ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2013, № 6, с. 538-551
ГРУНТОВЕДЕНИЕ
УДК 551.345
РОЛЬ ТРАНСФОРМАЦИИ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ В ИЗМЕНЕНИИ СВОЙСТВ ГРУНТОВ СЛОЕВ СЕЗОННОГО ОТТАИВАНИЯ И СЕЗОННОГО ПРОМЕРЗАНИЯ
© 2013 г. Р. Г. Мотенко, Ю. А. Нефедьева
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, геологический факультет,
Ленинские горы, Москва, 119991 Россия.
E-mail: rmotenko@mail.ru
Поступила в редакцию 26.02.2012 г.
После исправления 01.02.2013 г.
Рассматриваются результаты комплексного экспериментального исследования теплофизических, акустических и электрических свойств нефтезагрязненных грунтов слоев сезонного оттаивания и сезонного промерзания разного гранулометрического состава. Обсуждаются закономерности изменения исследованных свойств в зависимости от длительности трансформации нефти, степени и условий загрязнения, температуры грунтов. Изменения определяемых параметров во времени сопоставлены с составом нефти; показана их тесная связь между собой, что явилось определяющим при выявлении роли трансформации нефти в формировании исследуемых свойств. На основе полученных результатов проведены прогнозные расчеты изменения мощности слоя сезонного оттаивания (промерзания) для грунтов различного состава в районах Европейского Севера, Западной Сибири и Аляски с оценкой влияния изменения альбедо поверхности и теплофизических характеристик.
Ключевые слова: промерзающие грунты, нефтяное загрязнение, трансформация нефти, коэффициент теплопроводности, удельное электрическое сопротивление, скорость продольных волн, глубина сезонного оттаивания.
ВВЕДЕНИЕ
Нефть и нефтепродукты - приоритетные загрязнители природной среды в местах ее добычи, транспортировки, хранения и переработки. Среди отраслей современного производства нефтяная промышленность по опасности воздействия на окружающую среду занимает одно из первых мест. При крупных разливах полную рекультивацию нефтезагрязненных земель осуществить практически невозможно. Причем наряду со старыми, 10-20 - летней давности, существует огромное количество новых разливов нефти, образовавшихся в последние 2-3 года. Это свидетельствует о наличии почв и грунтов с различной давностью нефтяного загрязнения и степенью трансформации нефти.
Рассматривать влияние углеводородного загрязнения на динамику мощности многолетне-мерзлых пород и слоя сезонного промерзания (протаивания) крайне сложно без представления
о влиянии такого загрязнения на их состав, свойства и происходящие в них процессы.
Предметом исследований, результаты которых рассматриваются в статье, являются теплофизи-ческие характеристики, электрические и акустические свойства нефтезагрязненных грунтов, их микроагрегатный состав, а также качественные и количественные изменения нефти.
Изучением комплекса геокриологических и геоэкологических проблем, связанных в том числе с поведением органических загрязнителей в мерзлых и промерзающих породах и их влиянием на состав и свойства грунтов, посвящены работы отечественных и зарубежных авторов: Г.В. Ананьевой, С.Е. Гречищева, О.В. Гречищевой, Э.Д. Ершова, И.И. Журавлева, Ю.Д. Зыкова, Е.С. Микля-евой, Р.Г. Мотенко, Н.С. Налетовой, А.В. Павлова, Е.М. Чувилина, Ю.Б. Шешина, О.П. Шешиной, K.W. Biggar, D. Chenaf, Ch.M. Collins, I.P. Coutard, W. Marchand, J.C.R. Neufeld,A. Sextone, T.L. White, P.J. Williams и др.
Однако большинство исследований свойств нефтезагрязненных мерзлых и промерзающих грунтов, в том числе и теплофизических свойств, на данный момент проводилось на грунтах нарушенного сложения. При этом грунты загрязнялись непосредственно перед проведением эксперимента [1, 4, 6]. В реальных условиях состав и свойства загрязненных грунтов изменяются во времени, в связи с этим особенно важно изучение нефтезагрязненных грунтов при их естественной трансформации в зависимости от времени и условий загрязнения.
Теплофизические характеристики входят в расчетные формулы для нахождения температурного поля, теплопотоков, глубины сезонного оттаивания и промерзания, знание этих свойств необходимо при строительстве инженерных сооружений. Кроме того, теплофизические характеристики могут быть использованы для исследования и косвенных оценок изменения состава и строения пород в различных криогенных процессах и явлениях. Однако их определение в полевых условиях часто бывает затруднительным.
Геофизические же методы в полевых условиях успешно применяются для оконтуривания областей загрязнения нефтью и приблизительной оценки степени загрязнения грунтов [2]. Из всего комплекса геофизических методов основные при исследовании мерзлых и промерзающих пород - электрические и сейсмоакустические. С практической точки зрения, возможность прогнозирования поведения одних физических свойств загрязненных грунтов по другим, весьма перспективна.
Большая часть месторождений нефти и газа России находится в криолитозоне; в отличие от районов распространения талых пород, нефтяное загрязнение криолитозоны и последующие изменения свойств грунтов и альбедо поверхности сказываются на температурном режиме и глубине сезонного оттаивания пород. В связи с этим возникает необходимость специального экспериментального изучения влияния трансформации углеводородного загрязнения на свойства грунтов слоев сезонного оттаивания и сезонного промерзания, с последующим использованием полученных результатов для прогноза последствий разливов нефти и нефтепродуктов в конкретных геокриологических условиях.
