Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Закономерности изменения фазового и химического состава, теплофизических характеристик засоленных пород и криопэгов п-ова Ямал в процессе их криогенного метаморфизма

ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Закономерности изменения фазового и химического состава, теплофизических характеристик засоленных пород и криопэгов п-ова Ямал в процессе их криогенного метаморфизма"

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

На правах рукописи

КИЯ III КО

Надежда Владимировна

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ФАЗОВОГО И ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА, ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАСОЛЕННЫХ ПОРОД И КРИОПЭГОВ П-ОВА ЯМАЛ В ПРОЦЕССЕ ИХ КРИОГЕННОГО МЕТАМОРФИЗМА

Специальность 25.00.08 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

1 6 ОКТ 2014

Москва - 2014

005553349

005553349

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

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией инженерной геокриологии кафедры геокриологии геологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова Комаров Илья Аркадьевич

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук,

ФГБОУ ВПО РГУ нефти и газа имени И.М.Губкина, профессор кафедры Разработки и эксплуатации газовых и газоконденсатных месторождений

Якушев Владимир Станиславович

Кандидат технических наук, старший научный сотрудник, профессор кафедры механики грунтов и геотехники ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» Кроннк Яков Александрович

Ведущая организация: ООО "ГЕОИНЖСЕРВИС", 119331, Россия,

Москва, пр-т Вернадского, 29

Защита состоится 21 ноября 2014 г. в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 501.001.30 при Московском государственном университете им. М.ВЛомоносова по адресу: Москва, Ленинские горы, Главное здание МГУ, геологический факультет, аудитория 415

Автореферат размещен на интернет-сайтах Геологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова http://geol.msu.ru/obsh/diss.htm и Министерства образования и науки Российской Федерации www.vak.ed.gov.ru. С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале Научной библиотеки Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова, в Отделе диссертаций Фундаментальной библиотеки по адресу: Ломоносовский проспект, 27; сектор А, 8 этаж, к. 812).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим присылать по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, МГУ, геологический факультет, ученому секретарю диссертационного совета Д 501.001.30, профессору В.Н.Соколову.

Автореферат разослан 01 октября 2014 г

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор геолого-минералогических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Тематика работы связана с решением одной из фундаментальных проблем геокриологии - выявлением закономерностей криогенного метаморфизма природных вод. Эта проблема многоплановая, находящаяся на стыке разных наук: геокриологии, гидрогеохимии, грунтоведения. В работе рассматривается одно из направлений, связанное с выявлением закономерностей изменения фазового и химического состава по-ровых растворов засоленных пород и криопэов морского генезиса, в процессе изменения термобарических условий, включая промерзание-оттаивание.

Разнообразие химического состава природных засоленных поровых растворов и криопэгов и широкий диапазон их концентраций крайне затрудняет экспериментальное исследование процессов изменения фазового и химического состава. Натурные определения химического состава водных вытяжек и проб криопэгов носят, как правило, единичный (за сезон) и фрагментарный характер, а в лабораторных условиях подробно исследован процесс только для морской воды. Это обуславливает целесообразность применения для выявления закономерностей изменения фазового и химического состава, а также прогноза соответствующих характеристик, других методов, в первую очередь, современных методов термодинамического моделирования. Использованная методика и программный продукт, адаптированный для решения указанных проблем, являются абсолютно оригинальными, наиболее полно и адекватно, на сегодняшний день, отражающими характер протекающих в поровых растворах засоленных пород и криопэгах процессов преобразования их фазового и химического состава, позволяя глубже понять природу и механизм этого процесса, причем не только на качественном, но и на количественном уровне. Методика не имеет аналогов в зарубежной и отечественной практике.

Под криогенным метаморфизмом природных вод понимаем: совокупность физико-химических процессов, включающих такие явления как кристаллизация воды и плавление льда; осаждение и растворение солей; удаление и поглощение газов; изменение состояния солевых равновесий; образование ячеек льда с включенным в структуру рассолом; перераспределение солей между твердой и жидкой фазами воды. Промерзание песчаных пород сопровождается, как правило, частичным отжиманием порового раствора из зоны кристаллизации и его концентрированием. Процесс криогенного концентрирования может приводить к образованию линз высокоминерализованных отрицательно-температурных подземных вод — криопэгов.

Термин «криопэг» имеет в литературе неоднозначное толкование. Наиболее употребительным является, введенное Н.И. Толстихиным определение: «...Криопэги (криогалинные воды) - природные соленые воды с отрицательными температурами». В такой трактовке этот термин рассматривается нами.

Выявление закономерностей криогенного метаморфизма позволяет разработать более обоснованные методики проведения прогнозных и эпи-гнозных (палеореконструкции) оценок температурного и водно-ионного режима засоленных пород, определяющего состояние и эволюцию ряда районов криолитозоны России, включая зоны шельфа северных морей), которые в настоящее время интенсивно осваиваются, в первую очередь, как газо- и нефтеносные районы (п-ов Ямал и т.д.)- Для реализации таких моделей необходима информация по температуре начала замерзания засоленных пород и криопэгов, температурной зависимости содержания незамерзшей воды и льда, величины теплофизических свойств, плотности, рН, которые являлись предметом исследования.

Несомненна и практическая значимость работы, связанная в первую очередь с отсутствием научно-обоснованных рекомендаций к созданию региональных (п-ов Ямал) и отраслевых нормативных документов по оценке указанных выше характеристик для криопэгов. Такие оценки важны для обеспечения устойчивости оснований инженерных сооружений, возводимых на засоленных грунтах, которые могут вмещать криопэги. Учет минерализации пород актуален при прогнозе эксплуатационного режима вблизи инженерных сооружений с периодическим выбросом или аварийным сбросом технологических растворов (очистные сооружения, хвостохранилища и т.д.). Инфильтрация загрязненного поверхностного стока, аварийные утечки, - все это приводит к таким нежелательным явлениям, как образование техногенных надмерзлотных таликов, развитие осадки грунтов, потеря несущей способности свай и других деформаций фундаментов, повышенная коррозии металлов подземных коммуникаций и т.д.

Цель и задачи исследования. Выявление закономерностей и разработка методики прогноза изменения фазового и химического состава, теплофизических характеристик засоленных пород и криопэгов п-ова Ямал в зависимости от термобарических условий.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. Изучить современное состояние вопроса о закономерностях изменения фазового и химического состава поровых растворов и криопэгов, теплофизических свойств в породах с морским типом засоления;

2. Проанализировать геокриологические и гидрогеологические условия района п-ова Ямал;

3. Освоить методику экспериментальных лабораторных исследований и получить экспериментальные данные по оценке температуры начала замерзания, содержанию незамерзшей воды, теплоемкости и коэффициенту теплопроводности засоленных пород для ряда районов п-ова Ямал;

4. Провести отработку и калибровку программного продукта для оценки изменения фазового и химического состава, плотности, рН и других характеристик рассолов при разных термобарических условиях. Разработать методику подготовки исходной информации по химическому составу вод-

ных вытяжек и проб криопэгов для реализации термодинамического моделирования;

5. Выявить особенности криогенного метаморфизма поровых растворов засоленных пород и криопэгов п-ова Ямал;

6. Разработать методику прогноза температуры начала замерзания, содержания незамерзшей воды, теплоемкости и коэффициента теплопроводности для криопэгов и засоленных пород и провести сопоставление с экспериментальными данными;

7. Выработать научные рекомендации для создания региональных (п-ов Ямал) или отраслевых нормативных документов для оценки температуры начала замерзания, фазовому составу и теплофизическим свойствам засоленных пород.

