«Директор ИКЗ СО РАН академик РАН В.П.Мельников _ февраля 2013г Годовой отчет научной и научно-организационной деятельности в 2012г Тюмень 2013 г СОДЕРЖАНИЕ 1. Ежегодные данные о работе Института за 2012год. 3 ...»

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Институт криосферы Земли

Сибирского отделения Российской академии наук

(ИКЗ СО РАН)

Директор ИКЗ СО РАН

академик РАН

В.П.Мельников

"_" февраля 2013г

Годовой отчет

научной и научно-организационной деятельности в 2012г Тюмень 2013 г

СОДЕРЖАНИЕ

1. Ежегодные данные о работе Института за 2012год………………. 3 2.Фундаментальная программа VII 63 Физические и химические процессы в атмосфере и на поверхности Земли, механизмы формирования и изменения климата, проблемы криосферы………… - Проект VII.63.2.1 Геосистемы криолитозоны: состояние, трансформация и эволюция в условиях природных изменений и техногенного воздействия ………………………………………………. - Проект VII.63.2.2 Лабораторное моделирование фазовых равновесий, метастабильных состояний и тепломассобменных процессов взаимодействующих природных и техногенных систем при криогенензе………………………………………………………………… 3. Междисциплинарный интеграционный проект СО РАН № 144: «Криогенные ресурсы Арктики и Субарктики:

состояние и структура криолитозоны, физико-химическое моделирование и биологический потенциал криогенных систем»…… 4. Программа Президиума РАН №4 «Природная среда России:

адаптационные процессы в условиях изменяющегося климата и развития атомной энергетики» Подпрограмма «Проблемы опустынивания Центральной Азии»…………………………………….. 5. Программа Президиума РАН №8 «Разработка методов получения химических веществ и создание новых материалов» Подпрограмма «Разработка фундаментальных основ газогидратных смесей с использованием мелкодисперной воды »……………………………… 6.Программа ОНЗ РАН №12 «Процессы в атмосфере и криосфере как фактор изменений природной среды. Подпрограмма «Криогенные и гляциальные системы: вопросы реконструкции, динамики, прогноза»…………………………………………………………………. 7. Программа Президиума РАН № 23 «Фундаментальные проблемы океанологии: физика, геология, биология, экология» Подпрограмма «Комплексные исследования Арктического шельфа»………………… 8. Партнерский интеграционный проект № 9 (совместно с организациями ДВО РАН) «Эволюция криолитозоны Северной Азии до перехода от материка к Тихому океану»……………………………….... Экспедиционные работы………………………………………………….. Список публикаций ……………………………………………………….. Участие в научных мероприятиях………………………..………………. Гранты, международные проекты ………………………………………. Научный потенциал и эффективность исследований…………………… Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год Общие данные о работе Института за 2012год Полное наименование организации Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт криосферы Земли Сибирского отделения РАН Нормативные документы Институт криосферы Земли Сибирского отделения РАН, организован 07 мая 1991 года по постановлению Президиума Сибирского отделения Академии наук СССР № 261, распоряжению Президиума АН СССР от 03.07.1990 № 10103-596 в соответствии с постановлением Совета Министров СССР № 525 от 26.05.1990. Институт зарегистрирован постановлением Президиума Центрального районного совета народных депутатов г. Тюмени от 01.08.1991 № ЯАдминистрацией Центрального района г. Тюмени, свидетельство серии ТМЦЩ № 1477 от 17.02.1994, внесен в Единый государственный реестр юридических лиц о юридическом лице, зарегистрированном до 1 июля 2002 года, за основным государственным регистрационным номером 1027200799570. В связи с принятием Устава в новой редакции (28 мая 2008г) и дополнения в Устав (19 декабря 2011г), выдано свидетельство о государственной регистрации от 11 января 2012 г № Почтовый адрес и адрес электронной почты 625000, Тюмень, а\я 1230, E-mail: [email protected]; [email protected] Руководство Директор: академик РАН Мельников Владимир Павлович, тел.служ.: 688782.

Зам. директора по научной работе: д.х.н. Нестеров Анатолий Николаевич, тел.служ.: 688738.

Зам. директора по научной работе: д.г.-м.н. Дроздов Дмитрий Степанович, тел.служ.:8 (499)135-65- Ученый секретарь: к.г.-м.н. Устинова Елена Валерьевна, тел.служ.: 688785.

Основные цели и направления деятельности организация и проведение научных исследований и прикладных разработок в области криологии Земли, направленных на получение новых знаний о криосфере и законах развития природы и человека под воздействием криогенеза. Основные научные направления деятельности Института, способствующие технологическому, экономическому, социальному и культурному развитию России:

криогенные геосистемы: структура, динамика, методы изучения и прогноз развития;

научные основы сохранения и использования криогенных ресурсов.

Совместные исследования Институт в 2012г проводил совместные исследования в рамках интеграционных проектов и программ с научными учреждениями СО РАН (ИАЭТ, ИПОС, ЛИН, ИГМ, ИМЗ, ИНХ, ИПРЭК, ИЗК, ИГ), поддерживает взаимовыгодное сотрудничество с учеными зарубежных стран – Швейцарии (Институт экологии, Цюрих), США (Университет Дж. Вашингтона и Университет Аляски, Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория, г. Ричланд, штат Вашингтон), Японии (Институт технологий, г. Китами), Нидерландов (Королевский институт изучения моря). Активно ведутся работы по международным проектам: Международная программа «Циркумполярный мониторинг деятельного слоя (CALM)», Международный проект «NASA Yamal LCLUC» («Изменения покровов суши и условий землепользования, с проведением полевых работ на Ямале», ACD («Динамика морских берегов в Арктике»), TSP («Термический режим ММП»), PERGAMON («Мониторинг мерзлоты и газовых гидратов»).

Основные показатели научно-исследовательской деятельности Общее число статей, в их числе:

Число докладов и тезисов докладов, на крупных научных мероприятиях. Число докладов и тезисов докладов, на прочих научных мероприятиях. Число глав в монографиях и разделов научно-справочных изданиях Организация научных мероприятий:

Десятая Международная конференция по мерзлотоведению (TICOP): Ресурсы и риски регионов с вечной мерзлотой в меняющемся мире; 25-29 июня2012г, г.Салехард.

