нефти в загрязненных дисперсных грунтах, свыше 200 экспериментов по исследованию теплофизических характеристик и температуры оттаивания грунтов, 44 эксперимента по определению электрических и акустических свойств, 38 определений гранулометрического и микроагрегатного состава загрязненных дисперсных пород. Выполнены многочисленные серии (около 150 вариантов) прогнозов влияния углеводородного загрязнения на динамику слоя сезонного промерзания (оттаивания) для грунтов разного состава в районах с различными геокриологическими условиями Европейского Севера, Западной Сибири и Аляски. Выполнена оценка влияния изменения альбедо поверхности, теплофизических свойств на глубину сезонного оттаивания и промерзания.

Апробация работы. Основные положения диссертации были апробированы в журналах «Вестник МГУ. Серия 4. Геология» и «Криосфера Земли» (2008), а также на шестой международной конференции ((Новые идеи в геологии и геохимии нефти и газа» /Москва, 2002/, международной научно-практической конференции «Техногенная трансформация геологической среды криолитозоны» /Екатеринбург, 2002/, на конференции «Актуальные проблемы механики, прочности и теплопроводности при низких температурах. Моделирование замораживания грунтов искусственным холодом» /Санкт-Петербург, 2003/, на международной конференции «Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения» /Пущино, 2003/, седьмой международной конференции «Актуальные проблемы геологии и геохимии нефти и газа»/ Москва, 2004/, 7-ом международном симпозиуме по освоению вечной мерзлоты /Ланчжоу, Китай, 2004/, XV-м Российском совещании по экспериментальной минералогии /Сыктывкар, 2005/, международной конференции «Приоритетные направления в изучении криосферы Земли» /Пущино, 2005/, третьей конференции геокриологов России /Москва, 2005/, конференции по проблемам вечной мерзлоты /Ланчжоу, Китай, 2006/, международной конференции «Криогенные ресурсы полярных регионов» /Салехард, 2007/.

Публикации. За время работы по данной теме автором совместно с сотрудниками кафедры и научными руководителями опубликовано 15 научных трудов, 2 из которых опубликованы в научных журналах, рекомендуемых ВАК -«Вестник МГУ. Серия 4. Геология» и «Криосфера Земли».

Структура и объем работы. Работа объемом 226 страниц содержит 92 рисунка, 19 таблиц и состоит из введения, 7 глав, выводов и списка литературы, который включает 131 наименование.

Благодарности. В основу работы положены результаты экспериментальных исследований и расчетов, выполненные на кафедре геокриологии геологического факультета МГУ с 2004 по 2008 г. под научным руководством зав. кафедрой геокриологии, доктора геолого-минералогических наук, профессора |Ершова эТд] и старшего научного сотрудника, кандидата геолого-минералогических наук, доцента Мотенко Р.Г., которым автор выражает особую признательность.

Автор выражает искреннюю благодарность всем сотрудникам кафедры геокриологии за ценные советы и внимание к работе, особенно к.г.-м.н., доценту Пармузину С.Ю., д.г.-м.н. Зыкову Ю.Д., д.г.-м.н., профессору Роман Л.Т. за ценные консультации, помощь в интерпретации полученных данных, содействие при подготовке работы и редакционные советы. Также автор признателен студентам кафедры геокриологии, участвовавшим в проведении экспериментальной программы: Анисимовой И.В., Гераскиной Е.В, Сазанской Е.В.

Отдельную благодарность автор выражает сотрудникам кафедры инженерной и экологической геологии, в частности, к.г.-м.н., доцентам Николаевой С.К. и Григорьевой И.Ю., сотрудникам кафедры геологии и геохимии горючих ископаемых - с.н.с. Кирюхиной Т.А. и инженеру Натитник И.М., а также доценту кафедры геофизических методов исследования земной коры Модину И.Н. за помощь и консультации, оказанные при проведении экспериментов.

Исследования по теме диссертации поддерживались грантами РФФИ (00-0564454), РФФЩ04-05-64828) и Университеты России (УР.09.03.002).

Глава 1. Современное состояние вопроса о проблеме загрязнения нефтью

и нефтепродуктами грунтов слоя сезонного оттаивания (промерзания)

Нефть и нефтепродукты являются приоритетными загрязнителями природной среды в местах ее добычи, транспортировки, хранения и переработки. В числе отраслей современного производства нефтяная промышленность по опасности воздействия на окружающую среду занимает одно из первых мест. При крупных разливах полную рекультивацию нефтезагрязненных земель осуществить практически невозможно. Причем, наряду со старыми, 10-20-летней давности, выявляется огромное количество новых разливов нефти, образовавшихся в последние

2-3 года. Это свидетельствует о наличии в местах разливов нефти почв и грунтов с различной давностью загрязнения и стадией ее трансформации.

Рассматривать влияние углеводородного загрязнения на динамику мощности многолетнемерзлых пород и слоя сезонного промерзания (протаивания) крайне сложно без представления о влияния такого загрязнения на их состав, свойства и происходящие в них процессы.

Строение и свойства талых дисперсных пород, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, а также процессы миграции и трансформации техногенных потоков нефти и их количественный анализ достаточно хорошо отражены в работах E.H. Андреевой, В.Ж. Аренса, B.JI. Воронина, М.Ю. Гилязова, М.А. Глазовской, O.A. Гусевой, В.А. Королева, И.Н. Модина, A.A. Оборина, Ю.И. Пиковского, А.П. Садова, Р.Н. Ситдикова, Н.П. Солнцевой, А.Д. Фролова, В.А. Шевнина, K.W. Broun, Ch.M. Collins, К.С. Domiely, и др.

Нефть и нефтепродукты сильно различаются по фракционному и групповому составу, содержанию неуглеводородных компонентов, физическим и физико-химическим свойствам. Попадая в трут, нефть претерпевает количественное и качественное изменение в результате испарения, вымывания водой, ультрафиолетового разложения, химического и микробиологического окисления. При физико-химической деструкции нефти вне зависимости от ее состава и почвенно-климатических условий, в которых протекают процессы трансформации, происходит разрушение и удаление метановых УВ и увеличивается доля более плотных смол и асфальтенов. Рядом специалистов (Ю.И. Пиковский, Н.П. Солнцева, М.А. Глазовская, Н.М. Исмаилов и др.) были проведены полевые экспериментальные исследования миграции и трансформации нефти в различных природно-климатических зонах. Однако более долгосрочные наблюдения проводились в регионах вне зоны многолетнемерзлых пород (Татарстан, Аджария, Пермь и др.). Поэтому имеющиеся данные по изменению содержания нефти на экспериментальных площадках в районах криолитозоны носят единичный и краткосрочный характер.

Процесс загрязнения грунта, так или иначе, меняет его исходный компонентный состав. От того, как нефть и нефтепродукты располагаются в поровом пространстве, зависит их влияние на свойства и строение грунтов. Жидкие загрязнители в дисперсных грунтах могут располагаться в виде манжет на стыках частиц, в виде поверхностных пленок, в виде капель или эмульсии несменгавающихся жидкостей или полностью насыщать поры. Нефтяное загрязнение влияет и на микроагрегатный состав грунтов: тяжелые фракции нефти (смолы и асфальтены) обладают выраженным агрегирующим эффектом.

Изучением комплекса геокриологических и геоэкологических проблем, связанных, в том числе, с поведением органических загрязнителей в мерзлых и

промерзающих породах и его влияния на состав и свойства грунтов посвящены работы таких отечественных и зарубежных авторов, как Г.В. Ананьева, С.Е. Гречищев, О.В. Гречищева, Э.Д. Ершов, И.И. Журавлев, Ю.Д. Зыков, А. Инстанес, Е.Козлова, Е.С. Микляева, Р.Г. Мотенко, Н.С. Налетова, A.B. Павлов, В.Г. Чеверев,

E.М. Чувилин, Ю.Б. Шешин, О.П. Шешина, K.W. Biggar, D. Chenaf, Ch.M. Collins, I.P. Coutard, W. Marchand, J.C.R. Neufeld, A. Sextone, T.L. White, P.J. Williams и др.

Однако, большинство исследований свойств мерзлых грунтов, в том числе и теплофизических свойств, проводилось на грунтах нарушенного сложения.

К настоящему времени накоплено много данных по изучению альбедо зачерненных поверхностей (Э.Д. Ершов, Н.Г. Москаленко, A.B. Павлов, A.A. Федоров, Ю.Л. Шур, К. Yoshikawa, W.R. Bolton, V.E. Romanovsky, M. Fukuda, L.D. Hinzman); работ по исследованию влияния углеводородного загрязнения на альбедо поверхности мерзлых пород на момент начала исследований не выявлено.

Результаты исследований изменения глубины сезонного оттаивания и промерзания грунтов под влиянием нефтяного загрязнения наиболее широко отражены в работах американских исследователей, таких, как J. Brown, Ch.M. Collins,

F.J. Deneke, M. Dickman, K.R. Everett, W. Freedman, T.C. Hutchinson, D.E. Lawson, D. Mackay, J.D. Mckendrick, D.A. Walker и др. Полевые эксперименты проводились на севере Канады и Аляске. Хотя многие из этих экспериментов проводились для оценки воздействия сырой нефти на биологические компоненты, попутно были проведены также измерения температуры и глубины оттаивания грунтов для оценки потенциального воздействия проникновения нефти в вечномерзлые породы. Полученные данные указывают на довольно сложное влияние нефти на слой сезонного протаивания.

Глава 2. Характеристика объектов и методика моделирования изменения глубин сезонного оттаивания и сезонного промерзания под влиянием нефтяного загрязнения

В качестве объектов исследования были выбраны районы с разными типами сезонного оттаивания и промерзания в 2-х нефтегазоносных провинциях: Западной Сибири и Европейском севере. Для Европейского севера были выбраны районы п. Хоседа-Хард и с. Усть-Уса. В Западной Сибири были выбраны районы г. Уренгой и г. Тарко-Сале. В качестве объектов исследования промерзающих грунтов были выбраны район г. Ханты-Мансийск и район г. Ухта. Сходность природных условий определила общность условий формирования ММП обоих выбранных регионов. Однако различия в величинах теплопотоков, большая мягкость современного климата Европейского Севера России определяют различия в распространении климатических и геокриологических зон. Выбранные районы характеризуются различными типами

распространения многолетнемерзлых пород: от прерывистого для районов Западной Сибири до массивно-островного и редкоостровного - для районов Европейского Севера. Также выбранным районам Западной Сибири характерны более устойчивые типы сезонного оттаивания1, длительно-устойчивый и полупереходный, для районов Европейского Севера - полупереходный и переходный. Выбор площадок исследования был обусловлен тем, что выбранные районы находятся в крупных нефтегазоносных провинциях и через них проходят магистральные нефтепроводы.

Для сравнения результатов проводимых расчетов с результатами полевых наблюдений изменения глубины сезонного оттаивания под влиянием нефтяного загрязнения была проведена серия аналогичных расчетов и для района г. Фэйрбэнкс на Аляске, где многолетнемерзлые породы относятся в основном, к прерывистому типу распространения ММП.