Научная новизна работы определяется следующими результатами:

1. Проведена калибровка и отработка последней версии программы «FREEZBRINE», для оценки изменения фазового и химического состава, плотности, рН и других характеристик рассолов при разных термобарических условиях. На ее основе предложена методика оценки изменения фазового и химического состава поровых растворов засоленных пород и криопэгов при охлаждении и промерзании, включая методику подготовки данных стандартных химических анализов водных вытяжек и проб криопэгов. Методика является оригинальной, не имеющей аналогов в зарубежной и отечественной практике.

2. Выявлены закономерности протекания процессов криогенного метаморфизма поровых растворов засоленных пород и криопэгов морского типа засоления. Предложены новые гипотезы о специфике и стадийности протекания этих процессов, качественный и количественный характер которых, а также механизм, отличается от такового для морской воды из-за наличия карбонатов, бикарбонатов и т.д.;

3 . Используя данные о химическом составе проб с помощью термодинамического моделирования впервые сделан прогноз изменения фазового и химического состава, плотности, рН для 48 криопэгов п-ова Ямал, с общей минерализацией от 5 до 150 г/л, расположенных на различных геоморфологических уровнях (лайды, террасы, поймы), для рассолов солончаков с минерализацией от 36 до 350 г/л.

4. Используя данные о химическом составе водных вытяжек и натурных экспериментальных данных, с помощью термодинамического моделирования впервые сделан прогноз изменения температуры начала замерзания, содержания незамерзшей воды, теплоемкости и коэффициента теплопроводности засоленных пород п-ова Ямал для диапазона концентраций порового раствора от 0,8 до 40 г/л. Проведенное сопоставление с данными натурных опробований показало их удовлетворительную сходимость.

5. Используя результаты термодинамического моделирования, методы статистической обработки опьггных опробований, предложены расчетные экспресс-методики (приближенные соотношения) для оценки температуры

начала замерзания, содержания незамерзшей воды, теплофизических свойств засоленных пород и криопэгов п-ова Ямал.

Практическое значение работы. Разработаны научные рекомендации для составления региональных (п-ов Ямал) и отраслевых нормативных документов по оценке количества незамерзшей воды, температуры начала замерзания, плотности, рН и теплофизических характеристик криопэгов и засоленных пород. Они составлены в полном соответствии с идеологией и формой представления приложения Б (Физические и теплофизические характеристики многалетсмерзлых грунтов), введенного в 2013 году СП.25.13330.2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах».

Выявление закономерностей криогенного метаморфизма позволяет разработать более обоснованные модели прогноза температурного и водно-солевого режима пород, что важно для оценки устойчивости оснований инфраструктуры, интенсивно осваивающихся газо- и нефтеносных месторождений п-ов Ямал, возводимых на засоленных грунтах, которые могут вмещать криопэги.

Защищаемые положения

1. Закономерности изменения фазового и химического состава поровых растворов засоленных пород и криопэгов п-ова Ямал в процессе криогенного метаморфизма, выявленные с помощью термодинамического моделирования, которое, в отличие от ранее полученных на основе анализа данных по промораживанию морской воды результатов, позволяет учесть специфику химического состава и степень минерализации растворов, выявить четыре характерные стадии протекания процесса в диапазоне отрицательных температур и предельные концентрации раствора, когда процесс криогенного метаморфизма протекает в отсутствии промерзания за счет перераспределения жидкой и твердой фаз.

2. Методика прогноза температуры начала замерзания, содержания твердой и жидкой фаз, плотности, рН и теплофизических свойств засоленных пород и криопэгов п-ова Ямал, разработанная на основе результатов термодинамического моделирования с использованием данных о химическом составе проб и водных вытяжек порового раствора.

3. Экспресс-методики прогноза температуры начала замерзания, содержания твердой и жидкой фаз, плотности и теплофизических свойств засоленных пород и криопэгов п-ова Ямал, разработанные на основе результатов термодинамического моделирования, статистической обработки литературных данных и полученных экспериментальных результатов, представленных в форме аналитических зависимостей, которые позволяют использовать их в качестве научных рекомендаций для создания соответствующих региональных и отраслевых нормативных документов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы изложены в 6 публикациях, включая 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК. Они доложены на 3 международных и всероссийских конференциях

(Салехард, 2012; Томск, 2012; Сеул, Южная Корея, 2014), а также на Ломоносовских чтениях (Москва, 2011, 2013, 2014).

Личный вклад автора. Получение экспериментальных результатов исследования засоленных пород п-ова Ямал в лаборатории НПО «Криос» (для 87 образцов по теплофизическим свойствам пород , 50 анализов химического состава водных вытяжек). Участие в верификации и отработке последней версии программного продукта «FREEZBRJNE». Разработка методик пересчета данных химического состава водных вытяжек и проб криопэгов, полученных по стандартным методикам, в вид необходимый для ввода в программный продукт, а из полученных с помощью моделирования результатов - в соотношения, используемые для разработки экспресс-методик оценки величин характеристик засоленных пород и криопэгов.

Структура и объем работы. Работа объемом 138 страниц, состоит из введения, шести глав, выводов и списка использованной литературы из 90 наименований. Она проиллюстрирована 45 рисунками и 42 таблицами. К работе дано приложение, которое содержит 125 страниц, включая 133 цветных рисунка и 50 таблиц, представляющих результаты: первичной обработки фактического материала; термодинамического моделирования изменения химического и фазового состава криопэгов; сопоставления экспериментальных и расчетных данных; статистической обработки данных

Работа выполнена на кафедре геокриологии геологического факультета МГУ под руководством заведующего лабораторией инженерной геокриологии доктора геолого-минералогических наук И.А. Комарова, которому автор глубоко благодарен за помощь и внимание, проявленное на всех этапах работы над диссертацией. Автор выражает признательность сотрудникам кафедры геокриологии, в особенности A.B. Брушкову, JI.H. Хрусталеву, Л.Т. Роман, Г.И. Гордеевой за внимание и ценные советы. Автор с благодарностью вспоминает годы учебы на кафедре гидрогеологии и своих первых наставников К.Е. Питьеву, P.C. Штенгелова, A.A. Маслова, а также С.П. Позднякова и В.А. Всеволожского. Он благодарен начальнику лаборатории НПО «Криос» к.т.н. В.А. Кондакову, сотрудникам лаборатории Кусовой О.Ф., Федосеевой Л.П. и Бондаренко И.И. , а также бакалавру кафедры геокриологии Журиной А. за помощь при проведении экспериментальных лабораторных работ. Особую признательность автор выражает С.М. Фотиеву, Л.Н. Крицук, И.Д. Стрелецкой и М.В. Мироненко за плодотворные научные дискуссии и ценные советы при написании работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Часть первой главы посвящена краткому рассмотрению имеющихся в литературе сведений о климате, особенностях геокриологических и гидрогеологических условий п-ова Ямал. Для полуострова Ямал характерен морской арктический климат. Имеется тенденция повышения температуры воздуха с северо-востока на юго-запад. Холодный период продолжается 8-9 месяцев. Самым холодным месяцем на Ямале является февраль. Температура самого холодного месяца равна -27,6°С. Минимальные температуры зимой в