Результаты исследований изменения глубины сезонного оттаивания и промерзания грунтов под влиянием нефтяного загрязнения наиболее широко отражены в работах таких американ-
ских исследователей как J. Brown, Ch.M. Collins, F.J. Deneke, M. Dickman, K.R. Everett, W. Freedman, T.C. Hutchinson, D.E. Lawson, D. Mackay, J.D. Mckendrick, D.A. Walker и др. Полевые эксперименты проводились на севере Канады и Аляске. Хотя многие из этих экспериментов проводились для оценки воздействия сырой нефти на биологические компоненты, попутно измерялась температура и глубина оттаивания грунтов для оценки потенциального воздействия нефти на вечномерзлые породы. Полученные данные указывают на довольно сложное влияние нефти на слой сезонного протаивания.
Для выявления роли трансформации нефти в изменении исследуемых свойств и их характеристик проведены исследования:
1) микроагрегатного состава нефтезагрязненных грунтов;
2) количественных параметров и качественных характеристик нефти во время ее преобразования;
3) теплофизических, электрических и акустических свойств нефтезагрязненных грунтов в зависимости от содержания загрязнения и времени его трансформации в талом и мерзлом состоянии.
Изменения исследованных характеристик грунтов сопоставлены с составом нефти в зависимости от времени ее трансформации, а также выполнены прогнозные расчеты изменения мощности слоя сезонного оттаивания (промерзания) для грунтов различного состава в районах с различными геокриологическими условиями с оценкой влияния изменения альбедо поверхности и теплофизиче-ских свойств при нефтяном загрязнении.
ОБЪЕКТ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ
Объект исследований - современные аллювиальные отложения разного гранулометрического состава, отобранные из слоя сезонного промерзания в районе одного из нефтяных месторождений республики Татарстан в местах порывов нефтепроводов и складирования нефтезагрязненного грунта с различным временем после загрязнения.
Также исследовались аналогичные грунтам естественного сложения искусственно приготовленные грунты с того же месторождения, загрязненные той же нефтью. Последние имитировали начальное загрязнение. Подготовка грунтов нарушенного сложения велась по отработанной на
щ « я
И Н * чО
Л й ^ "
и Я ш N
ю о
5 5
сч
«л
сч
Я Я н
Й- « о
В © ^
я & ¡г
(3 я
- н
а °
Г ^
Ю^Н Ю ГЧ ^ СЛ Ю ^ч ^ч' ^ч' гч СЧ' -ч' гч -ч'
Юч 1Л Ю
• т • ю <N<N<-41 сч
сл оо
^ч' О
ОГ^ ^Г Г- Г-
-е
1Т)
& Й я
V V
Я сЗ
Н
О
1ч §
о я я
ж
И сЗ
о я ьй Но ® У ^
& ^ кч
я я я
сЗ «
Я
л о о
Я
^
о
л о о
Я
^
о
>Я Я Я
ч
о
а
о «
о я я
13 ^
о
о
N о н
о
N о н
о
N о н
о н
л о о
я
^
о
о
N о н
о
N о н
>я я я
ч
о
а
о «
о я я
13 ^
о
О
н
о н
о н
(Я
СЗ «
1ч
сЗ
я я
13
о
N о н
о
N о н
о н
0
О
V
оо| </ч оо| </ч ,
(N1
т (N1
1 (N1
I ^ <N1 I -ч|
(N1
СП Ю| -ч (N1
0
О
I
0 0
т| «л т| О
Ю|0 (N1 Г^
®| о
' <N1
сю <-п|
|0 (N1 (N1
О ^ I ОО I СП СП | оо СП (Ч | <4 <4 | ^ч (Ч | <4
я я
я «
сЗ
а -е
>я
0
Ч
1
Я Я н о сЗ (Г о Я Я
сЗ *
а
о Ч о О
0
О
о
I
с^|с^ю|сюо|>/чсю|>/ч
о о
I
|
0
о | сю г-^ | ^ |
!|
оо ю| <4 т|
^ч 1Л СП СП
сю гН ^г гЧ
I Г— I ^ <4 1 1 ^ч <4
С^ ^Н Г- сю| т <ч| <ч <ч|
ОО 00 | оо >/ч|
^г! сч т «л | сю
|
о о
I
см
2 ЯК ;
I ^
I СП
г^
о
о
I
|
сч
^ч СЮ
:
!чО|
I ю ю| I
|
сч
I
|
, :
1 ^! чо ^!
Ною!от|о^!от|от|от|ом!о
о
I
Но^|"Ч^!.ч1п|оН(ЧО|оо|о^|о.ч|оНом|оНоНоо|оНо
а ю о
кафедре геокриологии методике, позволяющей получить влажные нефтезагрязненные образцы с однородным распределением влажности, плотности и нефтесодержания. По классификации Н.А. Качинского грунты относятся к супеси, среднему суглинку и легкой глине. Грунты естественного и нарушенного сложения исследовались в диапазоне влажности 21-24% и плотности скелета грунта 1.5-1.6 г/см3. Содержание загрязнителя %) рассчитывалось как отношение массы нефти или нефтепродукта к массе сухого грунта, диапазон загрязнения - 0-16%. Гранулометрический и микроагрегатный составы исследуемых грунтов представлены в таблице.
Для проведения экспериментов использовалась нефть Ромашкинского месторождения. Важное преимущество данного исследования - длительный период наблюдения за процессами естественной трансформации нефти в пределах одной площадки. Изменения концентрации нефти и состава продуктов ее трансформации рассмотрены в супеси и суглинке для периода инкубации 3 и 5 лет, в глине - для периода инкубации 3 года. В образцах суглинка, отобранных с различных глубин дна бывшего нефтяного амбара, изменение концентрации нефти и состава продуктов ее
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.