При нефтяном загрязнении теплофизические свойства пород слоя сезонного оттаивания или промерзания постоянно изменяются во времени, что определяет нестационарность теплофизического процесса. В связи с этим расчет глубин сезонного оттаивания и промерзания грунтов по приближенным формулам становится не корректным. Для этой цели необходимо использовать численные методы расчета, которые позволяют оценить динамику процесса оттаивания и промерзания с изменяющимися во времени и пространстве теплофизическими свойствами грунтов, а также учетом изменения альбедо поверхности при нефтяном загрязнении через изменение температуры поверхности грунтов. Данные расчеты реализованы с помощью программы «Тепло».

При постановке задачи по моделированию изменения глубин сезонного оттаивания и сезонного промерзания под влиянием нефтяного загрязнения и его трансформации выбраны следующие факторы оценки: 1) изменение альбедо поверхности грунтов; 2) изменение глубины проникновения нефти и степени загрязнения грунтов во времени; 3) изменение теплофизических свойств грунтов как при загрязнении нефтью, так и при ее трансформации; 4) удаление растительного покрова.

Глава 3. Характеристика объектов экспериментального исследования и использованные лабораторные методики

Объектом выполненных исследований являлись дисперсные грунты разного гранулометрического состава, отобранные из слоя сезонного промерзания в районе одного из нефтяных месторождений республики Татарстан в местах порывов нефтепроводов и складирования нефтезагрязненного грунта с различной периодичностью после разлива, и аналогичные им искусственно приготовленные из грунтовой массы с того же месторождения и загрязненные той же нефтью. Последние

имитировали «свежий разлив». Подготовка грунтов нарушенного сложения велась по отработанной на кафедре геокриологии методике, позволяющей получить влажные нефтезагрязненные образцы с однородным распределением влажности, плотности и нефтесодержания. Грунты естественного и нарушенного сложения исследовались в диапазоне влажности 21-24% и плотности скелета грунта 1,5-1,6 г/см3. Содержание загрязнителя (z, %) рассчитывалось как отношение массы нефти или нефтепродукта к массе сухого грунта. Диапазон за1рязнения - 0-16%.

Определение гранулометрического и микроагрегатного состава грунтов выполнялось на кафедре инженерной геологии пипеточным методом. Подготовка грунтов к гранулометрическому анализу проводилась по методике П.Ф. Мельникова (путем растирания с пирофосфагом натрия), подготовка грунтов к микроагрегатному анализу проводилась согласно ГОСТ 12536-79. Скорость оседания частиц рассчитывалась по формуле Стокса. По классификации Н. А. Качинского исследуемые грунты относятся к супеси, среднему суглинку и легкой глине.

Для проведения исследований использовалась нефть Ромашкинского месторождения. Важным моментом данного исследования является длительный период наблюдения за процессами естественной трансформации нефти. Изменение концентрации нефти и состава продуктов ее трансформации в супеси было рассмотрено для периода инкубации 3 и 5 лет, для суглинка - 3, 5 и более 15 лет.

Количество нефти, содержащееся в образцах грунта естественного сложения и загрязнения, было определено методом холодной экстракции. Качественные изменения продуктов нефтяного загрязнения фиксировались по данным группового состава, определенного методом элюентной хроматографии.

Исследование теплофизических свойств нефтезагрязненных дисперсных пород в талом и мерзлом состоянии проводилось методом регулярного режима I рода (а-калориметра); исследование теплоемкости нефти и дисперсных пород проводилось методом монотонного разогрева на измерителе ИТ-С-400; фазовый состав влаги мерзлых дисперсных пород, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, исследовался контактным и криоскопическим методами.

Измерение удельных электрических сопротивлений (УЭС) осуществлялось на низкочастотном переменном токе четырехэлектродной установкой. Измерения скоростей распространения упругих продольных волн выполнялось путем прозвучивания цилиндрических образцов на приборе УКБ-1М с пьезопреобразователями 60 и 150 кГц.

Во всех исследованиях эксперименты проводились на двух образцах-«близнецах» с двух - трехкратной повторностью. Осреднение для одной точки - 4-6-кратное. Влажность и плотность образцов определялись весовым способом после окончания эксперимента.

Глава 4. Результаты экспериментальных исследований нефти и состава нефтезагрязненных грунтов

Геохимические исследования выявили, что количественные и качественные изменения состава нефти зависят от времени трансформации, способа загрязнения и вида грунта. На стадии первичных изменений состава нефти спустя 1 месяц после загрязнения грунта в лабораторных условиях существенных изменений группового состава по сравнению с исходной нефтью выявлено не было. При однократном разливе через 3 года трансформации нефти в супеси зафиксировано наибольшее увеличение смолистой фракции. В глине зафиксировано наибольшее среди всех грунтов увеличение асфальтенов при практически неизменившемся содержании смол (рис. 1А).

При однократном разливе через 5 лет трансформации, как в суглинке, так и в супеси увеличение содержания смол прекращается, и рост содержания смолисто-асфальтеновых фракций продолжается только за счет увеличения содержания асфальтенов. В загрязненном суглинке через 5 лет зафиксировано большее число асфальтенов, чем в супеси (рис. 1 Б).

1 а 68 б Ив

В а

Об ■ в |

Рис. 1. Гистограмма распределения нефти (1) и нефтепродуктов после 3-летней трансформации (А) и 5-летней трансформации (Б) по групповому составу в супеси (2), в суглинке (3) и в глине (4)-. а - масла, б ~ смолы, в - асфальтены

Групповой состав нефти в суглинке, отобранном со дна нефтяного амбара, после 15-ти лет трансформации претерпел наибольшие изменения: содержание масел в нем, по сравнению с исходной нефтью, уменьшилось в 2,8 раза, а содержание смол и асфальтенов увеличилось, соответственно, в 1,4 раза и в 10 раз (рис. 2).

Рис. 2. Гистограмма распределения нефти и нефтепродуктов,

экстрагированных из суглинка, по групповому составу: 1 - при начальном загрязнении, 2 - через 3 года трансформации, 3 - через 5 лет трансформации при 2=0,25%, 4- через 5 лет после трансформации при г=0,6%, 5 -через 15 лет трансформации в нефтяном амбаре, а - масла, б - смолы, в -асфальтены

На

га. б

Плотность нефти, претерпевшей длительное преобразование, увеличивается до 0,99 г/смЗ.

Исследования гранулометрического и микроагрегатного состава показали, что гранулометрический состав исследуемых грунтов практически не изменяется при нефтяном загрязнении, а основные изменения происходят в микроагрегатном составе и зависят от длительности трансформации, способа загрязнения и вида грунта.

При первичном изменении состава нефти влияние загрязнения выражается в том, что в супеси становится меньше агрегатов размера среднего песка и больше агрегатов размера тонкого песка, супесь становится более мелкодисперсной, в глине же преобладают процессы агрегации, и она становится более крупнодисперсной по сравнению с незагрязненным грунтом. Наибольшие изменения в микроагрегатном составе, суглинка и глины при отсутствии трансформации нефти наблюдаются до 2=2,5%, причем при г=2,5% образуются более крупные микроагрегаты, чем при 2=1,5%.

При более длительной трансформации нефти во времени в загрязненной супеси через 5 лет происходят наименее значительные изменения, образуются агрегаты размера тонкого песка за счет агрегации крупных пылеватых частиц. В суглинке с ростом продолжительности трансформации нефти происходит укрупнение размеров микроагрегатов, из крупных пылеватых частиц образуются агрегаты размера средних и особенно тонких песчаных частиц; максимальное увеличение содержания тонких песчаных частиц зафиксировано в суглинке, отобранном через 15 лет после загрязнения со дна нефтяного амбара. В загрязненной глине через 3 года после разлива нефти при г = 1,5 % происходит увеличение содержания крупной пылеватой фракции; увеличение крупных пылеватых частиц большее, чем при свежем разливе нефти в 1,5 и 2,5 %.

Увеличение содержания асфальтенов, обладающих агрегирующим эффектом, вызывает увеличение микроагрегатов размера тонких песчаных частиц (для супесей и суглинков) и крупных пылеватых частиц (для глины); относительные изменения во времени содержания асфальтенов и микроагрегатного состава в соответствующих грунтах имеют близкий характер, их увеличение происходит в одном и том же ряду: супесь, суглинок, глина (рис.З),

5 1

1 2 3 4 5 -4-2 -ОЗ -В-4 -О 5 -*-6 х, годы

Рис. 3. Относительное изменение (У) содержания микроагрегатов (для супесей - тонкие песчаные частицы, для суглинков - тонкие песчаные и крупные пылеватые частицы, для глины - крупные и мелкие пылеватые частицы) (1, 3, 5) и асфальтенов (2, 4, 6) во времени (г) в суглинке (1,2), супеси (3,4) и глине (5,6)

Глава 5. Результаты экспериментальных исследований теплофизических свойств нефтезагрязненных грунтов

При начальном загрязнении нефтью («свежем разливе») с увеличением процентного содержания нефти значения коэффициентов теплопроводности и температуропроводности для грунтов в исследуемом диапазоне влажности и плотности уменьшаются (рис. 4). Для каждого вида грунта наиболее интенсивное изменение коэффициентов тепло- и температуропроводности выявлено при увеличении г от 1,5 до 2,5%; при 2=1,5% снижение теплопроводности получилось меньше ожидаемого, что, по-видимому, связано с характером расположения нефти в грунте; при 2=10% значения коэффициентов теплопроводности грунтов разного гранулометрического состава сближаются между собой ввиду преобладания влияния нефти при таком значительном загрязнении над влиянием различий в гранулометрическом и микроагрегатном составе. Наибольшие изменения коэффициента теплопроводности отмечены в суглинке и супеси, наименьшие - в глине, где наиболее выражены процессы агрегации, способствующие улучшению теплопроводных свойств.

1,4Г

И * 1 . .21,' н Я

0,8

ь 1 ^

Ск

02468 10 0246 г, %

0,6,---- 0,6ц

1,4

* « ^

21,С

_ ¡-

0,!

\\ \\ и --

—0

ь —и

02468 10 02468 10 02468 10 т., % г, % г, %

1 -В- 2-»- 3-©- 4-«- 5-Д- 6-А-

Рис. 4. Зависимости А, В, Д - коэффициентов теплопроводности (Л) и Б, Г, Е -коэффициентов температуропроводности (о) супеси (А, Б), суглинка (В, Г) и глины (Д, Е) в талом (1, 3, 5) и мерзлом (2, 4, 6) состоянии от степени загрязнения нефтью (г) с разной длительностью трансформации нефти: 1, 2 - искусственно загрязненные грунты; 3, 4 -монолиты через 3 года после загрязнения; 5, 6 - монолиты через 5 лет после загрязнения

В местах однократных проливов за 3 года трансформации нефти наибольшие относительные изменения Л во времени выявлены в глине, а наименьшие - в супеси. Относительное увеличение содержания асфальтенов во времени происходит в том же ряду, что и уменьшение коэффициента теплопроводности, и увеличение содержания микроагрегатов (для супесей - тонкие песчаные частицы, для суглинков - тонкие песчаные и крупные пылеватые частицы, для глины - крупные и мелкие пылеватые частицы).