криолитозоне опускаются от -50°С на юге до -55°С на севере. В пространственном распределении осадков наблюдается определенная закономерность: увеличение их количества с севера на юг. Равнинный характер территории и особенности климата (испарение меньше выпадающих осадков) обусловили большую заозеренность и заболоченность территории. Болота развиты и на междуречьях, и в долинах рек, и в котловинах спущенных озер - хасыреях.

П-ов Ямал принадлежит Западно-Сибирская нефтегазоносной провинции, которая представляет собой молодую эпигерцинскую плиту, сложенную мощным чехлом мезо-кайназойских отложений, перекрывающих гетерогенный фундамент, разновозрастные блоки которого разделены глубинными разломами. Западно-Сибирская плита составляет часть эпипалеозойской Урало-Сибирской платформы и имеет двухъярусное строение.

На большей части территории Ямала среднегодовая температура пород ниже -5°С. Геокриологические условия неоднородны. П-ов Ямал расположен в области сплошного распространения ММП. Сплошность толщи мерзлых пород с поверхности прерывается сквозными и несквозными таликами, мощность которых изменяется в широких пределах от 1-2 м до нескольких десятков м.

Часть Западно-Сибирской плиты, включающая полуострова Ямал, к началу промерзания только что вышла из-под уровня моря. В связи с этим в мерзлой олигоцен-четвертичной толще этих бассейнов отсутствуют выдержанные горизонты пресных межпластовых вод. Здесь встречаются отдельные линзы и горизонты захороненных морских высокоминерализованных вод с отрицательной температурой - криопэги.

Другая часть главы посвящена рассмотрению вопросов о происхождении, распространении и химическом составе засоленных пород и криопэгов. Исследованиями этих вопросов занималось большое количество исследователей, в том числе: В.И. Аксенов, C.B. Алексеев, Н.П. Анисимова, Ю.Б. Баду, В.В. Баулин, A.B. Брушков, Ю.К. Васильчук, Г.И. Дубиков, Н.В. Иванова, J1.A. Жигарев, P.C. Кононова, Л.Н. Крицук, Я.В. Неизвестнов, Б.А. Савельев И.Д. Стрелецкая, Н.И. Толстихин, В.Т. Трофимов, В.П. Чернядьев, С.М. Фо-тиев и др.

По данным Г.И. Дубикова и Н.В. Ивановой, область повсеместного распространения засоленных мерзлых грунтов и криопэгов Западной Сибири располагается севернее широты пос. Новый Порт на Ямале. Криопэги характерны для всей криолитозоны полуострова Ямал. Они залегают на разной глубине в виде изолированных линз, не имеющих связи друг с другом, поверхностными и подземными водами. Засоленные мерзлые четвертичные породы Арктического побережья, имеют, как правило, морское происхождение и относятся к числу сингенетических мерзлых толщ. Начиная с плейстоцена при осушении морских акваторий происходило охлаждение и частичное промерзание донных отложений, поры которых были заполнены морскими водами. Дальнейшее охлаждение пород уже в субаэральных условиях приводило к криогенному метаморфизму пород и подземных вод морского генези-

са, и как следствие, к формированию и последующему сохранению криопэ-гов.

По своему химическому составу криопэги близки к морским водам, их минерализация составляет 5-150 г/л, состав хлоридно-натриевый с незначительным количеством сульфатов. Засоленность верхних придонных слоев шельфа северных морей сопоставима со степенью минерализации морской воды.

Во второй главе дается анализ существующих экспериментальных и расчетных методов определения температуры начала замерзания, фазового состава, теплофизических свойств засоленных пород и используемые в работе методы изучения этих свойств. Экспериментальным исследованием этих характеристик посвящены работы: В.И. Аксенова, Е.Н.Барковской, Г.П.Бровка, Ю.А. Велли, Н.Г. Волкова., Р.И. Гаврильева, Н.С.Иванова, A.B. Иоспа, И.А.Комарова, А.А.Коновалова, Я.А.Кроника, С.Г.Лосевой, М.А.Минкина, E.H. Молочушкина, Р.Г. Мотенко, В.И.Пускова, H.H. Смирновой, А. В. Степанова, П.И. Филиппова, В.Г.Чеверева, Л.В.Частотинова, А.Ф. Чудновского, И.В. Шейкина, Д.М. Шестернева, С.Керстена, Р.Кларка, А. Хигаши и многих других. Анализ показал, что для определения коэффициента теплопроводности наиболее предпочтительным для опробования в лабораторных условиях является стационарный метод, обеспечивающий широкий охват типов горных пород, как при положительной, так и при отрицательной температурах, включая диапазон температур, в котором происходят интенсивные фазовые переходы. Для исследования фазового состава и температуры начала замерзания предпочтительно использование методов адиабатической калориметрии. С помощью выше указанных методик были проведены опробования 87 образцов песчаных, супесчаных и суглинистых засоленных пород п -ова Ямал, различной плотности, влажности и степени минерализации. Исследования были проведены на базе лаборатории НПО «Кри-ос», г. Воркута, на экспериментальных установках, разработанных и изготовленных в институте проблем использования природных ресурсов и экологии Национальной академии наук Беларуси (ИПИПРЭ НАНБ) г. Минска.

Установка для определения коэффициента теплопроводности реализует метод пластины с коррекцией по эталонным телам, дающий аппаратурную погрешность не более 10%.

Экспериментальная установка для определения температуры замерзания фунта включает в себя термостат и холодильный шкаф. Принцип работы установки, основан на регистрации компьютерной системой динамики изменения температуры исследуемого образца в ходе его охлаждения (метод криоскопии). Переохлаждение воды в ходе замерзания сводится к минимуму (не более 0,1-0,3 °С) за счет применения в данной установке инициаторов кристаллизации, что в значительной степени снижает погрешности определений.

Определение величины теплоемкости и содержания незамерзшей воды осуществляется в адиабатическом калориметре, измерение и регулирование

температур в котором выполняется с помощью компьютерной системы. Принцип калориметрической установки в создании адиабатических условий или условий контролируемого теплообмена вокруг калориметрического стакана с исследуемым образцом. Это приводит к более высокой точности относительно других методов. Фазовый состав влаги в образце и теплоемкость пород рассчитываются на основании термограммы разогрева (цикл оттаивания), по двум разным методикам обработки данных. Аппаратурная погрешность определения теплоемкости не превышает 5%. При корректном определении тарировочных параметров погрешность определения количества не-замерзшей воды составляет не более 3% от общего количества влаги в образце, однако в расчетах принимается, что теплота фазового перехода лед-связанная вода в порах грунта принимается равной теплоте фазового перехода лед-свободная вода, а теплоемкость связанной воды — теплоемкости свободной воды.

