Экспериментальное исследование миграции ионов солей в замкнутом объеме при движении фронта замерзания

Вестник ТюмГУ. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика.


Выпуск:

2018. Том 4. №4

Название: 
Экспериментальное исследование миграции ионов солей в замкнутом объеме при движении фронта замерзания


Для цитирования: Григорьев Б. В. Экспериментальное исследование миграции ионов солей в замкнутом объеме при движении фронта замерзания / Б. В. Григорьев, Ю. Ф. Янбикова // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2018. Том 4. № 4. С. 93-104. DOI: 10.21684/2411-7978-2018-4-4-93-104

Об авторах:

Григорьев Борис Владимирович, кандидат технических наук, заведующий кафедрой прикладной и технической физики, Физико-технический институт, Тюменский государственный университет; b.v.grigorev@utmn.ru

Янбикова Юлия Фанилевна, инженер кафедры прикладной и технической физики, Тюменский государственный университет; y.f.yanbikova@utmn.ru

Аннотация:

Промышленное освоение криолитозоны зачастую сопровождается изменением теплового режима и нарушением ионно-солевого баланса поверхностного слоя. С этим связана аккумуляция большого количества тепловой энергии и легкорастворимых солей в поверхностном слое грунта, что приводит к увеличению глубины протаивания и засолению грунта на значительных глубинах. Подобные явления имеют место не только в пределах глубины сезонного протаивания, но и в толще мерзлой породы, когда в результате многолетней миграции и концентрирования поровых растворов в подстилающие породы формируются криопэги — линзы талых высокоминерализованных поровых растворов в окружении мерзлого грунта.

Криопэги широко распространены на всей территории вечной мерзлоты. Они снижают несущую способность грунтов оснований и вызывают коррозию бетонных и металлических конструкций.

В настоящее время криопэги остаются слабоизученными в России и за рубежом, поэтому требуется детальное исследование этого криологического объекта, в частности в лабораторных условиях.

Настоящее исследование посвящено изучению процессов миграции ионов солей в поровой воде при движении фронта замерзания, что является главным фактором криогенного концентрирования.

Для этого авторами разработана экспериментальная установка и создана измерительная ячейка, в которую помещается исследуемый влажный грунт. На противоположных сторонах ячейки задается температура, величиной и скоростью изменения которой регулируется движение границы замерзания, направленное сверху вниз. После ряда циклов замерзания-оттаивания проводится определение концентрации и состава солей в четырех интервалах пробоотбора.

В ходе двух серий экспериментов установлен неожиданный результат — значительное увеличение концентрации на 24 и 29% в области начала движения фронта замерзания. Это может быть объяснено массопереносом концентрированного раствора к центрам кристаллизации за счет осмотических сил, что имеет место для использованных в работе глинистых пылеватых грунтов, обладающих высокой величиной удельной активной поверхности и содержанием большого количества незамерзшей воды.

Список литературы:

  1. Анисимова Н. П. Гидрогеохимические исследования криолитозоны Центральной Якутии / Н. П. Анисимова, Н. А. Павлова // Новосибирск: Академическое изд-во «Гео», 2014. 189 с.
  2. Васильчук Ю. К. Криопэги / Ю. К. Васильчук, Н. А. Буданцева // Криосфера нефтегазоконденсатных месторождений полуострова Ямал: в 3 томах. СПб.: Недра, 2006. Том 1. С. 230-235.
  3. Волков Н. Г. Прогноз температурного и водно-ионного режима засоленных мерзлых пород и криопэгов (на примере п-ова Ямал): дис. … канд. геол.-минерал. наук / Н. Г. Волков. М., 2006. 214 с.
  4. Григорьев Б. В. Замерзание влажных грунтов в равновесных и неравновесных условиях: дис. … канд. техн. наук / Б. В. Григорьев. Тюмень, 2013. 135 с.
  5. Данзанова М. В. Экспериментальные исследования фильтрационных свойств грунтов, вмещающих надмерзлотные криопэги, на территории Якутска / М. В. Данзанова, Н. А. Павлова // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2016. № 6. С. 567-576.
  6. Кияшко Н. В. Закономерности изменения фазового и химического состава, теплофизических характеристик засоленных пород и криопэгов п-ова Ямал в процессе их криогенного метаморфизма: дис. … канд. геол.-минерал. наук / Н. В. Кияшко. М., 2014. 138 с.
  7. Паренкина О. Л. Условия формирования и распространения криопэгов на территории Бованенковского НГКМ / О. Л. Паренкина // Геология, география и глобальная энергия. 2010. № 3. С. 93-95.
  8. Торговкин Н. В. Агрессивность сезонноталых и мерзлых грунтов Якутска / Н. В. Торговкин, В. Н. Макаров // Наука и образование. 2014. № 1 (73). С. 85-89.