С увеличением длительности трансформации нефти значения как Я, так и а уменьшаются. Значения коэффициентов тепло- и температуропроводности через 5 лет после загрязнения даже при небольшой степени загрязнения нефтью (от 0,3 до 1,5%) близки к значениям Ли а при заданном загрязнении г=\ 0% (рис. 4-5).

Наибольшие изменения теплопроводности выявлены в грунте, слагавшем дно нефтяного амбара; при г=16% его теплопроводность снизилась более чем в 3 раза (рис. 5). При большой длительности инкубации и степени загрязнения нефтью, теплопроводность грунта приближается к теплопроводности нефти.

Рис. 5. Зависимости коэффициентов А теплопроводности (А) и Б -температуропроводности (а) талого (1, 3) и мерзлого (2, 4) суглинка от степени загрязнения нефтью (г):1, 2 -без трансформации; 3, 4 -монолиты после 15 лет трансформации нефти в нефтяном амбаре

Значения коэффициента теплопроводности суглинка получились выше, чем для супеси, что связано с большими коэффициентами пористости последней.

При трансформации нефти изменяется состав, плотность и свойства нефтепродукта в грунте, вызывая изменения микроагрегатного состава грунта, образование вокруг микроагрегатов пленки, состоящей в основном из полярных смол и асфальтенов, что вызывает дополнительное термическое сопротивление, и образование микроагрегатов работает как фактор, понижающий теплопроводность грунтовой системы.

Температурные зависимости теплопроводности нефтезагрязненных грунтов аналогичны таковым для незагрязненных. В местах однократных порывов нефтепроводов соотношения Лл/Л,„ и ajam суглинков и супесей уменьшаются с ростом степени загрязнения и времени трансформации ввиду меньших изменений

коэффициентов теплопроводности в талом состоянии. В суглинках, отобранных со дна нефтяного амбара, уменьшение отношения начиная с г=1%, не происходит.

После 5-летнего преобразования нефти в грунте содержание незамерзшей воды в нем будет меньше по сравнению с незагрязненным нефтью грунтом.

В суглинках это различие более выраженное, нежели в супесях. Это снижение содержания незамерзшей воды в грунтах, содержащих преобразованную нефть можно объяснить тем фактом, что при трансформации в составе нефти образуются тяжелые высокомолекулярные полярные компоненты (смолы, асфатьтены), которые способны взаимодействовать с минеральной поверхностью грунтов, энергетические центры молекул грунта будут частично заняты этими полярными компонентами. Однако, это может служить предметом дополнительных исследований изменения фазового состава влаги нефтезагрязненных грунтов во время трансформации нефти.

На формирование теплопереноса в нефтезагрязненном грунте оказывают влияние конкурирующие по своему воздействию факторы; среди прочих основными по своему воздействию при трансформации нефти являются такие факторы, как изменение состава, плотности и свойств нефтепродукта во времени и изменение микроагрегатного состава нефтезагрязненных грунтов.

Глава 6. Результаты экспериментальных исследований акустических и электрических свойств грунтов

Из всего комплекса геофизических методов основными при исследовании мерзлых и промерзающих пород являются электрические и сейсмоакустические. Поэтому с практической точки зрения возможность прогнозирования поведения одних физических свойств загрязненных грунтов по другим свойствам является весьма перспективной.

При начальном загрязнении нефтью: с увеличением процентного содержания нефти значения скоростей продольных волн для грунтов в исследуемом диапазоне влажности и плотности уменьшаются. Влияние нефтяного загрязнения на скорости прохождения продольных волн наиболее выражено в мерзлых грунтах, так как Ур нефти меньше скорости продольных волн во льду. В талом состоянии различие между скоростями в чистых и загрязненных образцах не столь существенное ввиду близких значений Ур в воде и нефта.

УЭС и скорость продольных волн в местах однократных проливов в талых и мерзлых грунтах уменьшаются при увеличении степени загрязнения нефтью и длительности трансформации нефтяного загрязнения. За 3 года трансформации нефти наибольшие относительные изменения скорости продольных волн выявлены в супеси. Через 5 лет трансформации выявлены приблизительно одинаковые изменения в скоростях продольных волн и УЭС как в супеси, так и в суглинке. Значения Ур через

5 лет после загрязнения даже при небольшой степени загрязнения нефтью (0,3 %) ниже, чем при начальном загрязнении (рис. 6).

А Б

В Г

1,°С 1,°С

Д Е

Рис. 6. Зависимость коэффициента теплопроводности (Я) (А, Б), УЭС (р) (В, Г) и скорости продольных волн (Рр) (Д, Е) от температуры (Т) в супеси (А, В, Д) и суглинке (Б, Г, Е) различной степени и давности загрязнения: 1 - г = 0%; 2-2 = 2.5% (без трансформации); 3 - г =1,5% - в супеси и 1% в суглинке (через 3 года); 4 - г = 0,38% в супеси и 0,25 % в суглинке (через 5 лет)

В грунте, слагавшем дно нефтяного амбара, отмечены наименьшие значения УЭС. Для скорости прохождения продольных волн в этих же грунтах зафиксированы не столь значительные изменения, по сравнению с незагрязненными грунтами.

Для исследуемых грунтов получено уменьшение отношения УУУт с увеличением степени нефтяного загрязнения. С увеличением длительности преобразования нефти исследуемое отношение снижается сильнее; нефть оказывает большее влияние на скоростные характеристики грунта в мерзлом состоянии, чем в талом. Отношение р„/р„ изменяется незначительно, нефтяное загрязнение оказывает почти одинаковое влияние на УЭС мерзлых и талых грунтов.

Для выявления роли трансформации нефтяного загрязнения были рассчитаны относительные изменения исследуемых характеристик нефтезагрязненных грунтов по отношению к таковым для незагрязненных. Совместное рассмотрение изменений исследуемых физических свойств и состава нефти выявило, что они взаимосвязаны между собой и с длительностью трансформации нефти (рис. 7). Причины изменений исследуемых свойств различны.

годы т, годы годы__ГОДЫ

[♦1 -к-2-+-Ц |-0-4 тУ5 -О-И]

Рис. 7. Относительное изменение во времени (т) исследуемых физических характеристик (в) (А, Б) и состава нефти (Ы) (В, Г) в супеси (А, В) и суглинке (Б, Г): 1 -коэффициент теплопроводности, 2 - скорость продольных волн, 3 - удельное электрическое сопротивление, 4 - содержание масел, 5 - содержание смол, 6 - содержание асфальтенов

Уменьшение коэффициента теплопроводности связано с добавлением низкотеплопроводного компонента (по отношению к другим компонентам грунта: воде, минеральному скелету, льду), теплопроводность которого снижается с увеличением длительности трансформации, с изменением толщины, расположения и состава нефтяной пленки в нефтезагрязненном грунте в результате трансформации и с некоторым разуплотнением грунта. Снижение электрического сопротивления дисперсных грунтов, как в талом, так и в мерзлом состоянии, в исследуемом диапазоне загрязнения нефтью и длительности ее трансформации связано с появлением в поровом растворе грунта органических и неорганических кислот, обладающих высокой электропроводностью. Для выявления причин снижения скоростей продольных волн в мерзлых нефтезагрязненных грунтах необходимо

исследовать акустические свойства продуктов трансформации нефти при отрицательных температурах.

Через 5 лет трансформации нефти для суглинков и супесей выявлено увеличение содержания асфальтенов в 7 и 2,5 раза, соответственно, и зафиксировано уменьшение значений Л, V и р на 30-50%. Наибольшие относительные изменения среди всех исследованных характеристик получены для скорости продольных волн.

Глава 7. Результаты прогнозной оценки изменения глубины сезонного оттаивания и промерзания под влиянием нефтяного загрязнения

С помощью программы «Тепло» была проведена серия прогнозных расчетов и сделана оценка влияния изменения альбедо и теплофизических свойств грунтов под >'• воздействием загрязнения нефтью на мощность слоя сезонного протаивания (промерзания) в различных геокриологических условиях Европейского Севера и Западной Сибири.

Исследование изменения альбедо поверхности выявило, что в мерзлых грунтах уменьшение альбедо поверхности способствует увеличению глубины сезонного оттаивания в исследованных районах от 30% (в районах с длительно-устойчивыми типами сезонного оттаивания) до почти двукратного увеличения (в районах с переходными типами сезонного оттаивания пород) (рис. 8 А, Б), причем везде, за исключением г. Уренгоя, одновременно начинается процесс их многолетнего оттаивания. В промерзающих грунтах при изменении альбедо поверхности происходит уменьшение глубины сезонного промерзания, составляющее для исследованных районов 11-14%.

Влияние изменения теплофизических характеристик в мерзлых породах сказывается в меньшей степени, чем альбедо поверхности, и направлено в сторону уменьшения глубины сезонного протаивания (рис. 8 В, Г). Наибольшие изменения были получены для грунтов с. Усть-Уса. В промерзающих породах влияние изменения теплофизических свойств будет наибольшим (из-за более интенсивных процессов трансформации нефти в них). На качественном уровне такое влияние изменения теплофизических характеристик для этих районов будет сопоставимо с влиянием альбедо.

Совместное рассмотрение влияния альбедо и теплофизических характеристик показало, что для грунтов слоя сезонного оттаивания превалирует влияние альбедо -увеличение глубины сезонного оттаивания будет на 9-13% меньше, чем в варианте без учета теплофизических свойств. Для промерзающих грунтов оба действующих фактора направлены в сторону уменьшения глубины сезонного промерзания, поэтому эффект от их действия суммируется и промерзание становится меньшим, чем во 2-м и 3-м вариантах. Уменьшение составит 16-26 см.

о т-

район п. район с. Усть- район г. Ухта Хоседа-Хард Уса

район г. Уренгой район г. Тарко- район г. Ханты-Сале Мансийск

район п, район с. Усть- район г. Ухта Хоседа-Хард Уса

район г. Уренгой район г. Тарко- район г. Ханты__Сале Мансийск

11 S1'

12 Ш2'

Рис. 8. Изменение глубины сезонного оттаивания и промерзания за счет изменения альбедо поверхности (А, Б) и теплофизических свойств (В, Г) суглинков (1, 1 *) и песков (2,2 О для районов Европейского Севера (А, В) и Западной Сибири (Б, Г) через 5 лет после загрязнения; 1,2 - в естественных условиях, 1', 2' - при нефтяном загрязнении

Совместное рассмотрение влияния удаления растительного покрова и изменения альбедо и теплофизических свойств для данной расчетной модели выявило, что для мерзлых пород исчезновение растительности вызвало наибольшее увеличение глубины оттаивания. Для всех типов грунтов во всех районах распространения мерзлых пород сразу же после загрязнения и исчезновения растительного покрова развивается процесс многолетнего оттаивания пород, увеличение глубины многолетнего оттаивания через 5 лет составило более 2 м. Изменение теплофизических характеристик при изменении альбедо поверхности и удаленном покрове повлияет незначительно на оттаивание мерзлых грунтов. В промерзающих грунтах исчезновение растительного покрова также будет работать в сторону уменьшения глубины сезонного промерзания, как и уменьшение альбедо поверхности и изменение теплофизических свойств, поэтому в данном варианте будет ее наибольшее уменьшение.