Для определения химического состава влаги в засоленных породах автором был проведен большой объем экспериментальных работ, для которого применялись методы анализа водных вытяжек. Анализ водной вытяжки начинался с приготовления самой водной вытяжки по ГОСТ 26423-85. Определение pH проводилось по ГОСТ 26423-85. Анализ на карбонаты и бикарбонаты - по ГОСТ 26424-85, в одном растворе. Содержание хлоридов определялось по ГОСТ 26425-85, определение жесткости - по ГОСТ 26428-85 (Са2+; Mg2+), определение сульфатов - по ГОСТ 26426-85.

Натурные определения химического состава водных вытяжек засоленных пород и проб криопэгов носят, как правило, фрагментарный (одномоментный) характер. Это обуславливает целесообразность для выявления закономерностей и прогноза изменения их фазового и химического состава в зависимости от термобарических условий, применение современных методов термодинамического моделирования.

Существующие расчетные методы оценки температуры начала замерзания и фазового состава засоленных пород и криопэгов обычно ограничены рассмотрением случаев, небольших и средних концентраций порового раствора. В их основе лежат различные модификации криоскопической формулы из теории растворов, которые для случая, когда его можно условно рассматривать как бинарный, приведены в работах: Аксенова В.И., Ю.А. Велли, A.M. Глобуса, A.A. Коновалова, Я.А. Кроника, С.Г. Лосевой, J1.T. Роман, В.Г. Чеверева и др., а с учетом конкретного химического состава раствора в работе (A.Banin, D. Anderson). Для произвольной величины концентрации порового раствора И. А. Комаровым предложена, основанная на энергетический подходе термодинамическая модель и соответствующая расчетная методика, которая позволяет найти температуру замерзания и фазовый состав влаги как в незасоленных, так и засоленных дисперсных породах. Однако эти расчетные соотношения выводились в приближении бинарного раствора хлористого натрия в воде. Реальный поровый раствор мерзлых пород и криопэги имеют полиионный состав. Концентрация легкорастворенных со-

лей при низких отрицательных температурах, может достигать величин 2-3 нормальностей и более. При высоких концентрациях химическая природа растворенных ионов начинает играть важную роль.

Химический аспект моделирования поведения вводно-солевых систем в области отрицательных температур сводится к расчету фазового состава систем различного валового химического состава в ряде пространственно-временных ячеек, характеризующихся определенной температурой и давлением. Валовый химический состав, температура и давление могут быть заданы априори или являться решением задачи тепломассопереноса.

Для термодинамического моделирования использовалась программа «FREEZBR1NE», которая была апробирована и использована для анализа водно-солевого режима засоленных пород и криопэгов [1,5]. Алгоритм расчета равновесного состава водно-солевых систем программы, приведен в работе Мироненко М.В. Программа включает в себя следующие химические компоненты, которые могут быть образованы в системе:

Раствор (23 компонента): катионы: Na+, К+, Са+2, Mg+2, Н+, Mg(OH)+, Fe+2, FeOH+; анионы: СГ , SO/2, ОН", НСОэ", С03-2, HS04\ N03" и др.; нейтральные: C02,aq, FeC03,aq, CaC03,aq, MgC03,aq, H2,aq, 02,aq, CH4, aq , H30(1) и др. Газы( 8 компонентов): 02,g , H2,g , CH4,g , C02,g, H20,g , HCl,g, HN03,g, H2S04,g. Твердые фазы (56 компонентов): основные их них: H20(cr,I), NaCl-2H20, HALITE, SYLVITE, СаС12-6Н20, MgCl2-6H20, СаС12-2Н20, MgCl2-12H20, Na2S04-10H20, MgS04-6H20, CaS04-2H20, ANHYDRITE, CALCITE, MAGNESITE, NaHC03, Na2C0310H20, DOLOMITE, ARAGONITE, Fe S04-7H20, FeCl2-6H20, S1DERITE, и др.

Программа «FREEZBRINE» работает в различных режимах: «закрытые или открытые системы», «равновесная или фракционная кристаллизация», «промерзание-оттаиванне», «изменение давления», «испарение-конденсация воды». В режиме равновесной кристаллизации при изменении термобарических условий все ранее образованные фазы системы (лед, соли, раствор электролита) могут вновь взаимодействовать между собой. Фракционная кристаллизация - случай, когда мобильная фаза после частичной кристаллизации перемещается в другое место, пространственно отделяясь от ранее отложенных твердых фаз (либо раствор отделен от ранее образованных солей коркой льда, которая мешает им взаимодействовать) т.е. выходит из материального баланса рассола.

Входные данные в программу: исходная общая минерализация и концентрация основных компонентов химического состава водной вытяжки по-рового раствора или пробы криопэга (Na, К, Ca, Mg, Fe, CI, S04, НС03 и др.), полученные на основании химического анализа. Выходные данные включают информацию: содержание воды, ионов и солей в жидкой, твердой и газообразной фазах; плотность и объемы фаз; pH растворов; масса в молях, моляль-ность, химический потенциал и др., которые рассчитаны для определенного интервала и заданного шага по температуре или давлению. Программа не учитывает возможность нахождения в криопэге органических примесей,

сульфатредукцию (продукт жизнедеятельности соответствующих бактерий) и химические реакции, типа восстановление сульфатов с образованием сульфидов и сероводорода. Она не учитывает химическое взаимодействие поро-вого раствора с породой, однако следует иметь в виду, что при низких температурах скорости взаимодействия растворов с минералами вмещающих пород несопоставимо малы по сравнению со скоростями установления водно-солевых и водно-газовых равновесий, а также с замерзанием или оттаиванием растворов, поэтому, на данном этапе развития термодинамической модели, породы полагаются относительно химически инертными.

Равновесный состав системы при температуре Т, давлении Р и заданном валовом химическом составе ищется методом минимизации свободной энергии Гиббса на множестве линейных ограничений в виде системы уравнений баланса масс. Количественные характеристики по основным солям от-калиброваны по данным работы соляной лаборатории АН СССР (К.Э. Гит-терман). В качестве термодинамической базы использовались константы равновесия химических реакций (произведения растворимости, константы диссоциации и гидролиза, растворимости газов), которые были согласованы, частично получены заново и аппроксимированы как функция температуры Ж. Марионом. При верификации также использовались данные по 48 криопэ-гам, полученные JI.H. Крицук и И.Д. Стрелецкой для п-ова Ямал. Кондиционность программы проверена на большом экспериментальном материале.