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год Вовлеченность в научно-образовательное сообщество Количество работников ведущих преподавательскую деятельность Академик РАН Тюменский государственный нефтегазовый Зав.кафедрой Мельников В.П. университет: кафедра «Криологии Земли»

Д.г.-м.н. Брушков А.В. МГУ геологический факультет :кафедра Зав.кафедрой Д.г.-м.н. Васильев А.А. МГУ геологический и географический лекции Д.г.-м.н. Горелик Я.Б. Тюменский государственный нефтегазовый Председатель ГАК Д.г.-м.н. Дроздов Д.С. РГГУ: кафедра «Криосферы Земли» зав.кафедрой, Д.г.-м.н. М.О.Лейбман Географический факультет МГУ: кафедра лекции Д.г.-м.н. Лаухин С.А. РГГУ: кафедра «Криосферы Земли» лекции Д.ф.-м.н. Киров М.В. Тюменский государственный университет Руководство Д.ф.-м.н. Колунин В.С. Тюменский государственный нефтегазовый лекции 10 Д.ф.-м.н. Шавлов А.В. Тюменский государственный нефтегазовый лекции 11 Д.х.н. Нестеров А.Н. Тюменский государственный нефтегазовый Председатель ГАК, 12 К.г.-м.н. Курчатова А.Н. Тюменский государственный нефтегазовый Лекции, 13 К.г.-м.н. Опокина О.Л. Тюменский государственный нефтегазовый Лекции, 14 К.г.-м.н. Устинова Е.В. Тюменский государственный нефтегазовый Лекции 15 К.г.н. Украинцева Н.Г. МГУ геологический и географический Лекции, 16 К.г.н. Шейнкман В.С. Тюменский государственный нефтегазовый Лекции, Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год

ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ ПРОГРАММА VII

Приоритетное направление VII.63. Физические и химические процессы в атмосфере и на поверхности Земли, механизмы формирования и изменения климата, проблемы криосферы.

Программа VII.63.2. Природные и техногенные системы в криосфере Земли и их взаимодействие (координатор ак. В.П. Мельников).

Проект VII.63.2.1 Геосистемы криолитозоны: состояние, трансформация и эволюция в условиях природных изменений и техногенного воздействия Плановое задание на 2012 год 1. Изучить распространение, условия залегания и тенденции эволюции прибрежно-шельфовой криолитозоны Российской Арктики; дать характеристику криолитологического строения и свойств шельфовой и прибрежной криолитозоны.

2. Оценить геоэкологическое состояние, изменения структуры и биологического потенциала островной криолитозоны Западной Сибири в условиях меняющегося климата и техногенеза.

3. Дать оценку и прогноз напряженно-деформированного и мерзлого состояния массива горных пород берегов арктических морей с помощью сейсмических методов.

Результаты:

1) О новой редакции «Геокриологической карты Российской Федерации».

Со времени издания предыдущей версии «Геокриологической карты СССР» [1991] прошло 20 лет. Однако криосфера – одна из наиболее изменчивых геосфер Земли. Фактические данные и расчеты, положенные в основу карты 1991 года обобщают материалы примерно 10 лет исследований, предшествовавших её изданию. Таким образом карта отображает природную обстановку и научные взгляды специалистов по мерзлотоведению, геокриологии и смежным дисциплинам, соответствующие примерно 20-30 летней давности.

Для столь динамичной системы, как криолитозона, это существенный срок.

Поэтому подготовка новой редакции «Геокриологической карты» весьма актуальна.

В основе построения карты лежит геосистемный подход. Состояние и направленность развития геокриологической обстановки в северных регионах страны является состояние и динамика природных и техногенных геосистем криолитозоны. Они определяются взаимодействием геологической среды с внешними по отношению к ней сферами Земли – атмосферой, гидросферой, биосферой, а также с техническими системами. Таким образом, в основе составления карты и обобщения материалов лежит геосистемный подход, позволяющий генерировать карты покомпонетные, синтетические и районирования.

Карты геосистем глобального уровня детализируются картами-моделями регионального уровня.

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год 2) Картографические модели современных изменений климата и криолитозоны Аномалии современных изменений климата количественно характеризуют путем сравнения метеоданных за последнее десятилетие с климатической нормой. Норма среднегодовой температуры воздуха изменяется в пределах криолитозоны России от -2 до -16°С и на карте (рис. 1) она показана изолиниями.

Среднегодовая температура воздуха в последнее десятилетие (2000гг.) характеризуется аномально высокими значениями для многих регионов России, поэтому повышение среднегодовой температуры воздуха в 2000-2010 г., рассчитанное относительно нормы, попадает в две градации (умеренное и сильное), а категория слабых повышений температуры отсутствует (рис. 1). Сильное потепление климата (повышение температуры воздуха более, чем на 1°С, показано красным цветом) охватывает большую часть территории криолитозоны России. Умеренное потепление климата (показано желтым цветом) приурочено к отдельным участкам на Европейском севере, в Западной и Средней Сибири и в Приморье.

Рис. 1. Изменчивость среднегодовой температуры воздуха Условные обозначения:

повышение температуры в последнее десятилетие относительно нормы:

1- сильное, t вз > 1,0°С; 2 – умеренное, 0,7 t вз 1°C; 3 – изолинии среднегодовой температуры воздуха (норма); 4 – метеостанции; 5 – южная граница криолитозоны Тренды среднегодовой температуры воздуха в 1966-2010 гг. (рис. 2, цветные контуры) существенно отличается от базового периода, а именно:

в пространственном распределении трендов нельзя проследить какихлибо субмеридиональных закономерностей; амплитуда колебания трендов среднегодовой температуры воздуха в целом заметно уменьшились; очаги минимальных трендов (0,03...0,04°С/год) сконцентрированы на севере Средней и Восточной Сибири, в среднем течении р. Енисей и на севере полуострова Ямал, на Югорском полуострове; вместо одного большого очага максимальных трендов, характерного для базового периода, образовалось три более мелких, тяготеющих к субарктическим районам (тренды потепления 0,05°С/год и более).