Загрязнение оказывает наибольшее влияние на глубину сезонного протаивания (промерзания) переходного типа, наименьшее на - длительно-устойчивый тип глубин СТС (CMC). В связи с этим нефтяное загрязнение оказало чуть большее влияние на грунты Европейского Севера по сравнению с Западной Сибирью. В песках влияние нефтяного загрязнение получилось большим, чем в суглинках.

Сравнение результатов моделирования с литературными данными по полевым исследованиям нефтяного загрязнения криолитозоны Аляски показали их хорошую сходимость (рис. 9).

О п -50

-100 -150 -200

1976 1980 1984 1988 % годы 1992

Г-О-1 -О-2 -Л-3 —И-4 -»-5 -а-б —А—7 -А-8 1

Рис. 9. Изменение глубины сезонного оттаивания (£т) грунтов Аляски под действием нефтяного загрязнения во времени (т): 1- 3 - результаты полевых исследований (Collins et al., 1993), 4-8 - расчеты по программе «Тепло»; 1 - контрольная площадка, 2 - летний разлив, 3 -зимний разлив, 4 - расчет с изменением альбедо, 5 - при изменении теплофизических свойств, б - при изменении альбедо и теплофизических свойств, 7 - с учетом альбедо и удаления растительного покрова, 8 - с учетом альбедо, теплофизических свойств и удаления растительного покрова

Глубина сезонного оттаивания, полученная в полевых условиях при летнем

разливе нефти, оказалась равной глубине оттаивания, смоделированной с учетом

изменения альбедо поверхности и теплофизических свойств

Выводы

Проведенные комплексные исследования позволили выявить роль трансформации нефтяного загрязнения в изменении свойств грунтов слоев сезонного оттаивания и промерзания, а также оценить изменение глубины сезонного оттаивания и сезонного промерзания в различных геокриологических условиях. На основании результатов исследований можно сделать следующие выводы:

2. Время трансформации и условия загрязнения определяют количественные и качественные изменения нефти. При единичных разливах с увеличением

длительности трансформации нефти в диапазоне от 3 до 5 лет степень нефтяного загрязнения в исследуемых грунтах уменьшается в 2-4 раза. Качественные изменения состава нефти для всех исследованных грунтов заключаются в уменьшении содержания масел и увеличении содержания асфальтенов в групповом составе нефти; рост содержания смол через 5 лет трансформации во всех исследованных грунтах замедляется или прекращается. В суглинке, залегающем на дне нефтяного амбара, через 15 лет трансформации зафиксированы наибольшие изменения состава нефти (10-кратное увеличение асфальтенов).

3. Гранулометрический состав исследуемых грунтов практически не изменяется при нефтяном загрязнении. Основные изменения происходят в микроа1регатном составе. При начальном загрязнении нефтью с увеличением степени нефтяного загрязнения от 0 до 10% в исследуемых грунтах, в основном, преобладают процессы агрегации; при степени нефтяного загрязнения 2,5% выявлены наибольшие изменения микроагрегатного состава. Для грунтов через 3-5 лет трансформации в них нефти выявлена взаимосвязь увеличения содержания асфальтенов, обладающих агрегирующим эффектом, с увеличением микроагрегатов размера тонких песчаных частиц (для супесей и суглинков) и крупных пылеватых частиц (для глины); увеличение происходит в одном и том же ряду: супесь, суглинок, глина.

4. С увеличением степени нефтяного загрязнения и длительности его трансформации значения коэффициентов теплопроводности и температуропроводности для грунтов в исследуемом диапазоне влажности и плотности уменьшаются. При начальном загрязнении («свежем разливе») наименьшее снижение значения коэффициента теплопроводности зафиксировано в глине, где наиболее выражены процессы агрегации; при 2=10% значения коэффициентов теплопроводности грунтов разного гранулометрического состава сближаются между собой ввиду преобладания влияния нефти над влиянием различий в составе грунтов. Через 5 лет при остаточком загрязнении нефтью (0,3 - 0,6 %) значения коэффициентов тепло- и температуропроводности близки к значениям Ли а при загрязнении 2=10% без трансформации; нефтяное загрязнение и его трансформация оказывают большее влияние на теплопроводные свойства грунтов в мерзлом состоянии, чем в талом. Наибольшее снижение теплопроводности (до трехкратного) выявлено через 15 лет в грунте, слагавшем дно нефтяного амбара; при больших загрязнениях снижение теплопроводных свойств происходит приблизительно с одинаковой интенсивностью, как в талом, так и в мерзлом состоянии. При большой длительности инкубации и степени загрязнения нефтью теплопроводность грунта приближается к теплопроводности нефти.

5. Значения скоростей продольных волн в исследуемых грунтах с увеличением степени нефтяного загрязнения и длительности трансформации нефти уменьшаются.

Через 5 лет при остаточном загрязнения нефтью (0,3 - 0,6 %) значения скоростей продольных волн ниже, чем при загрязнении 2=2,5% без трансформации; нефтяное загрязнение и его трансформация оказывают большее влияние на скорость продольных волн грунтов в мерзлом состоянии, чем в талом. Удельное электрическое сопротивление как талых, так и мерзлых грунтов в местах единичных разливов при увеличении длительности трансформации уменьшаются; характер выявленных изменений электросопротивления как в супеси, так и в суглинке одинаков; в грунте, слагавшем дно нефтяного амбара, наименьшее значение электросопротивления.

6. Совместное рассмотрение исследуемых физических свойств с составом нефти выявило подобный характер их изменения; причины изменений исследуемых свойств различны. Уменьшение коэффициента теплопроводности связано с добавлением низкотеплопроводного компонента - нефти (по отношению к другим компонентам грунта: воде, минеральному скелету, льду), теплопроводность которого снижается с увеличением длительности трансформации, с изменением толщины, состава и свойств нефтяной пленки в нефтезагрязненном грунте в результате трансформации и с некоторым разуплотнением грунта. Снижение электрического сопротивления дисперсных грунтов, как в талом, так и в мерзлом состоянии, в исследуемом диапазоне загрязнения нефтью и длительности ее трансформации связано с появлением в поровом растворе грунта продуктов преобразования нефти бактериями, обладающих высокой электропроводностью. Для выявления причин снижения скоростей продольных волн в мерзлых нефтезагрязненных грунтах необходимо исследовать акустические свойства продуктов трансформации нефти при отрицательных температурах.

7. Нефтяное загрязнение оказывает наибольшее влияние на глубину сезонного протаивания (промерзания) переходного типа, наименьшее на - длительно-устойчивый тип глубин сезонного оттаивания и сезонного промерзания. Уменьшение альбедо при нефтяном загрязнении приводит к увеличению глубины сезонного оттаивания и уменьшению глубины сезонного промерзания дисперсных грунтов, оказывая большее влияние на мерзлые грунты. Уменьшение коэффициента теплопроводности при нефтяном загрязнении приводит к уменьшению мощности слоев сезонного оттаивания и сезонного промерзания, оказывая наибольшее влияние на промерзающие породы из-за более интенсивных процессов трансформации нефти в них. В песках влияние нефтяного загрязнения больше, чем в суглинках, ввиду меньшего изменения теплопроводных свойств при загрязнении нефтью.

угнетении и исчезновении растительного покрова для всех типов грунтов во всех районах распространения мерзлых пород зафиксировано начало развития процесса многолетнего оттаивания пород и увеличение его глубины через 5 лет более чем на 2 м. Сравнение результатов моделирования с литературными данными по полевым исследованиям нефтяного загрязнения криолитозоны показали их хорошую сходимость.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Кирюхина Т.А., Мотенко Р.Г., Натитник И.М., Нефедьева Ю.А. Изучение свойств загрязненных нефтью грунтов Ромашкинского нефтяного месторождения. Материалы шестой международной конференции «Новые идеи в геологии и геохимии нефти и газа». М.: МГУ, 2002, с. 227-230.

2. Зыков Ю.Д., Мотенко Р.Г., Журавлев И.И., Анисимова И.В., Нефедьева Ю.А. Изменение свойств мерзлых грунтов при загрязнении их нефтью. Материалы Международной научно-практической конференции «Техногенная трансформация геологической среды криолитозоны». Екатеринбург, Изд.-во УПТА, 2002, с. 177-180.

3. Зыков Ю.Д., Мотенко Р.Г, Нефедьева Ю.А., Журавлев И.И., Анисимова И.В. Углеводородное загрязнение как фактор изменения физических свойств грунтов в криолитозоне. Материалы международной конференции «Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения». Пущино, 2003, с. 213-214.

4. Мотенко Р.Г., Нефедьева Ю.А. Влияние сложения на теплофизические свойства мерзлых и промерзающих нефтезагрязненных пород. Актуальные проблемы механики, прочности и теплопроводности при низких температурах. Моделирование замораживания грунтов искусственным холодом: Материалы конференции под ред. д.т.н., профессора В.В. УлиТина. Спб.: СпбГУНиПТ, 2003, с. 52-56.

5. Мотенко Р.Г., Кирюхина Т.А., Натитник И.М., Нефедьева Ю.А. Влияние продуктов нефтезагрязнения на теплопроводность мерзлых и промерзающих пород. Материалы седьмой международной конференции «Актуальные проблемы геологии и геохимии нефти и газа». Москва, изд-во ГЕОС, 2004, с.348-351.

6. Rimma G. Motenko, Yulia A. Nefedieva. The Influence of Addition on Thermal Properties of Oil Contaminated Frozen Soils of Different Ground-size Composition. Journal of Glaciology and Geocryology. Vol.26.Suppl. Aug.2004. P.56-59. (The Sixth International Symposium on Permafrost Engineering, September 5-7,2004, Lanzhou, China).

7. Мотенко Р.Г., Кирюхина T.A., Нефедьева Ю.А., Гераскина Е.В., Натитник И.М. Комплексное экспериментальное исследование теплофизических свойств и состава продуктов нефтезагрязнения дисперсных горных пород. Сыктывкар, Материалы XV Российского совещания по экспериментальной минералогии. 2005, с.485-490.

8. Мотенко Р.Г., Нефедьева Ю.А., Гераскина Е.В. Преобразование физических свойств нефтезагрязненных мерзлых грунтов. Пущино. Тезисы международной конференции «Приоритетные направления в изучении криосферы Земли». 2005, с. 65-66.

9. Ершов Э.Д., Мотенко Р.Г., Нефедьева Ю.А., Пармузин С.Ю. Влияние нефтяного загрязнения на глубину сезонного протаивания мерзлых грунтов. Тезисы

международной конференции «Приоритетные направления в изучении криосферы Земли». Пущино, 2005, с. 61-62.

