 |  | |
 УДК 551.345 Результаты совместного использования методов термодинамического и математического моделирования для исследования температурного режима засоленных многолетнемерзлых пород полуострова Ямал в условиях климатических изменений
Никитин К.А., аспирант МГУ имени М.В. Ломоносова, Россия
Представлены результаты совместного применения методов термодинамического и математического моделирования для прогноза температурного режима засоленных многолетнемерзлых пород полуострова Ямал. Выбранный подход позволяет учитывать изменение водно-ионного состава поровых растворов, связанное с процессами криогенного метаморфизма на период геокриологического прогноза. Показано, что неучет засоленности приводит к погрешности региональных прогнозных оценок температуры пород до 20%.
Засоленные многолетнемерзлые породы имеют широкое распространение на полуострове Ямал и представляют собой четвертичные отложения преимущественно морского генезиса [1, 2]. Использование таких грунтов в качестве оснований зданий и сооружений предъявляет дополнительные требования к изысканиям, проектированию и эксплуатации инженерных объектов. Наличие солей и минерализация порового раствора существенно влияют на фазовый состав влаги, температуру фазового перехода, физико-механические, теплофизические и др. свойства пород [3]. Промерзание-оттаивание засоленных пород сопровождается миграцией влаги и ее перераспределением, изменением концентрации порового раствора, захватом отдельных ионов растущими кристаллами льда, химическими реакциями, кристаллизацией солей и др. процессами, приводящими к более сложной, по сравнению с незасоленными породами, картине изменения во времени температурных полей [4, 5]. В условиях наблюдаемых и прогнозируемых климатических изменений на севере Западной Сибири повышается актуальность прогноза температурного режима многолетнемерзлых пород с учетом различного водно-ионного состава поровых растворов и изменения климата. Выполнен прогноз температурного режима засоленных пород с применением методов математического и термодинамического моделирования. Методика учитывает преобразование водно-ионного состава поровых растворов засоленных пород и связанное с этим изменение их теплофизических и водно-физических свойств. Термодинамическое моделирование химического преобразования растворов солей при промерзании-оттаивании, то есть в широком диапазоне значений температуры, выполнено в программе «Freezbrine» [6-8]. Преобразование водно-ионного состава рассматривается в качестве результата криогенного метаморфизма поровых растворов, сопровождающегося физико-химическими реакциями в растворенных газах, минеральных и органических веществах [9]. Математическое моделирование температурного режима засоленных пород с учетом повышения температуры воздуха и изменения теплообменных характеристик пород, определенных по результатам программы «Freezbrine», выполнено в программе «QFrost» [10, 11]. Проведена оценка динамики температурных полей в засоленных и незасоленных многолетнемерзлых породах, показавшая существенное различие полученных результатов как в качественном, так и количественном отношении. Пренебрежение засоленностью многолетнемерзлых пород и процессами, происходящими в поровых растворах при промерзании-оттаивании, приводит к погрешности определения среднегодовой температуры пород до 20% на период геокриологического прогноза. Выявлена региональная специфика совместного применения методов термодинамического и математического моделирования для ряда районов полуострова – северо-западного и западного Ямала, нижнего течения Оби. В региональном масштабе влияние солей на прогнозные оценки температуры многолетнемерзлых пород проявляется, в первую очередь, замещением водно-ионного состава поровых растворов с хлоридно-натриевого на севере Ямала до хлоридно-сульфатно-натриевого в нижнем течении Оби. Работа выполнена в рамках проекта № 601.19-01/34, грант Правительства ЯНАО.
Библиографический список 1. Дубиков Г. И. Состав и криогенное строение мерзлых толщ Западной Сибири. М.: ГЕОС, 2002. 2. Трофимов В. Т., Баду Ю. Б., Кудряшов В. Г., Фирсов Н. Г. Полуостров Ямал (инженерно-геологический очерк). М.: Изд-во Моск. ун-та, 1975. 3. Брушков А. В. Засоленные мерзлые породы Арктического побережья, их происхождение и свойства. М.: Издательство МГУ, 1998. 4. Аксенов В. И. Засоленные мерзлые грунты арктического побережья как основание сооружений. М.: Все о мире строительства, 2008. 5. Комаров И. А. Проблемы прогноза свойств засоленных мерзлых пород и интенсивности протекания в них мерзлотных процессов // Мониторинг в криолитозоне: материалы Шестой конференции геокриологов России. М., 2022. С. 11-48. 6. Мироненко М. В., Поляков В. Б. Об алгоритме расчета равновесного состава водно-солевых систем на основе модели Питцера // Геохимия. 2009. № 10. С. 1103-1107. 7. Marion G. M., Mironenko M. V., Roberts M. W. FREZCHEM: A geochemical model for cold aqueous solutions // Computers & Geosciences. 2009. Vol. 36. Iss. 1. Pp. 10-15. doi: 10.1016/j.cageo.2009.06.004. 8. Комаров И. А., Мироненко М. В. Моделирование водно-ионного состава засоленных мерзлых пород и криопэгов при изменение термобарических условий // Сборник трудов международной научной конференции, посвященной 180-летию МГТУ имени Н. Э. Баумана «Актуальные направления развития прикладной математики в энергетике, энергоэффективности и информационно-коммуникационных технологиях». М., 2010. С. 23-29. 9. Фотиев С. М. Криогенный метаморфизм пород и подземных вод (условия и результаты). Новосибирск: ГЕО, 2009. 10. Комаров И. А., Мироненко М. В., Кияшко Н. В. Совершенствование нормативной базы по расчетной оценке теплофизических свойств засоленных пород и криопэгов // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2012. № 2. С. 25-30. 11. Песоцкий Д. Г. Программа расчета теплового взаимодействия сооружений с многолетнемерзлыми грунтами QFrost. Свидетельство № 2016614404. Государственный реестр программ для ЭВМ, 22.04.16.
| ||
 |  |
