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

Актуальность исследований. Тематика работы направлена на решение одной из фундаментальных проблем геокриологии - выявления закономерностей криогенного метаморфизма поровых растворов пород и криопэгов морского типа засоления, в процессе изменения
термобарических условий, включая промерзание-оттаивание. Выявление этих закономерностей
позволит глубже понять природу и механизм преобразования фазового и химического состава
этих рассолов, причем не только на качественном, но и на количественном уровне. Физическая
картина процесса промерзания засоленных дисперсных пород сложна. Процесс образования
кристаллов порового льда сопровождается вытеснением ионов растворенных солей в пленки
незамерзшей воды, что приводит к увеличению концентраций ионов в поровом растворе, а при
относительно невысоких скоростях промерзания возможен и захват ионов растущими кристаллами льда; миграцией воды и ионов за счет концентрационной диффузии и осмоса; кристаллизацией солей с образованием минералов - мирабилита, гидрогалита и др.; адсорбцией порового раствора на минеральной поверхности пород; ионным обменом и химическими реакциями.
Под криогенным метаморфизмом природных вод мы 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 концен-
трированием. Процесс криогенного концентрирования может приводить к образованию линз
высокоминерализованных отрицательно-температурных подземных вод – криопэгов.
Термин «криопэг» имеет в литературе неоднозначное толкование. Наиболее употреби-
тельным является, введенное Н.И. Толстихиным определение: «..Криопэги (криогалинные во-
ды) – природные соленые воды с отрицательными температурами». В такой трактовке этот
термин рассматривается нами.
Сложности и многообразие химического состава природных засоленных растворов,
крайне затрудняет экспериментальное исследование процессов криогенного метаморфизма при
различных термобарических условиях. Так в лабораторных условиях подробно исследован это
процесс только для морской воды. Натурные определения химического состава водных вытя-
жек и проб криопэгов носят, как правило, единичный (за сезон) и фрагментарный характер. Это
обуславливают целесообразность применения для исследования и прогноза изменения величин
соответствующих характеристик других методов, в первую очередь, современных методов термодинамического моделирования. Использованная методика и программный продукт, адапти-
рованный 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 химическо-
го состава. Они не имеет аналогов в зарубежной и отечественной практике.
Выявление закономерностей криогенного метаморфизма позволяет разработать, более
обоснованные, методики проведения прогнозных и эпигнозных (палеореконструкции) оценок
температурного и водно-ионного режима засоленных пород, определяющего состояние и
эволюцию ряда районов криолитозоны России (зоны шельфа северных морей, приморские
низменности), которые в настоящее время интенсивно осваиваются, в первую очередь, как га-
зо- и нефтеносные районы (п-ов Ямал, шельф Северных морей и т.д.). Для реализации таких
моделей необходима информация по температуре начала замерзания засоленных пород и крио-
пэгов, температурной зависимости содержания незамершей воды и льда, теплофизических
свойств, плотности, рН. Несомненна и практическая значимость работы, связанная с возможно-
стью оценки устойчивости оснований инженерных сооружений, возводимых на засоленных
грунтах, которые могут вмещать криопэги. В частности, при воздействии минерализованных
вод на мерзлый грунт происходит растворение содержащегося в нем льда, вследствие чего
мерзлый грунт переходит в охлажденное состояние. По этой причине криопэги представляют
большую опасность для свайных фундаментов, возводимых в области распространения много-
летнемерзлых грунтов, поскольку в дальнейшем может произойти потеря несущей способно-
сти опор. 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 по-
верхностного стока, аварийные утечки, – все это приводит к таким нежелательным явлениям,
как образование техногенных надмерзлотных таликов, развитие осадки грунтов, потеря несу-
щей способности свай и других деформаций фундаментов, повышенная коррозии металлов
подземных коммуникаций и т.д.
Цель и задачи исследования. Выявление закономерностей и разработка методики про-
гноза 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 пова 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 хими-
ческому составу водных вытяжек и проб криопэгов для реализации термодинамического моде-
лирования;
5. Выявить особенности криогенного метаморфизма поровых растворов засоленных
пород и криопэгов п-ова Ямал;
6. Разработать методику прогноза температуры начала замерзания, содержания не-
замерзшей воды, теплоемкости и коэффициента теплопроводности для криопэгов и засолен-
ных пород и провести сопоставление с экспериментальными данными;
7. Выработать научные рекомендации для создания региональных (п-ов Ямал) или от-
раслевых нормативных документов для оценки температуры начала замерзания, фазовому со-
ставу и теплофизическим свойствам засоленных пород.