10. Ершов Э.Д., Зыков Ю.Д., Чувилин Е.М., Мотенко Р.Г., Роман JI.T., Шевченко Л.В., Журавлев И.И., Анисимова И.В., Козлова Е.В., Нефедьева Ю.А., Волохов С.С., Микляева Е.С. Проникновение нефти в мерзлые грунты и изменение их свойств в результате загрязнения. Материалы Третьей конференции геокриологов России. Т.1. -М.: Изд-во МГУ, 2005, с.45-52.

11. Зыков Ю.Д., Мотенко Р.Г., Анисимова И.В., Нефедьева Ю.А., Кирюхина Т.А.,. Натитник И.М. Преобразование нефти в породах и его влияние на теплофизические и акустические свойства мерзлых грунтов. Материалы Третьей конференции геокриологов России. Т.1. -М.: Изд-во МГУ, 2005, с.52-60.

12. Ershov E.D., Motenko R.G., Nefedieva Yu.A., Parmuzin S.Yu. Influence of Petroleum Pollution on Seasonal Thawing and Freezing Depth of Soils. Asian Conference on Permafrost. Abstracts. Lanzhou, China, August 7-9, 2006, p. 87-88.

13. Ершов Э.Д., Нефедьева Ю.А., Мотенко Р.Г., Пармузин С.Ю. Оценочный прогноз изменения глубины сезонного оттаивания и промерзания под влиянием нефтяного загрязнения. Тезисы международной конференции «Криогенные ресурсы полярных регионов». Салехард, 2007.

14. Ершов Э.Д., Нефедьева Ю.А., Мотенко Р.Г., Пармузин С.Ю. Прогноз изменения глубины сезонного оттаивания и промерзания грунтов под влиянием нефтяного загрязнения. Вестник МГУ. Серия 4. Геология, №6, 2008, с. 47-51.

15. Нефедьева Ю.А., Мотенко Р.Г., Зыков Ю.Д. Роль трансформации нефтяного загрязнения в формировании акустических, электрических и теплопроводных свойств промерзающих грунтов. Криосфера Земли, т. XII, №4,2008, с. 36-42.

Подписано в печать: 10.09.2010

Заказ № 4099 Тиране -120 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.auioreferat.ru

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Нефедьева, Юлия Андреевна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Современное состояние вопроса о проблеме загрязнения нефтью и нефтепродуктами грунтов слоя сезонного оттаивания (промерзания).

1.1. Проблемы загрязнения природных систем в районах нефтяных месторождений.

1.2. Нефть и нефтепродукты как о техногенные загрязнители окружающей среды

1.3. Трансформация нефти в природных условиях.

1.4. Влияние углеводородного загрязнения на альбедо поверхности грунтов.

1.5. Влияние углеводородного загрязнения на свойства и глубину слоев сезонного оттаивания и сезонного промерзания.

ГЛАВА 2. Характеристика объектов и методика моделирования изменения глубин сезонного оттаивания и сезонного промерзания под влиянием нефтяного загрязнения.

2.1. Характеристика объектов моделирования изменения глубин сезонного оттаивания и сезонного промерзания.

2.1.1. Европейский Север России.

2.1.2. Западная Сибирь.

2.1.3. Аляска.

2.2. Методика моделирования изменения глубин сезонного оттаивания и сезонного промерзания под влиянием нефтяного загрязнения.

2.2.1. Факторы, влияющие на глубину сезонного оттаивания (промерзания).

2.2.2. Постановка математической задачи по прогнозу изменения глубин сезонного оттаивания и сезонного промерзания под влиянием нефтяного загрязнения и его трансформации.

ГЛАВА 3. Характеристика объектов экспериментального исследования и использованные лабораторные методики.

3.1. Характеристика исследуемых грунтов и методика приготовления образцов.

3.2. Краткая характеристика исследуемой нефти и методики геохимических исследований.

3.3. Методика определения теплофизических характеристик грунтов.

3.4. Методы определения акустических и электрических свойств нефтезагрязненных грунтов.

3.5. Экспериментальные методы определения фазового состава влаги.

ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований свойств нефти и состава нефтезагрязненных грунтов.

4.1. Результаты геохимических исследований нефти.

4.2. Исследования гранулометрического и микроагрегатного состава не фтез агрязненных грунтов.

ГЛАВА 5. Результаты экспериментальных исследований теплофизических свойств нефтезагрязненных грунтов.

5.1. Теплофизические свойства компонентов грунта и нефти.

5.2. Влияние нефтяного загрязнения и его трансформации на теплофизические свойства грунтов.

5.3. Влияние дисперсности на теплофизические свойства грунтов при трансформации в них нефтяного загрязнения.

5.4. Влияние температуры на теплофизические свойства грунтов при трансформации в них нефтяного загрязнения.

5.5. Влияние трансформации нефтяного загрязнения на изменение фазового состава влаги в дисперсных грунтах.:.

ГЛАВА 6. Результаты экспериментальных исследований акустических и электрических свойств грунтов.

6.1. Акустические и электрические свойства компонентов грунта и нефти.Г.

6.2. Влияние нефтяного загрязнения и его трансформации на акустические и электрические свойства грунтов.

6.3. Влияние дисперсности на акустические и электрические свойства грунтов при трансформации в них нефтяного загрязнения.

6.4. Влияние температуры на акустические и электрические свойства грунтов.

6.5. Сравнение результатов исследования теплофизических свойств с результатами исследований электрических и акустических свойств грунтов.

ГЛАВА 7. Результаты прогнозной оценки изменения глубины сезонного оттаивания и промерзания под влиянием нефтяного загрязнения.

7.1. Влияние изменения альбедо поверхности на глубину сезонного оттаивания и промерзания.

7.2. Влияние изменения теплофизических свойств грунтов на глубину сезонного оттаивания и промерзания.

7.3. Влияние удаления растительного покрова и изменения альбедо поверхности и теплофизических свойств грунтов на глубину сезонного 197 оттаивания и промерзания.

7.4. Сопоставление результатов прогноза с имеющимися данными полевых экспериментов.

ВЫВОДЫ

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Роль трансформации нефтяного загрязнения в изменении свойств грунтов слоев сезонного оттаивания и сезонного промерзания"

Актуальность проблемы. Активное развитие нефтедобывающей промышленности приводит к существенному увеличению территорий, отводимых для освоения нефтяных месторождений. При этом возникает опасность углеводородного загрязнения природных ландшафтов, которая является следствием разливов нефти и нефтепродуктов при их добыче, хранении, транспортировке и переработке. Нефть, попадая в почвы и грунты, привносит с собой разнообразный набор химических соединений, нарушающих сложившийся геохимический баланс в экосистемах. Процессы деградации загрязнителей в грунтах осуществляются на фоне их активного взаимодействия с грунтовой массой. Это приводит к направленному изменению свойств грунтов, которое может быть растянуто во времени не только в результате постепенного проникновения нефти и нефтепродуктов в породы, но и в результате их трансформации.

Большинство исследований свойств нефтезагрязненных мерзлых и промерзающих грунтов, в том числе и теплофизических свойств, на данный момент проводилось на грунтах нарушенного сложения. А в реальных условиях состав и свойства загрязненных грунтов изменяются во времени, в связи с этим особенно важным, является вопрос изучения нефтезагрязненных грунтов при их естественной трансформации в зависимости от времени и условий загрязнения.

Большая часть месторождений нефти и газа России находится в криолитозоне, площадь которой составляет более 65 % площади всей страны. В отличие от районов распространения талых пород, нефтяное загрязнение криолитозоны и последующие изменения свойств грунтов и альбедо поверхности сказывается на температурном режиме и глубине сезонного оттаивания пород. В связи с этим возникает необходимость специального экспериментального изучения влияния трансформации углеводородного загрязнения на свойства грунтов слоев сезонного оттаивания и сезонного промерзания, с последующим использованием полученных результатов для прогноза последствий разливов нефти и нефтепродуктов в конкретных геокриологических условиях.

В связи с поставленной целью основные задачи состояли в следующем:

2. Провести комплексное экспериментальное исследование состава и свойств нефти и нефтезагрязненных грунтов разного гранулометрического состава, включающее в себя:

- а) отбор грунтов разного гранулометрического состава естественного сложения в местах нефтяного загрязнения различной длительности и условий его трансформации;

- б) геохимическое исследование качественного и количественного состава нефти и нефтепродукта, содержащегося в грунтах;

- в) исследование гранулометрического и микроагрегатного состава нефтезагрязненных грунтов;

- г) исследование теплофизических, акустических и электрических свойств нефтезагрязненных грунтов;

- д) получение закономерностей изменения исследованных свойств в зависимости от длительности трансформации, степени и условий загрязнения, температуры грунтов;

- е) сопоставление полученных зависимостей изменения состава и свойств грунтов и нефти от времени трансформации.

Защищаемые положения.

3. Установлено влияние нефтяного загрязнения и его трансформации на мощность слоев сезонного протаивания (промерзания) для различных геокриологических условий, заключающееся в большем влиянии изменения альбедо поверхности на мерзлые грунты, и более выраженном влиянии изменения теплопроводных свойств на промерзающие грунты из-за более интенсивных процессов трансформации нефти в них. Изменения глубин сезонного оттаивания и промерзания в нефтезагрязненных песках происходят наиболее интенсивно, чем в суглинках, ввиду меньшего изменения теплопроводности песков при загрязнении нефтью.

Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Впервые проведено комплексное экспериментальное исследование влияния трансформации нефтяного загрязнения на изменение состава и свойств нефтей и нефтезагрязненных мерзлых и промерзающих грунтов разного гранулометрического состава.

2. Впервые получены закономерности изменения теплофизических, акустических, электрических свойств и состава исследуемых грунтов, а также группового состава нефти в зависимости от длительности трансформации: а) установлено, что через 3 года увеличение содержания асфальтенов в групповом составе нефти и уменьшение коэффициента теплопроводности происходит в ряду: супесь — суглинок - глина; для глины содержание асфальтенов увеличилось в 5 раз и уменьшение коэффициента теплопроводности (Ям) составило около 30%; б) через 5 лет трансформации нефти для суглинков и супесей выявлено увеличение содержания асфальтенов в 7 и 2,5 раза, соответственно, и зафиксировано уменьшение значений коэффициента теплопроводности (Я), скорости продольных волн (F) и удельного электрического сопротивления (р) на 30-50%; в) в суглинке, слагавшем дно нефтяного амбара, в результате 15-летнего преобразования установлено трехкратное уменьшение коэффициента теплопроводности (Ям) при наибольшем увеличении асфальтеновой фракции (в 10 раз).

3. Выполнен прогноз влияния трансформации нефтяного загрязнения на мощность слоев сезонного протаивания (промерзания) для различных геокриологических условий, в результате установлено: а) при совместном влиянии изменения альбедо поверхности и теплофизических свойств под влиянием трансформации нефтяного загрязнения увеличение глубины сезонного оттаивания в исследованных районах составило от 20% (в районах с длительно-устойчивыми типами I сезонного оттаивания) до -70% (в районах с переходными типами сезонного оттаивания пород); уменьшение глубины сезонного промерзания в исследованных районах составило -15-20%; б) при угнетении и исчезновении растительного покрова для всех типов грунтов во всех районах распространения мерзлых пород зафиксировано начало развития процесса многолетнего оттаивания пород и увеличение его глубины через 5 лет более чем на 2 м; в) сравнение результатов моделирования с литературными данными по полевым исследованиям нефтяного загрязнения криолитозоны показали их хорошую сходимость.