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год Условные обозначения: (1-5)- тренд среднегодовой температуры воздуха за период 1966гг. (°С/год): 1 – менее 0,03; 2 – 0,03-0,04; 3 – 0,04-0,05; 4 – 0,05-0,06; 5 – более 0,06;

6 – изолинии и значения тренда температуры воздуха за период 1966-2000 гг (°С/год);

7 – южная граница криолитозоны; 8 – метеостанции Современное потепление климата определяется не только его изменениями в годовом цикле. Существенное влияние на криолитозону оказывают сезонные изменения температуры воздуха. Поэтому важно оценить эти изменения отдельно для теплого и холодного периодов года. Для сравнительной оценки возрастания температуры воздуха в летний период используется, как и в предыдущих публикациях (Павлов, Малкова, 2005;

Павлов, 2008), коэффициент nth (относительный индекс протаивания), равный отношению суммы летней температуры воздуха в 2000-2010 гг. к ее норме. Значения nth показаны на рис. 3 в виде изолиний.

Рис. 3. Повышение температуры воздуха в теплый период года в криолитозоне России Условные обозначения: (1-6) норма сумм температуры воздуха в теплый период, °C·мес: – менее 15; 2 – 15-30; 3 – 30-45; 4 – 45-60; 5 – 60-75; 6 – более 75;7 – относительный индекс протаивания nth; 8 – южная граница криолитозоны; 9 - метеостанции Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год На всей территории севера России коэффициент nth больше 1.0, что свидетельствует о повсеместно выраженном потеплении летнего периода относительно нормы. В большинстве северных регионов значение nth превышает 1.1, что свидетельствует о потеплении в летний период более, чем на 10%. Максимум летнего потепления (значение nth превышает 1.25, т.е.

более 25%) наблюдается на западном Ямале. Только территория Средней Сибири, включая Якутию, отличается более слабым потеплением в летний период (потепление не более 10% от нормы). Карта в целом характеризует потенциальную возможность деградации мерзлых толщ в условиях меняющегося климата. Для регионов, где потепление климата в летний период оказывается значительным (главным образом на севере Западной Сибири и крайнем северо-востоке России), климатические условия способствуют повышению температуры ММП и увеличению глубины сезонного протаивания.

Для карты современных повышений температуры воздуха в холодный период года (рис. 4) показаны цветом шесть интервалов нормы сумм.

Наиболее низкие зимние температуры воздуха характерны для континентальных районов Сибири, а относительно теплые зимы наблюдаются на Камчатке и в Европейской части России.

Рис. 4. Повышение температуры воздуха в холодный период года Условные обозначения: (1-6) норма сумм температуры воздуха в холодный период, °C·мес: 1 – менее -60; 2 - -60...-100; 3 - -100...-140; 4 - -140...-180; 5 - -180...-220;

6 – более -220; 7 – относительный индекс промерзания nf; 8 – южная граница криолитозоны; 9 – метеостанции Для того чтобы оценить суммарное воздействие на криолитозону произошедших климатических изменений (с учетом вклада каждого рассмотренного климатического параметра), была использована балльная оценка.

С помощью картографических манипуляций в ГИС-пакете было осуществлено наложение соответствующих слоев различных климатических параметров и произведено суммирование баллов для всей криолитозоны Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год России. Была разработана оригинальная карта метеогеокриологического риска под воздействием современных климатических изменений (рис. 5).

Рис. 5. Карта метеогеокриологического риска криолитозоны России Условные обозначения: (1-8) - баллы риска; 9- южная граница криолитозоны, 10 – граница сплошного распространения мерзлоты с поверхности; 11 - метеостанции Области криолитозоны, имеющие от 1 до 3 баллов, можно отнести к слабому метеогеокриологическому риску. Это, прежде всего – дельта реки Лена, северная Якутия и, частично, - южная Якутия. В общей сложности такие территории зпнимают 8% площади криолитозоны.

Области умеренного метеогеокриологического риска (4-5 баллов) охватывают значительно большие площади криолитозоны (63%). Сюда относятся обширные территории Средней и Восточной Сибири, частично – юго-восточная часть Западной Сибири.

Западная и восточная части криолитозоны России попадают в область высокого метеогеокриологического риска (6-8 баллов). Максимальный риск по нашей оценке характерен для севера Западной Сибири и Чукотки (7- баллов), здесь наблюдается отепляющее влияние на мерзлые толщи всех рассмотренных климатических параметров. Области высокого метеогеокриологического риска охватывают чуть менее 30% криолитозоны России.

Разработанная карта метеогеокриологического риска отчетливо показывает, что повышение температуры воздуха в холодный и теплый период года, а также изменение толщины снежного покрова не совпадают в пространстве. Их суммарное воздействие, вычисленное с помощью балльной оценки, оказывается определяющим для формирования трендов среднегодовой температуры ММП. Наблюдается четкое совпадение областей слабого метеогеокриологического риска и областей минимальных трендов среднегодовой температуры ММП. Наибольшие тренды среднегодовой метеогеокриологического риска.

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год 3. Многолетнемерзлые породы шельфа и прибрежной зоны 3.1. Разработка ГИС криолитозоны шельфа западного сектора Российской Арктики Целью раздела является разработка ГИС арктических районов России, включая шельф, создание методики определения кровли многолетнемерзлых пород в переходных зонах «берег – пляж – приливная зона – подводный склон»

на техногенно-измененных и естественных участках с включением топогеодезических, термометрических и сейсморазведочных блоков исследований. Рассматривается динамика морских берегов «on-shore» и переход «on-shore» –– «off-shore».

В рамках подготовки концепции новой геокриологической карты России, а также при выполнении смежных проектов и программ сформулированы основные задачи исследований аркических прибрежно-шельфовых областей:

Установить закономерности распространения и состояния cубаквальной криолитозоны с использованием дистанционных (в том числе геофизических) методов;

Разработать и наполнить электронную базу данных, включающую характеристики субаквальной и прибрежной криолитозоны;

Изучить криогенные дислокации, их связь с залежеобразующими и жильными льдами, криогенными процессами, разработать их систематику Изучить криолитологию четвертичных отложений в береговых разрезах и на шельфе арктических морей.