В третье главе приведены данные об объектах исследования: засоленных дисперсных породах и криопэгах. Закономерности изменения химического состава грунтов экспериментально изучались на образцах пород нарушенного сложения, а образцы пород ненарушенного сложения опробовались при исследовании коэффициента теплопроводности, теплоемкости, температуры начала замерзания и количества незамерзшей воды. По данным гранулометрического состава, грунты представлены легкими и тяжелыми пылева-тыми суглинками, супесями пылеватыми и песчанистыми, песками пылева-тыми (по классификации В.В. Охотина). В химическом составе преобладающими анионами являются хлориды, а для некоторых проб - гидрокарбонаты, катионами - натрий и калий. Исследованные грунты характеризуются различным гранулометрическим и химическим составом, степенью засоленности. Исследуемые засоленные породы относятся к нескольким участкам, расположенным в районах различных месторождений п-ова Ямал (Бованенков-ское, Харасавейское и Южно-Тамбейское).

Основная часть исследованных криопэгов приурочена к западной и юго-западной частям п-ова Ямал. Минерализация исследуемых криопэгов составляет от 5 до 150 г/л, состав хлоридно-натриевый с незначительным количеством сульфатов. Специфика использования программного продукта предполагает разработку методов подготовки данных стандартного химического анализа для ввода в программу: пересчет данных анализа водной вытяжки в концентрацию порового раствора, учет валентности элементов и корректность округления, проверка на электронейтральность.

Четвертая глава посвящена исследованию закономерностей криогенного метаморфизма засоленных пород и криопэгов, в основном, морского типа засоления при изменении термобарических условий, на примере пород п-ова Ямал. Исследованию криогенного метаморфизма криопэгов, химический состав, которых близок к составу морской воды, исследованного К.Э. Гиттерманом, посвящены работы С.М. Фотиева. Им было предложено различать три стадии метаморфизма: 1 стадия — охлаждение в интервале температуры от О °С до -1,8 сС; 2 стадия -концентрирование, интервал температуры от -1,8 °С до -7,4 "С; 3 стадия -десульфатизация, интервал температуры от -7,4 °С до -22,5 "С. Основные граничные значения температуры между тремя выделенными стадиями это температура: начала кристаллизации льда; начала выпадения мирабилита; начала выпадения гидрогалита (ЫаС1-2Н20). Используя данные К.Э. Гиттермана, им также был предложен графо-аналитический метод определения температуры замерзания по иону хлора. Однако даже ионный состав морской воды, может ощутимо меняться, а для поровых растворов и криопэгов, он может существенно отличатся присутствием: карбонатов, бикарбонатов, солей железа и т.д. В работах Волкова Н.Г. и Комарова И.А., была предложена методика оценки температуры формирования ионно-

солевого состава

криопэгов морского генезиса не по иону хлора, а по кривой десульфатизации рассола, т.е.

температурной зависимости концентрации сульфат-иона, как более информативного компонента. Она

позволяет на основании химического анализа пробы конкретного криопэга, с помощью моделирования восстановить величину минимального значения температуры, при которой произошло формирование ионно-солевого состава криопэга. Причем для корректного определения этой температуры не обязательно знать исходный состав морской воды, из которой сформировался криопэг.

Специфика сценария (стадийности) реализации процесса криометаморфизма поровых растворов и криопэгов зависит от величины исходной минерализации и водно-ионного состава. При анализе данных с

щ М. г л

° О -10 -20 -30

Рис. 1 Кривые десульфатизации для криопэгов разной минерализации на лайдах (цветом указана степень минерализации М).

использованием программного продукта представлялось целесообразным использовать температурную зависимость изменения содержания сульфат-иона. Полученные результаты показывают, что, в основном, качественный характер кривой десульфатизации для всех изученных нами криопэгов имеет вид, близкий к таковому для морской воды, однако отличающийся количественно (рис. 1). Выделенная 1 стадия охлаждения криопэгов, характеризуется, соответственно, более низким значением температуры начала замерзания (от 0°С до -4...-6,6°С), что связано с большими значениями минерализации рассолов криопэгов (до 150 г/л). Кривая десульфатизации для 2-ой стадии, в целом, близка к ее виду для морской воды. Различие состоит в том, что для криопэгов, находящихся в СТС (сезонно-талом слое) эта стадия выделяется в диапазоне температур от -4,5°С до -7,5°С, а ниже СТС, но в слое годовых амплитуд - от -5,0°С до -14,0°С. Ниже слоя годовых амплитуд в исходном составе криопэгов сульфат-ион уже отсутствует. Вероятно, эти криопэги сформировались при низких отрицательных температурах, в конце стадии их десульфатизации. В ряде случаев фиксируется выпадение СаС03, в отличие от морской воды, в которой его содержание крайне низко. При наличии достаточного количества карбонатов возможно образование доломита CaMg(C03)2. На 3 стадии - десульфатизации (от -7,4°С до -25,0°С) на фоне постепенного промерзания криопэга и уменьшения содержания сульфат - иона, за счет образования мирабилита, происходит увеличение концентрации ионов СГ, Na++K~ и Mg+ и общей минерализации. Даже незначительное содержание бикарбонатов (< 1 %) в рассоле криопэгов, существенно деформирует температурную кривую десульфатизации, что позволяет выделить несколько подстадий, характеризующихся выпадением гипса. Завершение третьей стадии обусловлено началом выпадения гидрогалита (NaCl-2H20). Выделенная 4-ая стадия, сопровождается ростом концентрации сульфат — иона, а также возможным выпадением гипса (CaS04'2H20) и магнезита

(MgC03).

В слое годовых амплитуд засоленность пород имеет более низкие значения (до 0,05%), чем у расположенных глубже 10 м (от 0,1% до 1,2%), обусловленное их протаиванием и частичным разбавлением поверхностными водами. Преобладающий состав поровых растворов до 5 м - карбонатно-хлоридный натриевый, а в интервале глубин 5 м до 10 м - хлоридно-карбонатный натриевый. На глубинах от 10 до 150 метров засоленность пород достигает величины 1,2%. Состав преимущественно хлоридно-натриевый. Это обуславливает различие в сценариях криометаморфизма для двух выделенных групп пород. Специфика процесса для диапазона до 10-12 м, который включает слой годовых амплитуд, связана с выпадением гипса при достаточно высоких отрицательных температурах. Стадия десульфатизации наступает одновременно с выпадением гипса CaS04-2H20 (а не мирабилита, как это характерно для морской воды и криопэгов). При степени засоленности выше 0,1% криометаморфизм поровой влаги засоленных пород бли-

w

g.

-10

-30

-S04-2

■CaS04-2H20

-Na2S04 ЮН20

-Ca+2

T,°C

зок к таковому для криопэгов: также выделяется 4-ая стадия, а 3-я стадия делится на несколько подстадий (рис. 2). В отличие от криопэгов, в поровой влаге засоленных пород не образуется доломит и кальцит. Вероятно, это связано с низким содержанием карбонатов в засоленных породах.