Практическая значимость работы. Экспериментальные результаты могут использоваться при прогнозировании свойств и состава нефтезагрязненных грунтов, а также являются входными параметрами для математического моделирования изменения геокриологических условий под влиянием нефтяного загрязнения. Полученные результаты моделирования могут быть использованы для прогноза негативных геологических процессов и явлений в местах, подвергающихся нефтяному загрязнению; при решении ряда инженерных задач: проектировании хранилищ нефти и нефтепродуктов в толщах мерзлых пород и других сооружений, связанных с добычей, транспортировкой, переработкой нефти и др.

Часть экспериментальных результатов и выводов применяется в научно-исследовательской работе сотрудников и студентов кафедры геокриологии геологического факультета МГУ.

Личный вклад автора. В основу диссертации положены результаты I экспериментальных исследований, выполненных автором в лабораториях кафедр геокриологии, инженерной геологии и геохимии и геологии горючих ископаемых геологического факультета МГУ. В процессе работы автором проведено 54 эксперимента по исследованию изменения группового состава нефти в загрязненных дисперсных грунтах, свыше 200 экспериментов по исследованию теплофизических характеристик и температуры оттаивания грунтов, 44 эксперимента по определению электрических и акустических свойств, 38 определений гранулометрического и микроагрегатного состава загрязненных дисперсных пород.

Выполнены многочисленные серии (около 150 вариантов) прогнозов влияния углеводородного загрязнения на динамику слоя сезонного промерзания (оттаивания) для грунтов разного состава в районах с различными геокриологическими условиям Европейского Севера, Западной Сибири и Аляски. Выполнена оценка влияния изменения альбедо поверхности, теплофизических свойств на глубину сезонного оттаивания и промерзания.

Апробация работы. Основные положения диссертации были апробированы в журналах «Вестник МГУ. Серия 4. Геология» и «Криосфера Земли» (2008), а также на шестой международной конференции «Новые идеи в геологии и геохимии нефти и газа» /Москва, 2002/, международной научно-практической конференции «Техногенная трансформация геологической среды криолитозоны» /Екатеринбург, 2002/, на конференции «Актуальные проблемы механики, прочности и теплопроводности при низких температурах. Моделирование замораживания грунтов искусственным холодом» /Санкт-Петербург, 2003/, на международной конференции «Криосфера Земли как среда жизнеобеспечения» /Пущино, 2003/, седьмой международной конференции «Актуальные проблемы геологии и геохимии нефти и газа»/ Москва, 2004/, 7-ом международном симпозиуме по освоению вечной мерзлоты /Ланчжоу, Китай, 2004/, XV-м Российском совещании по экспериментальной минералогии /Сыктывкар, 2005/, международной конференции «Приоритетные направления в изучении криосферы Земли» /Пущино, 2005/, третьей конференции геокриологов России /Москва, 2005/, конференции по проблемам вечной мерзлоты /Ланчжоу, Китай, 2006/, международной конференции «Криогенные ресурсы полярных регионов» /Салехард, 2007/.

Публикации. За время работы по данной теме автором совместно с сотрудниками кафедры и научными руководителями опубликовано 15 научных трудов, 2 из которых опубликованы в научных журналах, рекомендуемых ВАК - «Вестник МГУ. Серия 4. Геология» и «Криосфера Земли».

В основу работы положены результаты экспериментальных исследований и математического моделирования, выполненные на кафедре геокриологии геологического факультета МГУ с 2004 по 2008 г. под научным руководством зав. кафедрой геокриологии, доктора геологоминералогических наук, профессора [Ершова Э.Д. и старшего научного сотрудника, кандидата геолого-минералогических наук, доцента Мотенко Р.Г., которым автор выражает особую признательность.

Автор выражает искреннюю благодарность всем сотрудникам кафедры геокриологии за ценные советы и внимание к работе, особенно к.г.-м.н., доценту Пармузину С.Ю., д.г.-м.н. Зыкову Ю.Д., д.г.-м.н., профессору Роман JI.T. за ценные консультации, помощь в интерпретации полученных данных, содействие при подготовке работы и редакционные советы. Также автор признателен студентам кафедры геокриологии, участвовавшим в проведении экспериментальной программы: Анисимовой И.В., Гераскиной Е.В, Сазанской Е.В.

Отдельную благодарность автор выражает сотрудникам кафедры инженерной и экологической геологии, в частности, к.г.-м.н., доцентам Николаевой С.К. и Григорьевой И.Ю., сотрудникам кафедры геологии и геохимии горючих ископаемых — с.н.с. Кирюхиной Т.А. и инженеру Натитник И.М., а также доценту кафедры геофизических методов исследования земной коры Модину И.Н. за помощь и консультации, оказанные при проведении экспериментов.

Исследования по теме диссертации поддерживались грантами РФФИ (00-05-64454), РФФЩ04-05-64828) и Университеты России (УР.09.03.002).

Заключение Диссертация по теме "Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение", Нефедьева, Юлия Андреевна

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

2. Время трансформации и условия загрязнения определяют количественные и качественные изменения нефти. При единичных разливах с увеличением длительности трансформации нефти в диапазоне от 3 до 5 лет степень нефтяного загрязнения в исследуемых грунтах уменьшается в 2-4 раза. Качественные изменения состава нефти для всех исследованных грунтов заключаются в уменьшении содержания масел и увеличении содержания асфальтенов в групповом составе нефти; рост содержания смол через 5 лет трансформации во всех исследованных грунтах замедляется или прекращается. В суглинке, залегающем на дне нефтяного амбара, через 15 лет трансформации зафиксированы наибольшие изменения состава нефти (10-кратное увеличение асфальтенов).

3. Гранулометрический состав исследуемых грунтов практически не изменяется при нефтяном загрязнении. Основные изменения происходят в микроагрегатном составе. При начальном загрязнении нефтью с увеличением степени нефтяного загрязнения от 0 до 10% в исследуемых грунтах, в основном, преобладают процессы агрегации; при степени нефтяного загрязнения 2,5% выявлены наибольшие изменения микроагрегатного состава. Для грунтов через 3-5 лет трансформации в-них нефти выявлена взаимосвязь увеличения содержания асфальтенов, обладающих агрегирующим эффектом, с увеличением микроагрегатов размера тонких песчаных частиц (для супесей и суглинков) и крупных пылеватых частиц (для глины); увеличение происходит в одном и том же ряду: супесь, суглинок, глина.

4. С увеличением степени нефтяного загрязнения и длительности его трансформации значения коэффициентов теплопроводности и температуропроводности для грунтов в исследуемом диапазоне влажности и плотности уменьшаются. При начальном загрязнении («свежем разливе») наименьшее снижение значения коэффициента теплопроводности зафиксировано в глине, где наиболее выражены процессы агрегации; при z=10% значения коэффициентов теплопроводности грунтов разного гранулометрического состава сближаются между собой ввиду преобладания влияния нефти над влиянием различий в составе грунтов. Через 5 лет при остаточном загрязнении нефтью (0,3 - 0,6 %) значения коэффициентов тепло-и температуропроводности близки к значениям Л и а при загрязнении z=10% без трансформации; нефтяное загрязнение и его трансформация оказывают большее влияние на теплопроводные свойства грунтов в мерзлом состоянии, чем в талом. Наибольшее снижение теплопроводности (до трехкратного) выявлено через 15 лет в грунте, слагавшем дно нефтяного амбара; при больших загрязнениях снижение теплопроводных свойств происходит приблизительно с одинаковой интенсивностью, как в талом, так и в мерзлом состоянии. При большой длительности инкубации и степени загрязнения нефтью теплопроводность грунта приближается к теплопроводности нефти.

5. Значения скоростей продольных волн в исследуемых грунтах с увеличением степени нефтяного загрязнения и длительности трансформации нефти уменьшаются. Через 5 лет при остаточном загрязнения нефтью (0,3 -0,6 %) значения скоростей продольных волн ниже, чем при загрязнении z=2,5% без трансформации; нефтяное загрязнение и его трансформация оказывают большее влияние на скорость продольных волн грунтов в мерзлом состоянии, чем в талом. Удельное электрическое сопротивление как талых, так и мерзлых грунтов в местах единичных разливов при увеличении длительности трансформации уменьшаются; характер выявленных изменений электросопротивления как в супеси, так и в суглинке одинаков; в грунте, слагавшем дно нефтяного амбара, наименьшее значение электросопротивления.

7. Нефтяное загрязнение оказывает наибольшее влияние на глубину сезонного протаивания (промерзания) переходного типа, наименьшее на -длительно-устойчивый тип глубин сезонного оттаивания и сезонного промерзания. Уменьшение альбедо при нефтяном загрязнении приводит к увеличению глубины сезонного оттаивания и уменьшению глубины сезонного промерзания дисперсных грунтов, оказывая большее влияние на мерзлые грунты. Уменьшение коэффициента теплопроводности при нефтяном загрязнении приводит к уменьшению мощности слоев сезонного оттаивания и сезонного промерзания, оказывая наибольшее влияние на промерзающие породы из-за более интенсивных процессов трансформации нефти в них. В песках влияние нефтяного загрязнения больше, чем в суглинках, ввиду меньшего изменения теплопроводных свойств при загрязнении нефтью.

8. Совместное рассмотрение альбедо и теплопроводных свойств при нефтяном загрязнении для мерзлых грунтов выявило увеличение глубины сезонного оттаивания, связанное с преобладающим влиянием альбедо; в промерзающих грунтах оба фактора направлены в сторону уменьшения глубины сезонного промерзания. При угнетении и исчезновении растительного покрова для всех типов грунтов во всех районах распространения мерзлых пород зафиксировано начало развития процесса многолетнего оттаивания пород и увеличение его глубины через 5 лет более чем на 2 м. Сравнение результатов моделирования с литературными данными по полевым исследованиям нефтяного загрязнения криолитозоны показали их хорошую сходимость.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Нефедьева, Юлия Андреевна, Москва

1. Алисов Б.П. Климат СССР. М.: Высшая школа, 1969. 104 с.

2. Ананьева Г.В., Дроздов Д.С., Инстанес А., Чувилин Е.М. Нефтяное загрязнение слоя сезонного оттаивания и верхних горизонтов многолетнемерзлых пород на опытной площадке «мыс Болванский» в устье р. Печора. Криосфера Земли, 2003, № 1, с.49-59.

3. Андреева Е.Н. Нефть и загрязнение среды на Американском Севере. Изв. АН СССР, сер. геогр., 1981, №3, с. 86-97.

4. Анисимова И.В., Зыков Ю.Д., Мотенко Р.Г. Влияние нефтяного загрязнения на акустические и электрические свойства нефтезагрязненных пород. Геофизика, №6. 2003. с. 59-63.