Разработать базовую версию ГИС криолитозоны шельфа западного сектора Арктики РФ В 2010-2012гг осуществлена попытка создать серию электронных карт для данного сектора по всей имеющейся информации (рис.6). Начаты работы по составлению ГИС «Криолитозона Российской Арктики», включающие электронные карты континентальной и субаквальной мерзлоты, сопутствующие карты и базы данных.

Рис.6. Примеры имеющихся авторских карт различного содержания, положенных в основу ГИС криолитозоны шельфа Российской арктики Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год 3.2. Характеристика прибрежно-шельфовой криолитозоны Российской Арктики; морские сейсмические методы и технологии для изучения геокриологических условий в прибрежных частях Арктики Опираясь на создаваемую ГИС криолитозоны, в рамках поставленной задачи в 2012 г была разработана база данных распространения субаквальных многолетнемерзлых пород (СММП), основанная на результатах новой интерпретации высокоразрешающего сейсмического профилирования, включающая в себя информацию о положении кровли СММП, преимущественно в Карском море (рис.7). Установлено, что СММП представлены островной, иногда прерывистой мерзлотой с размером мерзлых массивов 50-500м, не мерзлая толща между ними имеет размеры 200 -300м.

Рис. 7. Кровля СММП по буровым и сейсмоакустическим данным.

От массива континентальной мерзлоты СММП повсеместно отделены вдольбереговым таликом, расположенным на глубинах моря 2-10м. Составлена карта распространения СММП на шельфе Карского моря.

Пополнена база данных о температуре морского дна с 1900-по 2000 гг.

Формат базы данных представлен в табл. 1. Баз данных содержит около записей (строк) со значениями температуры.

Формат базы данных по температуре морского дна Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год Разработанная база данных позволяет оценить изменения температуры морского дна как граничного условия существования и динамики СММП. В качестве примера на рис. 8. приведены результаты оценки векового тренда изменения придонной температуры для района ЮВ части Баренцева моря.

Рис. 8. Изменение температуры морского дна с 1900 по 2000 г.

Как следует из рисунка, для этого региона повышение температуры составило около 1,2 оС.

Разработанный подход и имеющаяся база данных позволили в первом приближении оценить изменение температуры морского дна для крупных регионов Карского и Баренцева морей. Разбиение Карского моря на расчетные сектора для районирования по условиям деградации СММП приведено на рис. 3.

Выполненные расчеты, наложенные на карту распространения СММП в Карском и Баренцевом морях, выявили регионы, в которых наблюдается ускоренная деградация СММП за счет повышения температуры морского дна, и позволили построить оценочную карту (рис. 9).

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год По предварительным оценкам, из-за повышения температуры морского дна кровля СММП понизилась (просела) на 4-10м. от прежнего положения.

Таким образом, выполненные исследования позволили определить районы распространения, особенности залегания и общие тенденции эволюции СММП Карского и Баренцева морей.

4. Оценка роли криогенных склоновых и береговых процессов в формировании природно-техногенных геосистем; оценка развитие краткосрочных криогенных геологических процессов по прогнозным метеоданным 4.1. Пространственно-временная структура природных и техногенных факторов активизации криогенных процессов Центрального Ямала и прогнозная картографическая модель для фоновых (естественных) условий и освоенных районов В задачи проекта входит проведение полевых работ на существующих геокриологических полигонах в процессе маршрутных съемок, интерпретирование и классифицирование аэрофото- и космоснимков, совмещение натурных и дистанционных данных для разработки таблицы индикационных признаков, картографирование, моделирование активизации процессов (картографические и концептуальные модели) и разработка прогноза активизации процессов при различных сценариях изменения природных условий, разработка методики и осуществление дистанционного мониторинга и прогноза активизации криогенных процессов на основе выявленных закономерностей.

Результаты Наблюдение и мониторинг факторов, влияющих на криогенные процессы Полевые работы летом 2012 года показали необычайное (более 20% по сравнению с максимальным в предыдущие годы) увеличение глубины сезонного протаивания. Максимальная скорость протаивания составила см. Наблюдаемые частые переходы температуры воздуха (и, видимо, поверхности) через 0°, как правило, приводят к «закачке» влаги в сезонноталый слой и к началу промерзания снизу до начала промерзания сверху, что приводит к повышенной льдистости в основании сезонноталого слоя (рис.10).

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год Рис. 10. Льдистые породы в основании сезонноталого слоя в августе 2012 г.

наблюдения за криогенными процессами Указанные изменения динамики сезонноталого слоя, в том числе, его льдистости, привели к активизации криогенного оползания, как в форме криогенных оползней скольжения (КОС, рис. 11), так и в форме криогенных оползней течения (КОТ, рис. 12).

Кроме того, на многих участках склонов встречались трещины, по которым наблюдался излив разжиженной породы, что свидетельствует о высоком поровом давлении в сезонноталом слое (рис. 13). Эти наблюдения подтверждают высокую вероятность резкой активизации криогенного оползания минувшей осенью после окончания экспедиции или следующим летом.

Рис. 11. Криогенные оползни скольжения 2012 года.

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год Рис. 12. Криогенные оползни течения 2012 г.

Рис. 13. Трещины на склонах с изливом разжиженной породы, свидетельствующие о повышенном поровом давлении в СТС.

Дистанционные исследования активизации криогенных процессов Была проведена тахеометрическая съемка экспериментального участка 100х100 м2 на склоне III аллювиально-морской равнины.

Размеры оползня определялись в поперечниках (рис. 14) и по сравнению с 1990 г. сильно изменились. По рисунку горизонталей очень хорошо заметно, что за прошедшие 22 года соседние с границами области оползня начали также оползать и формировать новые оползневые уступы. (см. рис.

14). Это свидетельствует о том, что склон продолжает деформироваться.