Максимальная минерализация исследованных криопэгов и норовых растворов засоленных пород п-ова Ямал достигала 150 г/л. Для исследования процесса криометаморфизма большой интерес представляет рассмотрение случая крайне больших концентраций (до 350 г/л), когда промерзание не происходит. Такие концентрации характерны, например, для солончаков оазиса Эхийн-Гол (Монголия) с минерализацией от 36 до 350 г/л, расположенных на глубине от 0,02 до 0,85 м. В силу аридного характера климата и низких отрицательных температур воздуха в зимний период (до -30°С), в верхних горизонтах может происходить интенсивный процесс криогенного концентрирования растворов Рис. 2 Изменение содержания анионов, ка- солончаков. Отличительной тионов и солей от температуры в образцах чертой химического состава суглинка (39-40 м) солончаков является ощути-

мое содержание сульфатов и высокое содержание гипса. Использовались экспериментальные данные по химическому составу, полученные Е.И. Панковой [3, 6].

По характеру реализации процесса криометаморфизма солончаки предложено разделить на 2 группы. При высоких концентрациях рассола (297-350 г/л) промерзание не происходит, тем не менее, процесс криогенного метаморфизма также реализуется за счет перераспределения жидкой и твердых фаз, кристаллизации солей гидрогалита и мирабилита (рис. 3).

-10

-20

-?0

Т, °С

Другая группа представлена менее минерализованными рассолами

(36-222 г/л). Температура начала замерзания совпадает с температурой выпадения мирабилита и колеблется в пределах -2 -7°С. Характер кривой десульфати-зации близок к таковой для криопэгов морского типа засоления, с проявлением 4ой стадии. В пробах этого типа может кристаллизоваться доломит, кальцит и гипс.

Результаты, полученные в третьей главе, отражают первое защищаемое положение.

В пятой II шестой главах предложена методика прогноза изменения температуры начала замерзания, фазового состава, плотности и рН, теплофи-зических свойств криопэгов и поровых растворов засоленных пород для двух случаев. Первый - когда имеется информация о водно- ионном составе пробы и - программный продукт, для оценки характеристик предлагается расчет по программе. Второй - когда имеется информация только об общей минерализации пробы, или программный продукт отсутствует, то для оценки характеристик предлагаются приближенные инженерные расчетные соотношения, которые могут быть использованы как научные рекомендации для создания региональных нормативных и отраслевых документов [4].

Для оценки зависимости температуры начала замерзания от обшей минерализации для криопэгов использовалась степенная форма зависимости от величины минерализации (аналогично тому, как это делается для морской воды):

Ты = -10"3-(Х-М + 0,04' М2), 5 < М < 150 (1)

где X - коэффициент, зависящий от расположения криопэга: X = 50,0 для лайды; X =55,8 для поймы; Х= 58,9 для морских террас.

Статистическая обработка показала, что данные при разделении по принципу лайды-террасы-поймы, укладываются в доверительный интервал

к

и

а

п

к

и

4

И Й

-10

-20

-30

10Н20

N<101-2Н20

-а-

-М2+:

т.-с

■и л

я е

в °< |

гГ П

-Мгьзв^е

-СаЗСЦ-2Н20 -804-2

-нее».

-он-:

-Мшие

0

-10

-20

-30 Т.Г'С

Рис. 3. Изменение состава почвенных растворов солончаков при промерзании. Группа I, тип 1.

х±.ч. В области значений минерализации около 35 г/л температура начала замерзания для криопэгов, расположенных на лайдах, близка к таковой для морской воды. Кривая фазового состава влаги для криопэгов имеет качественный характер, близкий к таковому для морской воды (рис. 4), однако количественные показатели естественно меняются. Результаты моделирования позволяют оценить абсолютные значения содержания жидкой и твердой фаз в криопэге, учитывая долю возможного содержания жидкой фазы в образующемся льду за счет захвата солей. При понижении температуры от точки начала замерзания количество льда увеличивается, а в растворе образуются минералы мирабилита, кальцита, и др. Однако для практических целей

целесообразно учитывать только влияние выпадения (ЫаС1-2Н20) при температурах -22...-23°С. Для двух характерных диапазонов температурной кривой изменения фазового состава предложены расчетные формулы, аппроксимированные степенной и логарифмической зависимостями при условии «сшивки» уравнений при температуре -22,5 °С, которая получена статистической обработкой расчетов для разных минерализаций и химического состава криопэгов. Можно использовать аппроксимирующие соотношения, которые имеют вид:

Рис. 4 Зависимость изменения количества незамерзшей воды от температуры для ктюпэгов на лайдах п-ова Ямал

\У№(Т) = \¥10,н2О = КЮ-Кт-;

IV -IV

22.5 =(/ + 22,5

IV...

г^-КС-п.

№.....

ехр[ЧЧ

;г + 22,5

-22,5 Г+ 22,5

0>Т>Тьг Ты > Т>-22,5 5 < М <150

) + £■] , Т<-22,5 5 < М <150

(2)

(3)

(4)

' « Г=-22,5

где \¥101 то - влажность растворителя, \¥*(Т), и \\'„т=_22,5 - со-

держание незамерзшей воды при текущей температуре, температуре начала замерзания и температуре -22,5°С соответственно, Ты - температура начала замерзания криопэга, N1, Е - коэффициенты, которые определяются расположением (лайды, террасы, поймы) и степенью минерализации криопэга, количественные характеристики приведены в работе.

Значения плотности криопэгов растут с увеличением их минерализации, мало зависит от температуры и от того, где он расположен. Для расчета плотности криопэгов р (г/см3), которая растет с увеличением минерализации

М (г/л) и незначительно - с понижением температуры Т (°С), и предлагается соотношение:

р„, =1+10"3[28,15+ (0,8 - 0,002- Т) -(М - 35)]; 0 >Т > Ты, 5>М>150; (5) где Т — температура криопэга, °С; М - минерализация криопэга, г/л.

Сопоставление натурных данных по величине рН и рассчитанных с помощью программного продукта, показало их удовлетворительную сходимость (ошибка не превышает 16%), при этом соблюдается и качественное соответствие между показателями щелочная - кислотная среда.

Предложена методика прогноза температуры начала замерзания, фазового состава влаги и теплофизических свойств засоленных пород п-ова Ямал. Соотношения разработаны с учетом идеологии и формы представления их в приложении Б «Физические и теплофизические характеристики мерзлых грунтов» (разработчик И.А. Комаров) в СП 25.13330.2012 «Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах» (актуализированная редакция СНиП 2.02.04-88). Расчетное соотношение для определения температуры начала замерзания имеет вид:

Ты=А- ВС? •Ср,(Ои|,\У1м)+40(СРЛоя1^1о1)) (6)

где коэффициент А определяет температуру начала замерзания незасолен-ных пород различного гранулометрического состава, В — коэффициент, зависящий от типа засоления (морской или континентальный), для исследованных пород В=1; 4* - эмпирический коэффициент, зависящий от гранулометрического состава пород, который составляет для песков Ч^О, для супесей >Р=42, для суглинистых пород *Р=50.

