Изучение многолетнемерзлых газонасыщенных пород

Мерзлые грунты занимают важное место в хозяйственной деятельности в первую очередь арктических территорий, где они являются грунтами оснований фундаментов сооружений. Происходящее в настоящее время изменение климата, которое вызывает постепенное повышение температуры грунтов геокриолитозоны, приводит к закономерному изменению ее состояния и строения. В результате этих явлений происходит активизация экзогенных геологических процессов , влияющих на безопасность инженерных сооружений в криолитозоне, многие из которых могут иметь негативные, а в ряде случаев и катастрофические последствия. Среди таких опасных геокриологических процессов можно отметить взрывные, примером которого служит Ямальский кратер.

 В результате изменения геокриологических условий меняется внутреннее строение мерзлых грунтов, что закономерно приводит к изменению их свойств. Результаты исследований должны давать не только полную объективную характеристику их свойств, но и прогноз их возможных изменений в результате действий различных факторов. В связи с этим на фоне меняющихся климатических условий возрастают требования к качеству исследований мерзлых грунтов.Внешний облик (геокриологические процессы) определяется внутренним строением грунта(структура и свойства грунта), особенности которого нужно учитывать.

Грунты как многокомпонентные системы состоят из твердой, жидкой и газообразной компонент, а также биотической (живой) составляющей. Их объемное содержание в разных грунтах может быть различным, а соотношение определенным образом влияет на изменение их свойств.

До 50-х годов считалось, что мерзлота непроницаема для газа, низкие температуры подавляют активность живого вещества и поэтому накопление газа в криолитозоне невозможно. С середины 50-х годов прошлого века началось интенсивное освоение нефтегазовых месторождений на севере Арктики. При бурении скважин в толще мёрзлых пород отмечались многочисленные газопроявления, оказывающие неблагоприятное воздействие на проведение буровых работ, выражающиеся в выбросе бурового инструмента и шлама, промывочной жидкости и т. д. Было установлено, что в мерзлых породах могут формироваться локальные газонасыщенные зоны. С этого времени началось накопление информации о газонасыщенных мерзлых породах для предотвращения осложнений при бурении скважин.

В настоящее время помимо опробования и полевых наблюдений, перспективным направлением при изучении зон накопления газов в многолетнемерзлых породах является использование геофизических методов, поскольку они позволяют определить местоположение, границы и морфологию этих образований. Разработан комплекс методов, позволяющих успешно решать данные задачи. Наиболее распространённым методом является вертикальное сейсмоакустическое профилирование, которое позволяет выделять и четко фиксировать газонасыщенные породы. Одним из наиболее актуальных направлений для решения геокриологических задач на глубинах 10-1000 м, а также частотных зондирований на глубинах 1-20 м. является электромагнитное зондирование. В настоящее время полевые инженерно-геологические исследования мерзлых грунтов не всегда могут дать полную оценку состояния и свойств грунтов, и в первую очередь это касается изменения свойств мерзлых грунтов в результате температурного воздействия. 

Газы в любом состоянии оказывают влияние на различные свойства грунтов. Поскольку физические характеристики газов резко отличны от аналогичных параметров твердой и жидкой части грунта, то наиболее существенно от газосодержания зависят физические характеристики грунтов — их плотность, теплофизические параметры (теплоемкость, теплопроводность и др.), проницаемость, а также физико-механические свойства. Имеющиеся результаты лабораторных исследований показывают, что именно наличие газовых включений в мерзлых грунтах и их миграция оказывает существенное влияние на изменение свойств грунтов при нарушении условий их естественного залегания в результате температурного воздействия и действия нагрузок при том, что в целом сам грунт остается в мерзлом агрегатном состоянии. При этом, чем больше газов в грунте, тем более различаются их свойства.

Для получения достоверных данных с возможностью дальнейшего прогнозирования изменения свойств грунтов необходимо получать характеристики механических свойств и изменения структуры мерзлых грунтов. Такой подход, реализуемый в лабораторных условиях, позволит создать и проработать множество сценариев с учетом изменяющихся нагрузок и температур для отдельной территории. Это в свою очередь позволит разработать методики наблюдения - фонового мониторинга за состоянием многолетнемерзлых пород, оценить устойчивость объектов инфраструктуры и возможные риски.