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год Рис. 14. Деформации прилегающих к оползню склонов на карте (слева) и снимке (справа).

На карте горизонтали 1990 г. показаны черным, а 2011 года – коричневым цветом;

красные линии оконтуривают области максимальных деформаций. На снимке стрелками показаны основные векторы развития криогенного оползания на исследуемом склоне.

4.2. Оценка развития криогенных геологических процессов по текущим и прогнозным метеоданным В районе Надымского стационара из экзогенных геологических процессов развиты процессы многолетнего пучения, термокарста и заболачивания. Для изучения тенденций их развития продолжает выполняться комплекс наземных исследований, включающий бурение скважин и нивелировку поверхности у марок на стационарных профилях. Анализ данных показал, что пульсация всех наблюдательных точек на поверхности древних бугров и плоскобугристых торфяников отмечается каждый год, меняется только амплитуда и знак перемещения.

Уменьшение «суровости» климата и увеличение количества атмосферных осадков привели к изменению динамики криогенных процессов в северной тайге Западной Сибири. Подъем поверхности бугров и плоскобугристых торфяников, вызванный многолетним пучением практически прекратился, на некоторых естественных участках сменился тепловой осадкой, а на нарушенных участках активизировался термокарст.

Выявлено, что подъем температур воздуха и температур многолетнемерзлых пород в последние годы привели не только к увеличению мощности сезонно-талого слоя, но и к уменьшению интенсивности пучения и увеличению тепловой осадки мерзлоты на буграх пучения и плоскобугристых торфяниках. Установлено, что общая тенденция слабого опускания поверхности нарушалась слабым подъемом только однажды - зимой 2005 г. (рис.15). Подъем поверхности вследствие пучения в 2005 г. объясняется низкими температурами воздуха и незначительным количеством снега в декабре 2004 г.

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год 4.3. Оценка геоэкологическое состояния, изменения структуры и биологического потенциала островной криолитозоны Западной Сибири в условиях меняющегося климата и техногенеза В ходе комплексного мониторинга криогенных геосистем, проводимого в северной тайге Западной Сибири выполнялось крупномасштабное картографирование структуры геосистем. Исследования проводились на постоянных, закрепленных на местности стометровых площадках, в естественных условиях и на участках, нарушенных прокладкой газопровода. Площадки были разделены сеткой на 100 метровых квадратов.

В качестве примера на рис.16 приведены карты пространственной структуры ненарушенной (А) и нарушенной (Б) площадок, заложенных на торфяно-минеральном бугре пучения. На этих картах четко видно, что при техногенном воздействии, связанном с заменой трубы газопровода и отсыпкой новой насыпи, происходит почти полное нарушение структуры геосистем. Отмечается упрощение пространственной структуры нарушенных геосистем.

Рис. 16. Пространственная структура ненарушенного (А) и нарушенного (Б) бугра пучения.

Микрорельеф: 1 – ровные участки и понижения, 2 – трещина, 3 – кочки и бугорки, 4 – торфяные бугорки, 5 – песчаные повышения, 6 – кочки, 7 – вода.Доминанты микрофаций: 4- – сосудистые растения (4 – овсяница, 5 – осока, 6 –ситник, 7 – брусника, 8 – вороника, 10 – голубика, 11 – морошка, 12 – багульник, 13 – пушица, 14 – андромеда, 15 – карликовая березка, 16 –кедр, 17 – кассандра; 18-23 – мхи и лишайники (18 – кладония, 19 – сфагнум, 20 – цетрария исландская, 21- цетрария чернеющая, 22 – политрихум 23 – плевроциум;

5.15/16,18 –индекс микрофациий(числитель – сосудистые растения, знаменатель – мхи и лишайники).

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год По данным нивелировки построены карты рельефа естественной (рис.17) и нарушенной (рис.18) площадок на бугре пучения. Для микрорельефа площадок характерны кустарничково-лишайниковые бугорки высотой до 70см, сфагновые кочки и травяно-моховые мочажины, местами с водой. Рельеф естественных площадок на протяжении всего времени наблюдений остался неизменным, лишь только на ненарушенной площадке на бугре пучения увеличилась трещина на поверхности бугра, что объясняется пучением бугра.

После нарушения микрорельеф площадок был представлен кочками из перевернутых срезанных пластов почвенного покрова. Верхняя часть сезонноталого слоя была нарушена. На поверхности площадок был насыпан слой песка для улучшения проезда транспорта вдоль газопровода. Кое-где сохранились вкрапления торфа. Появились новые искусственно созданные техногенные формы микрорельефа как положительные (насыпь, навалы), так и отрицательные (водоотводные канавы, просадки). Нарушение стока насыпью вызвало развитие подтопления.

Рис.17 Рельеф естественной площадки на Рис. 18. Рельеф нарушенной площадки на Одним из важных параметров геосистем является температура грунтов.

Температура грунтов на естественных площадках ниже, чем на нарушенных площадках, что зависит от отепляющего воздействия газопровода, влажности участка, рельефа и растительности. На основе полученных данных температурных измерений построены карты температуры грунтов.

Кровля многолетнемерзлых пород понизилась на нарушенной площадке до 10 метров по данным геофизических работ (Пономарева, Скворцов, 2006).

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год Составленные крупномасштабные покомпонентные карты позволяют оценить пространственную изменчивость микрорельефа, состава и структуры растительности, температуры и мощности сезонноталого слоя и торфянистого горизонта. Они могут быть использованы при составлении прогноза изменения мощности сезонноталого слоя и температуры грунтов в природных геосистемах, которые будут нарушены в результате прокладки газопровода и сопутствующих коммуникаций.

Анализ данных мониторинга растительного покрова, полученных на постоянных стометровых площадках, заложенных как в естественных, так и в нарушенных условиях, позволил выявить тенденции в развитии естественного растительного покрова и стадии восстановления растительности на участках со снятым растительным покровом и в местах, подвергшихся пожару.

Встречаемость пушицы (рис.19) узколистной в естественных условиях в последние десятилетия растет, и она стала доминировать в покрове. В нарушенных условиях встречаемость пушицы в несколько раз выше, чем в естественных условиях, однако после повторного нарушения и затопления площадки она резко уменьшилась.