Погрешность определения температуры начала замерзания по формуле (6) составляет менее 13%. При сопоставлении экспериментальных данных для отмытого песка крупных фракций с расчетными, полученными с помощью программного продукта, погрешность - менее 8%.

Величина содержания незамерзшей воды может оцениваться как аддитивная величина, суммирующая влияние поверхностных сил грунта, концентрации и типа ионного состава порового раствора. Расчетное соотношение для оценки количества незамерзшей воды по СП 25.13330.2012 имеет вид:

+/?0„ (7)

где \УР - влажность грунта на границе пластичности (раскатывания), — степень засоленности грунта, д.е., г|, к«, - коэффициенты, которые зависят от гранулометрического состава и числа пластичности, значения которых приведены в работе.

Сопоставление экспериментальных данных по (0 для засоленных непылеватых песков крупных фракций (влиянием первого слагаемого правой части уравнения 7 можно пренебречь) с рассчитанными по программе «РКЕЕгЕВШЫЕ» показало, что ошибка не превышает 5%.

Величины коэффициента теплопроводности в СП 25.13330.2012 задаются в виде таблицы в зависимости от общей влажности, плотности скелета ро и степени засоленности. В работе для расчета коэффициента теплопро-

водности в зависимости от указанных параметров, был использован регрессионный анализ. Расчетное соотношение имеет вид:

X = А-У/м+В-р0+С-Ои|+К (8)

где А, В, С, К - коэффициенты, зависящие от гранулометрического состава, характеризующие конкретный исследованный участок (приведены в работе).

Погрешность значений теплопроводности, рассчитанных по формуле (8), с экспериментальными данными не превышает 15%, что сопоставимо с погрешностью определения стационарным методом плоского штампа.

Теплоемкость породы, как показывают многочисленные результаты сопоставления с экспериментальными данными, с удовлетворительной погрешностью может рассчитываться как сумма теплоемкостей ее компонентов, пропорционально их весовой (удельная теплоемкость) или объемной (объемная теплоемкость) доле, т. е. как величина аддитивная, что и реализовано в СП.25.13330.2012. При расчетах теплоемкость незамерзшей воды обычно принимают равной теплоемкости воды (Н20) в объеме. Для засоленных пород удельную теплоемкость порового раствора, С„ , Дж/(кг хК) предлагается рассчитывать в виде:

С„, (Т,М) = 4210 |Т I"005- 4,55М , 0> Т > Тьг (9)

где М - минерализация, г/л, Т - температура, °С.

Как видно из соотношения (9) величина С«, (Т, М) существенно зависит от температуры и незначительно от степени минерализации. Величина объемной теплоемкости будет определяться как произведение величины С„ (Т, М), полученной по уравнению (9) на плотность раствора рл, которая рассчитана по соотношению (5).

Таким образом, в работе предложены: методика прогноза температуры начала замерзания, содержания твердой и жидкой фаз, плотности, рН и теплофизических свойств засоленных пород и криопэгов п-ова Ямал, разработанная на основе результатов термодинамического моделирования с использованием данных о химическом составе проб и водных вытяжек порового раствора; экспресс-методики для оценки этих характеристик, которые могут быть использованы как научные рекомендации для разработки региональных и отраслевых нормативных документов.

Результаты, полученные в пятой и шестой главах, отражают второе и третье защищаемые положения.

В приложении 1 в табличной форме даны результаты обработки исходных данных по химическому составу водных вытяжек криопэгов п-ова Ямал и поровых растворов засоленных пород для использования в программе РНЕЕгЕВМЫЕ. Обработка включала пересчет данных по формуле Курлова, подготовку для ввода в программу и проверку на электронейтральность.

В приложении 2 в графической форме даны результаты термодинамического моделирования изменения химического и фазового состава криопэгов п-ова Ямал и поровых растворов засоленных пород в процессе криогенного метаморфизма. На графиках представлены зависимости изменения: концентрации основных катионов (Ыа+, Са+, Мд+);

анионов (CI", S042", НС03); солей (NaCl-2H20, Na2S04-10H20, CaS04-2H20 и т.д.) и фазового состав от температуры.

Приложения 3 и 4 содержат результаты сопоставления экспериментальных и расчетных (полученных с помощью программного продукта и СП 25.13330.2012) данных по содержанию незамерзшей воды и по температуре начала замерзания соответственно для пород различного гранулометрического состава. Результат сопоставления для нескольких месторождений п-ова Ямал дан как в графическом, так и в табличном виде.

Результаты статистической обработки данных по теплопроводности засоленных пород п-ова Ямал представлены в Приложении 5.

В Приложении 6 приведена методика работы с программой FREEZEBRINE.

Выводы

1. Засоленные породы и криопэги широко распространены на территории п-ова Ямал. Для них характерен морской тип засоления. Засоленность пород колеблется в пределах от 0,05 до 1,2%. Минерализация криопэгов -меняется от 6 до 150 г/л, состав хлоридно-натриевый с незначительным количеством сульфатов. Исследуемые криопэги вскрыты на глубинах от 2 до 12 м.

2. Экспериментальное исследование температуры начала замерзания, фазового состава влаги и теплофизических свойств пород нарушенного и ненарушенного сложения осуществлялось в лаборатории ОАО «Криос» на аппаратурной базе, разработанной в институте ИПИПРЭ Национальной Академии Наук Белоруссии (г. Минск).

Для определения коэффициента теплопроводности использовался метод пластины с коррекцией по эталонным телам как метод, дающий наименьшую погрешность, позволяющий надежно определять коэффициент в области фазовых переходов, что важно для засоленных пород. Адиабатический калориметр с непрерывным подводом тепла позволяет определять удельную теплоемкость скелета породы одновременно с изучением фазового состава влаги. Данный калориметр отличается сравнительно большим калориметрическим стаканом, что позволяет исследовать представительные образцы пород. Принцип работы установки для определения температуры начала замерзания основан на регистрации динамики изменения температуры исследуемого образца в ходе его охлаждения (криоскопический метод). Переохлаждение воды в ходе замерзания сводится к минимуму за счет применения в данной установке инициаторов кристаллизации. Для определения химического состава влаги в засоленных породах использовались стандартизованные методы работы с водной вытяжкой.

3. Натурные определения химического состава водных вытяжек засоленных пород и проб криопэгов носят, как правило, фрагментарный (одномоментный) характер. Это обуславливают целесообразность применения для исследования выявления закономерностей и прогноза изменения их фазо-

вого и химического состава в зависимости от термобарических условий, современных методов термодинамического моделирования.

Предложенная методика, включающая адаптированный и откалибро-ванный программный продукт, способы обработки результатов исходных стандартных химических анализов проб и затем полученной информации, является целиком оригинальной, не имея аналогов в зарубежной и отечественной практике и позволяя наиболее полно и адекватно, на сегодняшний день, отразить характер, протекающих в поровых растворах засоленных пород и криопэгах , процессов криогенного метаморфизма. Методика проверена на большом экспериментальном материале.