В качестве дополнительных исследований предпочтение стоит отдать прямым методам, которые позволяют давать не расчётную характеристику грунта. Такими методами для изучения прочностных свойств мерзлых грунтов в настоящее время являются опытно-экспериментальные исследования методом трехосного сжатия и одноплоскостного среза в условиях изменения температурного режима и внешних нагрузок. Изучение структуры грунта на всех этапах воздействий позволяет уточнить полученные данные о механических свойствах. Структура образца изучается путем фотографирования высокого разрешения и детальной обработки снимков с повышением их контрастности, а также методом рентгеновской компьютерной томографии с применением ячейки, сохраняющей нужную температуру. Пошаговые методики данных подходов описаны в работах Скворцовой Е.Б., Карпенко Ф.С., Хименкова А.Н. и др.

Результаты исследований мерзлых газонасыщенных грунтов позволяют рассмотреть изменение их структуры под действием температуры, нагрузок и миграции газов (рис.1, 2), выявить основные тенденции в изменении прочностных свойств. Данные показывают, что в результате газовыделения, при росте температуры под действием сжимающих нагрузок происходит увеличение плотности и степени водо-(льдо)насыщения и снижение пористости грунтов. Изменение строения грунтов, в свою очередь, вызывает закономерное изменение их прочностных свойств. Это в свою очередь может выражаться в просадках поверхности или оснований сооружений.

Вышеназванные исследования должны проводиться в условиях нагрузок и температур, соответствующих районированию территории, типизации объектов инфраструктуры (основные типы инженерных сооружений и характеристика воздействия, характера и величины нагрузок на грунты оснований от них) и прогноза изменения состояния криолитозоны. Проведение таких исследований должно в конечном итоге позволить повысить безопасность строительства и эксплуатации инженерных объектов и сооружений в геокриолитозоне и стать основой их адаптации к изменению ее состояния.

Трехмерная модель цилиндрического образца суглинка со срезом вкрест напластования (-3 град.): а) в исходном состоянии; б) после деформации; в) после среза .

Автор: Дернова Е.О.

Список литературы

1. Брушков А.В., Власов А.Н., Волков-Богородский Д.Б., Гагарин В.Е.и др. Геосистемы газонасыщеннных многолетнемёрзлых пород. М., Геоинфо. 2021 г. 288 стр.

2. Карпенко Ф. С., Кутергин В. Н., Котов П. И., Собин Р. В. Исследования динамики выделения газа из мерзлых грунтов при изменении температуры и давления. Основания, фундаменты и механика грунтов. 2020. № 4. С. 15-20

3. Скворцова Е. Б., Шеин Е. В.,  Романенко К. А.,  Абросимов К. Н. Формирование пузырьковых пор в агрегатах из элювиального горизонта дерново-подзолистой почвы// Почвоведение. 2020. № 7. с. 840–849.

4. Трофимов В.Т., Королев В.А., Вознесенский Е.А.и др. под ред. В.Т. Трофимова. Грунтоведение/— 6-е изд., переработ. и доп. — М.: Изд-во МГУ, 2005. — 1024 с.

5. Хименков А.Н., Кошурников А.В., Соболев П.А. Лабораторное моделирование фильтрации газа в многолетнемёрзлых породах // Арктика и Антарктика.2019.№ 4. DOI: 10.7256/2453-8922.2019.4.30997

6. Чувилин Е.М., Перлова Е.В. Формы нахождения и условия формирования газовой компоненты мерзлых пород. Вестн. Моск. Ун-та. сер. 4. Геология. 1999. № 5. C. 55–57.

7. Чувилин Е.М., Перлова Е.В., Дубиняк Д.В. Экспериментальное моделирование условий существования газовых гидратов в морских отложениях п-ова Ямал. В сб. Материалы Второй конференции геокриологов России, т. 1. М. 2001. с. 169-173.

8. Pinkert S., Grozic J.L.H. Prediction of the mechanical response of hydrate bearing sands. J. of Geophys. Res.: Solid Earth. 2014. 119. Pp.4695-4707

9. Sergeev D., Khimenkov A., Tipenko G., Vlasov A., Cauquil E., Green E., Dauboin P., Stanilovskaya J., Mnushkin M.  Yamal Craters: State of Knowledge and Wished In-situ Investigations. XI. International Conference on Permafrost 20 – 24 June 2016. Potsdam. Germany p. 997.

10. Song Y., Yu F., Li Y., Liu W., Zhao J. Mechanical property of artificial methane hydrate under triaxial compression // J. of Nat. Gas Chemistry. 2010. Vol. 19. Iss. 3 Pp. 246-250.