Встречаемость,% Рис. 19. Встречаемость пушицы узколистной в естественных (1) и нарушенных (2) условиях на Таким образом, проведенный мониторинг растительного покрова Севера Западной Сибири позволил изучить естественную динамику растительности и ее изменения под влиянием линейного строительства.

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год 4.4. Оценка и прогноз напряженно-деформированного и мерзлого состояния массива горных пород берегов арктических морей с помощью сейсмических Разработка методики донных сейсмических исследований на мелководных акваториях в пределах криолитозоны.

При разработке методики было необходимо решение трех задач:

1. Установить индикационные признаки выявления геокриологических объектов и границ в геологическом разрезе.

2. Оценить возможности использования волн различных типов и классов для надежного определения в разрезе геокриологических границ на мелководных акваториях.

3. Создать технологическое оборудование для возбуждения и регистрации сейсмических колебаний на дне акваторий.

При решении первой задачи было установлено, что для идентификации в разрезе геокриологических объектов и границ индикационным признаком являет коэффициент Пуассона.

Эти результаты показали, что в полностью водонасыщенных породах, независимо от их гранулометрического состава, переходу их от талого состояния к мерзлому соответствует критическое значение близкое к 0.46.

Об этом свидетельствуют данные сейсмического каротажа (рис.20) в северной части Уренгойского ГКМ (р. Ен-Яха) и на западном побережье Ямала (геокриологический стационар Марре-Сале). На р. Ен-Яха значения >0. соответствуют интервалу глубин 80-100м, который сложен горизонтом засоленных глинистых грунтов - суглинками с прослоями супеси.

В скважине 14-10 на геокриологическом стационаре Марре-Сале в интервале глубин 19-24 м также был вскрыт криопэг, представленный засоленными суглинками. В этом интервале значения равны критическим. Это является еще одним экспериментальным доказательством практической возможности и эффективности использования значений коэффициента Пуассона для идентификации в разрезе многолетнемерзлых пород (ММП). Следует обратить внимание, что по распределению значений скоростей сейсмических волн однозначного вывода о том, что геологическом разрезе присутствует криопэг, сделать невозможно. Преимущество использования коэффициента Пуассона в качестве идентификационного признака присутствия в разрезе ММП состоит в том, что непосредственно он не связан с гранулометрическим составом пород и в этом отношении является более универсальным по сравнения со скоростями сейсмических волн.

В процессе исследований разработано и успешно опробовано оборудование для возбуждения и регистрации сейсмических колебаний на дне акваторий. В состав оборудования входит импульсный электромагнитный источник сейсмических колебаний и оригинальные регистрирующие устройства.

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год Использование этого оборудования обеспечивает возможность одновременной регистрации продольных и поперечных SH-волн.

Рис. 20 Результаты обработки сейсмического каротажа А – зависимость коэффициента Пуассона от гранулометрического состава пород по данным каротажа на р. Ен-Яха. Б – результаты сейсмического каротажа на геокриологическом стационаре Марре-Сале. 1- песок, 2 – супесь, 3 – суглинок, 4 – область значений характерных для талых водонасыщенных пород.

Результатом комплексных исследований явилось создание методики донных сейсмических исследований на мелководных акваториях. Методика прошла успешную апробацию в производственных условиях при выполнении хоздоговорных работ как в криолитозоне, так и за ее пределами.

Оценка и прогноз напряженно-деформированного состояния грунтового массива.

Процесс интенсивного разрушения береговых склонов на арктическом побережье представляет собой угрозу проектируемым, строящимся и действующим производственным и технологическим сооружениям в прибрежной зоне. Эти процессы требуют изучения, оценки и прогноза для предотвращения возможных неблагоприятных последствий при эксплуатации промышленных и гражданских объектов.

Для этих целей в ИКЗ СО РАН разработана методика многоволновой разноазимутальной сейсморазведки (МРС) [2 и др.]. С помощью этой методики на основании анализа закономерностей изменчивости сейсмических характеристик – прямых и производных, – возможно оценивать особенности напряженно-деформированное состояние грунтового массива и осуществлять пространственно-временное прогнозирование его устойчивости и возможного нарушения сплошности (разрушения) еще на стадии подготовки процесса.

Режимные наблюдения на стационаре Болванский, показали, что с помощью этой методики пространственное положение трещин отрыва на морском береговом склоне было обнаружено за 1-2 года до их появления (рис.21).

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год В ходе выполнения настоящих исследований методика МРС была модернизирована. В результате для анализа оказались доступной информация о сейсмических характеристиках не только в сезонно-талом слое, но и непосредственно в мерзлом грунте. Это позволило более достоверно и объективно оценить напряженно-деформированное состояние массива ММП.

Рис.21 Результаты изучения особенностей напряженно-деформированного состояния берегового склона на геокриологическом стационаре Марне-Сале.

А – общий вид стационара с площадкой профилей МРС, Б – схема распределения Кан на площадке.

Методика МРС широко используется нами и за пределами криолитозоны для изучения и пространственно-временного прогнозирования устойчивости оползневых склонов.

5. Прогноз развития природных процессов в криосфере, эволюция инсоляции Земли под воздействием тел Солнечной системы.

1. Установлены закономерности эволюции элементов орбиты Луны и разработана ее математическая модель движения.

2. Разработан алгоритм перехода от параметров оси Земли и относительно неподвижной эклиптики к параметрам и p относительно подвижной эклиптики.

3. Проинтегрированы уравнения вращательного движения оси Земли за 200 тыс.

лет при совместном воздействии на Землю планет, Луны и Солнца. Получены амплитуды колебания оси Земли такой величины, которые могут объяснить имевшие место изменения климата в прошлом.

4. Разработан новый алгоритм расчета инсоляции Земли и рассчитана динамика инсоляции за 10 тыс. лет.