4. Существующие взгляды о процессах изменения фазового и химического состава поровых растворов и криопэгов в диапазоне отрицательных температур основаны на представлениях о закономерностях криогенного метаморфизма морской воды, для которого характерна трех стадийность процесса. Однако большие степени их засоленности за счет криогенного концентрирования и более разнообразный водно-ионный состав приводят к различным сценариям реализации процесса: стадийности; выпадению солей кальцита, гипса, доломита магнезита; смещению температуры начала кристаллизации солей.

Для криопэгов п-ова Ямал характерно наличие 4-ой стадии процесса, которая обусловлена выпадением гидрогалита при температуре около -21-23°С, сопровождающимся ростом концентрации сульфат-иона, а также возможным выпадением гипса и магнезита. Даже незначительное содержание бикарбонатов в рассоле криопэгов расположенных на поймах, морских террасах существенно деформирует температурную кривую десульфатизации на 3-ей стадии процесса, позволяя выделить несколько возможных подстадий, характеризующихся выпадением кальцита и гипса.

5. Процесс криометаморфизма поровых растворов засоленных пород зависит от степени засоленности и соответственно от концентрации порового раствора: при степени засоленности выше 0,1% сценарий криометаморфизма качественно аналогичен таковому для криопэгов; при степени засоленности < 0,1% - характеризуется в ряде случаев выпадением гипса, а не мирабилита; с концентрацией от от 40 г/л до 150 г/л качественный характер процесса протекает аналогично таковому для криопэгов, а количественно - со смещением температуры эвтектик гидрогалита, мирабилита, гипса по абсолютной величине. При больших концентрациях рассола 300 -350 г/л характерных для вод солончаков, промерзание не происходит, тем не менее , процесс криогенного метаморфизма также реализуется за счет перераспределения жидкой и твердых фаз, криссталлизации солей гидрогалита и мирабилита.

6. Предложена методика прогноза изменения температуры начала замерзания, фазового состава, плотности и рН, теплофизических свойств криопэгов для двух случаев. Первый - когда имеется информация о водно- ионном составе пробы и программный продукт. Для оценки характеристик предлагается расчет по программе. Второй - когда имеется информация об общей ми-

нерализации пробы, а программный продукт отсутствует, тогда для нахождения соответствующих характеристик предлагаются приближенные расчетные соотношения, которые могут быть использованы как научные рекомендации для создания соответствующей нормативной базы.

Для оценки зависимости температуры начала замерзания от общей минерализации для криопэгов, расположенных на различных геоморфологических уровнях, использовалась формула Крюммеля для морской воды с соответствующей коррекцией значений коэффициентов, полученных с помощью статистической обработки при разделении по принципу лайды-террасы-поймы. Кривая фазового состава влаги для криопэгов имеет качественный характер, близкий к таковому для морской воды, однако количественные показатели естественно меняются. Для двух характерных диапазонов температурной кривой изменения фазового состава предложены расчетные формулы, аппроксимированные степенной и логарифмической зависимостями при условии «сшивки» уравнений при температуре -22,5 "С, которая характеризует точку выпадения гидрогаллита (NaCl -2Н20), полученную статистической обработкой расчетов для разных минерализаций и химического состава криопэгов. Значения плотности криопэгов растут с увеличением их минерализации, мало завися от температуры и геоморфологического уровня. Предложено расчетное соотношение для оценки плотности при концентрациях от 5 до 150 г/л. Сопоставление натурных данных по величине рН и рассчитанных с помощью программного продукта, показало их удовлетворительную сходимость (ошибка не превышает 16%), при этом соблюдается и качественное соответствие между показателями щелочная -кислотная среда. Предложены расчетные соотношения для оценки теплоемкости и коэффициента теплопроводности криопэгов, учитывающие зависимость от температуры, общей минерализации и водно-ионного состава

7. Для засоленных пород предложена методика прогноза изменения температуры начала замерзания, фазового состава, и теплофизических свойств для двух случаев, указанных в п. 6. Предложенные соотношения разработаны с учетом идеологии и формы представления их в СП 25.13330.2012. При сопоставлении экспериментальных данных по температуре начала замерзания с расчетными, полученными с помощью программного продукта, погрешность составляет менее 8%, а с нормативными по СП 25.13330.2012 - 15%. Сопоставление экспериментальных данных по фазовому составу с расчетными, полученными с помощью программного продукта, показало, что ошибка не превышает 5% для всего спектра исследованных проб водных вытяжек. Для практических целей предложена расчетная формула.

Величины коэффициента теплопроводности в СП 25.13330.2012 задаются в виде таблицы в зависимости от общей влажности, плотности скелета и степени засоленности. Для расчета коэффициента теплопроводности в зависимости от тех же параметров был использован регрессионный анализ, позволяющий получить соотношение в виде аналитической зависимости. По-

грешность расчета для пород исследованных участков территории п-ов Ямал составляет для песков 16%, для суглинков 14%, для супесей 19%. Расчетную оценку величины удельной теплоемкости засоленных пород предложено проводить с помощью, обычно используемого аддитивного соотношения, учитывающего удельные теплоемкости компонентов породы и их массовое содержание, однако с учетом температурной зависимости компонентов и степени засоленности порового раствора.

8. Проведенпые исследования и предложенные расчетные формулы позволяют сформулировать методические рекомендации для разработки региональных и отраслевых нормативных документов применительно к засоленным породам и криопэгам п-ова Ямал. В настоящее время такие документы отсутствуют.

Список публикаций по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Комаров И.А., Мироненко М.В., Кияшко Н.В. Совершенствовашге нормативной базы по расчетной оценке теплофизических свойств засоленных пород и криопэгов // Основания, фундаменты и механика грунтов - М • 2012-№2.-С. 25-30

2. Кияшко Н.В. Расчетные соотношения для оценки температуры начала замерзания и количества незамерзшей воды для засоленных пород нефтегазовых месторождений п-ова Ямал// Перспективы науки - Тамбов • 2013 -№9 -С.7-10

3. Кияшко Н.В., Комаров И.А., Голованов Д.Л. Криометаморфизм почвенных растворов и формирование солевого профиля солончаков Монголии (по результатам моделирования) // Вестник МГУ. Сер. 17. Почвоведение - М • 2014-№5.-С. 530-536

Публикации в других научных изданиях:

4. I.A. Komarov, N.V.Kiyashko. Method for Estimating Properties of Cryopegs from the Yamal Peninsula. Tenth InternationalConference on Permafrost Vol. 2: Salekhard, Russia, 169-174 p.

5. Кияшко H.B., Комаров И.А. О некоторых закономерностях криогенного метаморфизма криопэгов п-ова Ямал // Труды Всероссийской конференции с участием иностранных ученых «Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами», Томск, 2012 с.451-454

6. N.V. Kiyashko, I.A. Komarov, D.L. Golovanov. Cryogenic Transformation of Soil Solutions and the Formation of Salt Profiles in Solonchaks of Mongolia: Modeling Results and Interpretation. 20th World Congress of Soil Sciences in Jeiu Korea 2014

Подписано в печать:

17.09.2014

Заказ № 10230 Тираж - 150 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru