Прогноз температурного и водно-ионного режима засоленных мерзлых пород и криопэгов: На примере п-ова Ямал

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

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

Цель и задачи исследования

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Научная новизна работы определяется следующими результатами:

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

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

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

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

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

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

Апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 11 работ на Международных и Всероссийских конференциях и совещаниях, в частности: 2 статьи в журнале «Криосфера Земли» (2003, 2005) — 3 доклада на Международных конференциях геокриологов (Пущино, 2002, 2003, Тюмень 2004) — 3 статьи в трудах 3-ей конференции геокриологов России (Москва, 2005) — 1 статья в сборнике трудов «Теоретические и практические проблемы геотехники» (Санкт-Петербург, 2005) — 1 доклад на 2-ой европейской конференции по вечной мерзлоте (Германия, Потсдам, 2005) — 1 доклад на научно-практическом семинаре «Мерзлые засоленные грунты в строительстве» (Тюмень, 2005).

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

выводы.

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

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

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

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

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

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

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

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

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