5. Создана система свободного доступа Galactica для расчета взаимодействий Nтел http://www.ikz.ru/~smulski/GalactcW/. Описание системы Galactica находится в файлах GalDiscrp.pdf и GalDiscrE.pdf на русском и английском языках, соответственно. Оно позволяет даже начинающему исследователю ставить и решать задачи с помощью программы Galactica.

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год Проект VII.63.2.2 Лабораторное моделирование фазовых равновесий, метастабильных состояний и тепломассобменных процессов взаимодействующих природных и техногенных систем при криогенензе.

Плановое задание на 2012 год 1. Изучить влияние давления на устойчивость метастабильных гидратов метана в пористой среде при отрицательных температурах, получить экспериментальные данные по диссоциации гидратов пропана на газ и переохлажденную воду.

2. Лабораторное моделирование работы естественно-конвективных охлаждающих систем для обеспечения устойчивости приустьевой зоны добывающих скважин.

3. Экспериментальное исследование тепломассообменных свойств пористых материалов с микровключениями льда под действием градиента давления.

Результат:

1. Проектирование и изготовление комплекта экспериментального оборудования и разработка методики синтеза гидратов метана в эмульсиях вода/масло Для изучения устойчивости, кинетики и механизма распада метастабильных состояний при диссоциации газовых гидратов ниже температуры 273 К впервые предложено использовать образцы гидратов, получаемые в эмульсии вода/масло. Для получения гидратов в эмульсиях вода/масло спроектировано и изготовлено экспериментальное оборудование, основной частью которого стал реактор высокого давления с перемешиванием содержимого внутри реактора при помощи магнитной мешалки (Рис.1). Реактор изготовлен из нержавеющей стали, имеет объем 50 см3, рассчитан на рабочее давление 15 МПа и прошел гидравлические испытания при МПа.

Рис.1. Реактор с мешалкой: 1- реактор, 2 – мешалка, 3 – устройство преобразования и отображения сигналов давления и температуры, 4 – компьютер для сбора, записи и хранения экспериментальных данных.

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год Для синтеза гидратов использовались метан (99,9 об.%) или природный газ (состав, об.%: С1–98,06, С2–0,46, С3–0,24, С4–0,06, С5+выше–0,02, СО2–0,15, N2–1,01) и микроэмульсия воды в масле (в/м), получаемая в результате механического перемешивания дистиллированной воды в моторном масле Castrol EDGE 0W-40.

Подобраны оптимальные условия приготовления эмульсии (содержание воды в эмульсии – 20 мас.%,, скорость перемешивания – 3600 об/мин, время перемешивания – мин), обеспечивающие ее максимальную устойчивость к расслоению. Получены распределения числа капель воды в масле по размерам и определен средний радиус капель.

Установлено, что предварительное замораживание эмульсии уменьшает индукционный период гидратообразования, поэтому для получения гидратов эмульсию охлаждали до 231 К. Методом дифференциального термического анализа (ДТА) показано, что эта температура обеспечивает кристаллизацию капель воды в эмульсии, рис.3. Установлено, что повторная кристаллизация воды в эмульсии как минимум после двух циклов замораживание/оттаивание не вызывает расслоения эмульсии и не изменяет характер распределения капель воды по размерам, рис.2 кривые 2,3. Последнее подтверждается также одинаковой температурой кристаллизации капель воды для свежеприготовленной эмульсии и после цикла ее замораживания/оттаивания, Рис. кривые 1,2.

Рис.2. Распределение капель воды по размерам в 20 мас.% эмульсии в/м: 1 – для свежеприготовленной эмульсии, 2 – после одного цикла замораживание/оттаивание, 2 –после 2ух циклов замораживание/оттаивание. Вставка – микрофотография свежеприготовленной эмульсии воды в моторном масле Castrol EDGE 0W-40.

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год Т, оС Рис.3. Кривые ДТА охлаждения (а, скорость охлаждения 0,25 оС/мин) и нагревания (б, скорость нагрева 0,1 оС/мин) 20 мас.% эмульсии воды в моторном масле Castrol EDGE 0W-40: 1 – охлаждение свежеприготовленной эмульсии, 2 – охлаждение эмульсии после цикла замораживание/оттаивание. Для наглядности кривая 2 смещена вверх относительно оси ординат на 0, 2. Получить кинетические зависимости гидратообразования метана в эмульсиях вода/масло по данным P-V-T измерений Разработана методика количественной оценки гидратообразования газов в дисперсиях (суспензии и эмульсии) вода/углеводородная жидкость по данным PV-T(давление-объем-температура) измерений. получены количественные оценки для образования гидратов метана в дисперсиях вода/масло Castrol.

Установлено, что образованию гидратов предшествует насыщение дисперсии газом. Показано, что таяние льда способствует образованию гидратов Последнее согласуется с особенностями получения объемных гидратов. Так же как и для роста объемных гидратов, скорость гидратообразования в дисперсии уменьшается со временем, вплоть до полной остановки роста гидратов. При этом в образцах дисперсии все еще может оставаться большое количество воды, не перешедшей в гидрат (до 50 мас.%). Установлено, что последовательное замораживание/оттаивание дисперсии приводит к возобновлению роста гидратов, обеспечивая практически полное превращение воды в гидрат (с точностью погрешности измерений, равной +8 мас.% ) 3. Получить количественные данные влияния величины давления на устойчивость и кинетику распада гидратов метана в пористой среде при отрицательных температурах.

На рис.4. представлена схема экспериментальной установки, используемой при выполнении настоящих исследований. В качестве модели пористой среды для Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год образования газовых гидратов использовалась засыпка кварцевого песка, насыщенного дистиллированной водой.

Рис.4. Схема экспериментальной установки: 1- термостатируемая камера; 2- реактор; 3образец; 4- термодатчики; 5- цифрофой манометр; 6- газовый счетчик; 7- компьютер; 8баллон с газом; 9-редуктор; 10-игольчатый вентиль; 11- вакуумметр; 12- вакуумный насос.