5. Бражников Н.И. Ультразвуковые методы. /Физические и физико-химические методы контроля и состава свойств вещества под общей редакцией академика АН Киргизской ССР Н. Н. Шумиловского. / M.-JL, издательство «Энергия». 1965.-248 с.

6. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М., Недра, 1972.С. 23-30.

7. Векилов Э.Х. Экологические проблемы при освоении месторождений нефти Западно-Сибирского нефтегазоносного комплекса. //Нефтяное хозяйство, 1992. №11, с.32-35.

8. Вечная мерзлота и освоение нефтегазоносных районов. Под ред. Е.С. Мельникова и С.Е. Гречищева. М., ГЕОС, 2002. 402с.

9. Воронин В.Л. Формирование тела свободных нефтепродуктов в грунтовых водах. Вест. Моск. Ун-та. Сер. 4. Геология. 1998. №2.

10. Геокриологические условия Западно-Сибирской газоносной провинции/ Под ред. Е.С. Мельникова. Новосибирск: Наука, 1983. 199 с.

11. Геокриологический прогноз для Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции./Под ред. С.Е. Гречищева. Новосибирск: Наука, 1983. 180 с.

12. Геокриология СССР. Европейская территория СССР/ Под ред. Э.Д. Ершова. М.: Недра, 1988. 358 с.

13. Геокриология СССР. Западная Сибирь/ Под ред. Э.Д. Ершова. М.: Недра, 1989. 456 с.

14. Геологическое обследование предприятий нефтяной промышленности. Под ред. Шевнина В.А. и Модина И.Н. М., РУССО, 1999, 511 с.

15. Геологическое строение СССР и закономерности размещения полезных ископаемых. JL: Недра, 1985. 356 с.

16. Гидрогеология СССР, т. XVIII. Коми АССР и Ненецкий национальный округ Архангельской области. М.: Недра, 1970. 288 с.

17. Глазовская М.А. Геохимия природных и техногенных ландшафтов СССР. М., Высшая школа, 1988, 328 с.

18. Глазовская М.А. Способность окружающей среды к самоочищению. Природа.-1979.-№3, с. 71-79.

19. Глазовская М.А., Пиковский Ю.И. Скорость самоочищения почв от нефти в различных природных зонах. Природа. 1980. №5., с.с. 118-119.

20. Гольдберг В.М., Ковалевский Ю.В. Особенности загрязнения нефтепродуктами территории бывшего мазутохранилища в г. Череповце. Геоэкология. 1997, №5.

21. Гольдберг В.М., Путилина B.C. Органические загрязнители атмосферы и снежного покрова. Геоэкология. 1997, №4.

22. Грунтоведение. /Трофимов В.Т., Королев В.А., Вознесенский Е.А., Голодковская Г.А., Васильчук Ю.К., Зиангиров Р.С. Под. Ред. В.Т. Трофимова. 6-е изд., переработ, и доп. М.: Изд-во МГУ, 2005. - 1024 с.

23. Гусева О.А. Опытное моделирование процессов миграции нефти и нефтепродуктов в разных типах тундровых почв ЕТР. В сб: Геоэкология в нефтяной и газовой промышленности. Тез. Докл. научно-технической конференции. М., ГАНГ им. И. М. Губкина, 1995, с.с. 8-9.

24. Давиденко Н.М. Проблемы экологии нефтегазоносных и горнодобывающих регионов севера России, изд. «Наука», Новосибирск, 1998.

25. Давыдова C.JL, Тагасов В.И. Нефть и- нефтепродукты в окружающей среде: Учеб. пособие. М.: Изд-во РУДН, 2004. - 163 с.

26. Демидиенко А.Я., Демурджан В.М. Пути восстановления плодородия нефтезагрязненных почв черноземной зоны Украины. Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем. М. Наука, 1988, с.с. 197-206.

27. Ершов Э.Д. Общая геокриология. М., Изд-во МГУ, 2002, 688 с.

28. Ершов Э.Д. Принципы и приемы управления сезонным оттаиванием-промерзанием пород (на примере Анадырского района). Дис. на соиск. уч. ст. к.г.-м.н., МГУ, 1976, 405 с.

29. Ершов Э.Д., Данилов И.Д., Чеверев В.Г. Петрография мерзлых пород. МГУ, 1987,312с.

30. Ершов Э.Д., Чувилин Е.М., Смирнова О.Г., Налетова Н.С. Экспериментальные исследования взаимодействия нефти с криогенными породами. Материалы первой конференции геокриологов России, Кн.2, МГУ, 1996. с.с. 153-159.

31. Ершов Э.Д., Чувилин Е.М., Налетова Н.С., Микляева Е.С. Поведение нефти и нефтепродуктов в промерзающих и мерзлых породах. Тез. док. конф. «Проблемы криологии Земли», Пущино, 1998, с. 183-184.

32. Журавлев И.И; Теплофизические свойства загрязненных нефтью инефтепродуктами мерзлых дисперсных пород. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук. М., 2003.24 с.

33. Журавлев И.И., Мотенко Р.Г., Ершов Э.Д. Формирование теплофизических свойств мерзлых дисперсных пород при их загрязнении нефтью и нефтепродуктами // Геоэкология, 2005, №1, с. 50-60.

34. Зверев В.П., Варварина О.Ю., Путилина B.C. Массопотоки нефтепродуктов в природных водах России. Геоэкология. 1996, №2.

35. Зыков Ю.Д. Геофизические методы исследования криолитозоны. МГУ, 1999. 204 с.

36. Зыков Ю.Д., Мотенко Р.Г., Анисимова И.В., Анисимов В.В. Влияние нефтяного загрязнения на акустические свойства мерзлых грунтов. Мат. межд. конф.: «Экстремальные криосферные явления: фундаментальные и прикладные аспекты», Пущино, 2002, с. 155.

37. Казенов С.М., Арбузов А.И., Ковалевский Ю.В. Воздействие объектов нефтепродуктообеспечения на геологическую среду, Геоэкология, 1998, №1, с. 54-73.

38. Калюжин В.А. Опыт ликвидации нефтяного разлива с применением биологических средств. Нефтяник, 1995, №3.

39. Кондратьев Г.М. Регулярный тепловой режим, М., Гостехиздат, 1954.

40. Королёв В.А. Очистка грунтов от загрязнений. М., «Наука/ Интерпериодика», 2001, 368 с.

41. Крицук Л.Н., Поляков В.А. Изотопные исследования природных вод и льдов Западной Сибири.// Инженерная геология, 1989, №4, с. 76-94.

42. Кроник Я.А. Аварийность и безопасность природно-техногенных систем в криолитозоне. Материалы второй конференции геокриологов России,том 4 «Инженерная геокриология», МГУ, 2001, с. 138-147.

43. Крупенио Н.Н., Пармузин И.Ю., Пармузин П.И. Определение площади участков загрязнения нефтепродуктами на территории Усинского района республики Коми по данным дистанционных измерений. Геоэкология, 1997, №3.

44. Мерзлотоведение. / Под ред. В.А. Кудрявцева. М.: Изд-во МГУ, 1981. 240 с.

45. Методы геокриологических исследований. / Под ред. проф. Ершова Э.Д. М.: Изд-во МГУ, 2004. 512 с.

46. Микляева Е.С., Козлова Е.В. Влияние промерзания на перераспределение нефти в дисперсных породах. V Международная конференция студентов и аспирантов «Ломоносов 98». М., 1998, с. 236.

47. Микляева Е.С., Козлова Е.В. Экспериментальные исследования взаимодействия нефти с мерзлыми дисперсными породами. VI Международная конференция студентов и аспирантов «Ломоносов 99», М., 1999, с.с. 115-116.

48. Микляева Е.С., Волков Н.Г., Типикина Е.А. Экспериментальное изучение перераспределения нефтяного загрязнения в дисперсных породах при промерзании (соавторы). VII Международная конференция студентов и аспирантов «Ломоносов 2001». М., 2001. с.с. 118-119.

49. Микляева Е.С. Закономерности переноса нефти в мерзлых и промерзающих породах при их техногенном загрязнении. Автореферат на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук. М., 2002. 26 с.

50. Москаленко Н.Г. Ландшафтные исследования в тундрах Тазовского полуострова. Тр. ВСЕГИНГЕО, 1973, вып. 62, с. 97-107.

51. Мотенко Р.Г. Теплофизические свойства и фазовый состав влаги мерзлых засоленных пород. Дис. на соиск. уч. ст. к.г.-м.н., МГУ, 1997, 142 с.

52. Мотенко Р.Г., Журавлев И.И., Чеверев В.Г. Влияние нефятного загрязнения на теплофизические свойства мерзлых дисперсных пород. Материалы международной конференции. С-П.: 2000, с. 193-200.

53. Оборин А.А., Калачникова И.Г., Масливец Т.А., Пиковский Ю.И. Биогеохимическая деградация нефтяных углеводородов в почвах, загрязненных нефтью // Аспекты генетических связей нефти и органического вещества пород. М.: Недра, 1986. с. 123-125.

54. Оборин А.А., Калачникова И.Г., Масливец Т.А. Самоочищение и рекультивация нефтезагрязненных почв Приуралья и Западной Сибири.//Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем. М.: Наука, 1988, с. 140-158.

55. Огильви А.А. Основы инженерной геофизики/ Под редакцией В. А. Богословского.-М.: Недра, 1990.-501 с.

56. Основы геокриологии. Т. 4. Динамическая геокриология, (под. ред. Э.Д. Ершова), М., изд-во МГУ, 2001, 688 с.

57. Основы геокриологии. Т. 5. Инженерная геокриология, (под. ред. Э.Д. Ершова), М., изд-во МГУ, 1999, 528 с.

58. Основы мерзлотного прогноза при инженерно-геологических исследованиях. Под ред. В.А. Кудрявцева. М: Изд-во МГУ, 1974, 424 с.

59. Павлов А.В. Энергообмен в ландшафтной сфере Земли. Новосибирск, Наука, 1984,254 с.

60. Пиковский Ю.И. Геохимические особенности техногенных потоков в районах нефтедобычи. В кн.: Техногенные потоки вещества в ландшафтах и состояния экосистем. М., Наука, 1981. с.с. 134-138.

61. Пиковский Ю.И. Природные и техногенные потоки углеводородов в окружающей среде. МГУ, 1993. 202 с.

62. Пиковский Ю.И. Трансформация техногенных потоков нефти в почвенных экосистемах. В сб. Восстановление нефтезагрязненныхпочвенных экосистем. М.: Наука, 1988. с.с. 95-104.

63. Пиковский Ю.И., Калачникова И.Г., Оглоблина А.И., Оборин А.А. Экспериментальные исследования трансформации нефти в почвах. Миграция загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах. Труды III Всесоюз. совещания. JL: Гидрометеоиздат, 1985. с. 191-195

64. Практикум по грунтоведению. Учеб. Пособие. Королев В. А., Огородникова Е.Н., Ладыгин В.М. Под. ред. Трофимова В.Т. и Королев В.М., МГУ, 1992. 389 с.

65. Программа расчета теплового взаимодействия инженерных сооружений с вечномерзлыми грунтами «Тепло» (Емельянов Н.В., Пустовойт Г.П., Хрусталев Л.Н., Яковлев С.В.). Свидетельство №940281. РосАПО, 1994.

66. Пустозеров М.Г. Комплекс геофизических методов для изучения углеводородного загрязнения геологической среды. Геоэкология, 2001, №4, с. 375-384.

67. Романовский Н.Н. Подземные воды криолитозоны. М.: Наука, 1983. 321 с.

68. Рудин М.Т., Драбкин А.Е. Краткий справочник нефтепереработчика. Л., Химия, 1980.

69. Садов А.П. Распределение битуминозных веществ в почвах лесотундры Западной Сибири (на примере Надым-Пурского междуречья). Геоэкология в нефтяной и газовой промышленности. М., 1995, с.с. 9-19.

70. Ситдиков Р.Н. Влияние нефтепромысловых поллютантов и рекультивации на агрофизические свойства почв Приуралья Республики Башкортостан. Автореф. дис. на соиск. уч. ст. к.с-х.н., Уфа, 2002, 24 с.

71. Соболева Е.В., Гусева А.Н. Химия горючих ископаемых, М., Изд-во МГУ, 1998, 204 с.

72. Современные методы исследования нефтей. Под. ред. Богомолова А.И., Темянко М.Б., Хотынцова Л.И. Л.: Недра. 1984.

73. Солнцева Н.П. Добыча нефти и геохимия природных ландшафтов. М.: Изд-во МГУ, 1998.

74. Солнцева Н.П. Влияние добычи нефти на почвы Болынеземельскойтундры. Проблемы экологии при разработке нефтяных и газовых месторождений Крайнего Севера. М.: ВНИИГАЗ, 1995.

75. Солнцева Н.П. Общие закономерности трансформации почв в районах добычи нефти (формы проявления, основные процессы, модели). Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем. М.: Наука, 1988, с.с. 23-42.

76. Справочник по геологии нефти и газа. М.: Наука: 1984. 480 с.

77. Теплофизические свойства горных пород. Под. ред. Ершова Э.Д. М: МГУ, 1984.204с.

78. Фазовый состав влаги в мерзлых породах Под. ред. Ершова Э.Д., МГУ, 1979, 192с.

79. Федоров А.А. Ацетилцеллюлозная пленка как теплоизоляционный материал для закрытия грунта. Сб.1, Тр. Ленинградского физико-агрономического института. Изд-во ВАС ХНИЛ, 1935.

80. Физические величины. Справочник. Под ред. И.С. Григорьева и др. М., Энергоатомиздат, 1991, 123 с.

81. Фролов Ф.Д. Электрические и упругие свойства мерзлых пород и льдов, ОНТИ ПНЦ РАН, 1998.516 с.

82. Чувилин Е.М., Ершов Э.Д., Налетова Н.С., Микляева Е.С. Поведение нефти и нефтепродуктов в промерзающих и мерзлых породах. Тез. док. конф. «Проблемы криологии Земли», 1998, с.с. 183-184.

83. Чувилин Е.М., Микляева Е.С., Козлова Е.В., Инстанес А. Экспериментальное изучение проникновения нефти в мерзлые породы. Тез. док. конф. «Консервация и трансформация вещества и энергии в криосфере Земли», Пущино, 2001, с.с. 109-110.

84. Чувилин Е.М., Микляева Е.С., Козлова Е.В., Инстанес А. Экспериментальное изучение нефтяного загрязнения мерзлых пород. Материалы второй конференции геокриологов России, том 1, часть 1 «Физико-химия и механика мерзлых пород». МГУ, 2001, с. 163-169.

85. Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. М., Изд-во физ.-мат. литературы, 1962, 456с.

86. Шешин Ю.Б., Горбунов В.П., Кулагин Б.А. Влияние нефтепродуктов на прочностные свойства мерзлых грунтов. В сб: Методы изучения криогенных физико геологических процессов. Москва, ВСЕГИНГЕО, 1992, с.с. 30-34.

87. Эксплуатация и технология разработки нефтяных и газовых месторождений. Под ред. Ш.К. Гуматудинова. М., Недра, 1978, 365 с.

88. Электроразведка методом сопротивлений/ Под редакцией В.К. Хмелевского и В.А. Шевнина. М.: Изд-во МГУ, 1994.

89. Aorinde О.А., Perry L.B., Pidgeon D., Iskandar I.K. Experimental methods for decontaminating soils by freezing. N.Y., 1988. (Rep. / USA Cold Regions Res. and Eng. Lab.; No. 2513 MP).

90. Bailey N.J.L., Jobson A.M., Rogers M.A. Bacterial Degradation of Crude Oil: Comparison of Field and Experimental Data. Chemical Geology, 1973, v. II, pp.203-221.

91. Biggar K.W. and Neufeld J.C.R. Vertical Migration of Diesel into Silty Sand Subject to Cyclic Freez-Thaw. Cold Regions Engineering Cont. 1996.

92. Biggar K.W., Haidar M., Nahir M., Jarrett P.M. Site Investigations of Fuel Spill Migration into Permafrost. Journal of Cold Regions Engineering 12 (2), 1998, p.p. 84-104.

93. Biggar K.W. The Effects of Petroleum Spills on Permafrost: Techniques and Technollogies for Hydrocarbon Remediathion in Cold and Arctic Climates: Proceedings of Conference at the Royal Military College of Canada -Kingston, Ontario, 1995, p. 2-9.

94. Brown K.W., Donnely K.C. The influence of soil environment on biodegradation of a refinery and petrochemical sluge. // Environ. Pollut. В.,1983, Vol.6, № 2, p. 105-162.

95. Chapman, R.M, F.R. Weber, and B. Taber. 1971. Preliminary geologic map of Livengood quadrangle. U.S. Geological Survey. Open File Report 483. scale 1:250000.

96. Collins C.M., Racine C.H., Walsh M.E. Fate and effects of crude oil spilled on subarctic permafrost terrain in interior Alaska. Fifteen years later. USA Cold

97. Regions Research and Engineering Laboratory, CRREL Report 93-13, p.p. 120.

98. Deneke F.J., McCown B.H., Coyne P.I., Rickard W, Brown J. Biological aspects of terrestrial oil spills: USACRREL oil research in Alaska, 1970-1974. CRREL Research Report 346, 1975, 66p.

99. Everett K.R. Some effects of oil on physical and chemical characteristics of wet tundra soils, Arctic, 31 (3), 1978, p.260-276.

100. Engelhardt F.R. Petroleum Effects in the Arctic Environment // Elsevier Science Publishing CO., London, 1985.

101. Freedman W., Hutchinson T.C. Physical and biological effects of experimental crude oil on low arctic tundra in the vicinity of Tuktoyaktuk, N.W.T., Canada. Canadian Journal of Botany 54, 1976, p. 2219-2230.

102. Hutchinson T.C. Recovery of Arctic and sub-Arctic vegetation nine summers after crude and diesel oil spills. North of 60. Ottawa: Department of Indian Affairs and Northern Development, Environmental Studies Report, № 22, 1984.

103. Hutchinson, T.C., J.A. Hellebust and M. Telford Oil spill effects on vegetation and soil microfauna at Norman Wells and Tuktoyaktuk, N.W.T. Ottawa: Department of Indian Affairs and Northern Development, ALUR 1974-75, 1976.

104. Jenkins, T.F., Johnson L.A., Collins C.M. and McFadden T.T. The physical, chemical, and biological effects of crude oil spills on black spruce forest, interior Alaska. Arctic, 31, 1978, p.p. 305-323.

105. Lawson D.E., Brown J., Everett K.R., Johnson A.W., Komarkova V., Murray B.M., Murray D.F., Webber P.J. 1978. Tundra disturbances and recovery following the 1949 explotary drilling, Fish Creek, northern Alaska CRREL Report 78-28. 81 p.

106. Mackay D., Charles M.E. and Philips C.R. (1975) The physical aspects of crude oil spills on northern terrain (final report). Ottawa: Department of Indian Affairs and Northern Development. ALUR 74-75-85, 1975.

107. Mackay D., Leinonen P.J., Overall J.C.K., Wood B.R. The behavior of crude oil spilled on snow. Arctic 28 (1), 1975, p.9-20.

108. Mckendrick J.D., Mitchell W.W. Effects of burning crude oil spilled on six habitat types in Alaska. Arctic 31(3), 1978, p.277-295.

109. Neufeld J. C. R., Biggar K. W. Vertical migration of diesel into silty sandtVisubject to cyclic freez-thaw. In Proseedings of the 8 International Conference on Cold Regions Engineering, Fairbanks, AK, 1996. p.p. 116-127.

110. Oudot J. Selective migration of low and medium molecular weight hydrocarbons in petroleum-contaminated terrestrial environments. //Oil and Chem. Pollut., 1990, vol. 6, №4, p. 251-261.

111. Sauck W.A. A Model for the Resistivity Structure of LNAPL Plumes and their Environs in Sandy Sediments. Journal of Applied Geophysics, 44 (2000), 151165.

112. Sextone A., Everett K., Jenkins T. and Atlas R.M. Fate of crude and refined oils in north slope soils. Arctic, Vol. 31, № 3, 1978. p.p. 339-347.

113. Sextone A., Gustin P. and Atlas R.M. Long-term interactions of microorganisms and Prudhoe Bay crude oil in tundra soils at Barrow, Alaska. Arctic, 31(3), 1978, p.p. 348-354.

114. Walker D.A., Webber P.J., Everett K.R., Brown J. Effects of crude and diesel oil spills on plant communities at Prudhoe Bay, Alaska and the derivation of oil spills sensitivity mars. Arctic 31(3), 1978, p. 378-396.

115. Wein R.W. and Bliss L.C. Experimental crud oil spills on arctic plant communities. Journal of Applied Ecology, 10, 1973, p.p. 671-682.226 1

116. White T.L, Coutard I.P. Modification of silt microstructure by hydrocarbon contamination in freezing ground. «Polar Record» 35 (192), 1999, p.p. 41-50.

117. White T.L. and Chenaf D. The role of soil microstructure and unfrozen water in the transport phenomena of hydrocarbon contaminants in permafrost. Polar Record. Vol. 37., № 202, 2001.

118. White T.L. and Williams P.J. The influence of soil microstructure on hydraulic properties of hydrocarbon-contaminated freezing ground. Polar Record. Vol. 35, № 192, 1999. p.p. 25-32.

Информация о работе

Нефедьева, Юлия Андреевна
кандидата геолого-минералогических наук
Москва, 2010
ВАК 25.00.08

Диссертация

Роль трансформации нефтяного загрязнения в изменении свойств грунтов слоев сезонного оттаивания и сезонного промерзания - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Роль трансформации нефтяного загрязнения в изменении свойств грунтов слоев сезонного оттаивания и сезонного промерзания - тема автореферата по наукам о земле, скачайте бесплатно автореферат диссертации

Похожие работы