По завершению гидратообразования для изучения поведения гидратов вне области их термодинамической стабильности при отрицательных температурах реактор охлаждали до заданной температуры ниже 273 K и после установления термического равновесия давление в реакторе изотермически понижали ниже равновесного давления лед-гидрат-газ, рис.7. Диссоциация гидратов рассмотрена при термобарических условиях, которым на фазовой диаграмме вода-СО соответствуют фигуративные точкам B, C, D и Е, рис.5. Точки В и С расположены в термобарической области, где гидраты СО2 могут существовать как метастабильная фаза. (Melnikov et al., 2011). В точке D метастабильные гидраты должны диссоциировать на переохлажденную воду и газ (Melnikov et al., 2011), или же гидраты могут сохраняться благодаря эффекту их самоконсервации (Davidson et al., 198; Истомин, Якушев, 1992). Устойчивость гидратов СО2 в точке Е также может быть связана с их самоконсервацией (Circone et al., 2003).

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год Рис. 5. Фрагмент фазовой диаграммы системы вода – СО2 и схема понижения давления в экспериментах: равновесие () лед-гидрат-газ, ( ) вода-гидрат-газ; ( ) лед-вода-гидратгаз, (Sloan and Koh, 2008); х – метастабильное равновесие переохлажденная вода-гидратгаз (Melnikov et /al., 2011). (см. пояснения в тексте) Настоящими исследованиями установлено, что каждый раз при понижении давления и переходе системы в новое состояние (точки B, C, D, E, рис.5) количество газа, выпускаемого из реактора, соответствовало изменению давления газа в шапке реактора. Это свидетельствовало о том, что при понижении давления газ выделялся только из шапки реактора, а диссоциация гидратов не происходила.

Диссоциация гидратов не была зафиксирована также ни в одном из состояний, определяемых фигуративными точками B, C, D или Е. За все время наблюдения за поведением гидратов в каждом из этих состояний давление в реакторе оставалось неизменным.

Кривая EFG на рис.5 описывает поведение давления в реакторе при изохорном нагревании исследуемых образцов гидратов со скоростью 1,5 К/ч.

Заметное увеличение давления на участке FG связано с диссоциацией гидратов.

Выделившееся при этом количество газа совпадало в пределах погрешности измерений с количеством газа, поглощенным на стадии получения гидратов, подтверждая, таким образом, аномальную устойчивость гидратов СО2 при отрицательных температурах вне области их термодинамической стабильности.

На рис.6 представлены результаты изменения давления в реакторе в эксперименте с гидратами, образованными во влагосодержащем песке, после понижения давления и перехода системы в состояние, обозначенное фигуративной точкой С, и последовавшего затем изохорного нагрева реактора.

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год Замечено, что при повышении температуры вплоть до 270 К давление в реакторе практически не изменяется.

Рис.6. Изохорная диссоциация гидратов СО2 в песчаной среде после понижения давления и нагревания системы (см. обозначения к рис.7).

Начиная с 270 К давление в реакторе стремится к давлению метастабильного равновесия переохлажденная вода-гидрат-газ (участок FG).

Выше 271 К давление в реакторе изменяется вдоль кривой равновесия водагидрат-газ (GG1). Тут необходимо отметить, что особенностью настоящих экспериментов выступает высокая растворимость СО2 в воде. Именно высокая растворимость СО2 в воде может понизить температуру плавления льда, и в данном случае, при давлении 900 кПа температура плавления льда оказывается в районе 271К. Именно этим можно объяснить изменение давления вдоль кривой равновесия вода-гидрат-газ при температурах выше 271К. Однако, в данном случае это будет уже не переохлажденная вода, а обычная вода, поскольку в присутствии СО2 произошло понижение температуры плавления льда.

Таким образом, проведенные эксперименты показали, что при давлениях ниже равновесного давления лед-гидрат-газ гидраты СО2, полученные в песке, не разлагаются при температуре ниже 270 К. Разложение гидратов начинается при нагреве образца выше 271 К. При этом разложение гидратов скорее связано с плавлением льда, т.е. нарушением защитной оболочки на поверхности гидратов.

Плавление льда при температуре ниже 273 К объясняется высокой растворимость СО2 в воде, что в сочетании с давлением понижает температуру плавления льда.

Разработка методики ЯМР-релаксационного анализа содержания переохлажденной воды в модельных дисперсиях гидрат фреонапереохлажденная вода/ углеводород.

Методом импульсного ядерного магнитного резонанса (ЯМР) изучено образование гидратов фреона-12 и льда в модельной дисперсии Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год вода/полиэтилсилоксановая жидкость (ПЭС-5). На основании ЯМР-релаксационных измерений установлено, что время спин-спиновой релаксации T2 для дисперсного льда и газовых гидратов фреона-12 намного меньше, чем T2 для переохлажденной воды и ПЭС-5, входящих в модельную дисперсию. В результате спектр времен релаксации T2 дисперсии содержит лишь линии переохлажденной воды и углеводорода (Рис.7.).

Рис.7. Спектр времен релаксации T2 26 мас.% эмульсии вода/ПЭС-5 в атмосфере воздуха (температура эмульсии - 10 оС, ): a _ линии спектра ПЭС-5, б _ линия спектра переохлажденной воды. А – относительная интенсивность линий спектра.

Разработана методика ЯМР-релаксационного анализа содержания переохлажденной воды в модельной дисперсии гидрат фреона-12/переохлажденная вода/ПЭС-5. Методика основана на измерении параметров спектра времен T2 для модельной дисперсии. В отличие от традиционного ЯМР анализа содержания незамерзшей воды, основанного на измерении амплитуды спада свободной индукции, данная методика позволяет проводить измерения незамерзшей воды при наличии интенсивного ЯМР сигнала от углеводородной среды.

Проведены эксперименты по диссоциации гидратов фреона в эмульсии воды в полиэтилсилоксановой жидкости ПЭС-5 при температуре ниже температуры плавления льда в ячейке ЯМР-релаксометра. Установлено, что в дисперсии гидрат фреона-12/переохлажденная вода/ПЭС-5/фреон при снижении давления фреона ниже давления метастабильного равновесия гидрат фреона-12 - переохлажденная вода – газ наблюдается увеличение содержания переохлажденной воды в системе (рис.8.), которое свидетельствует о диссоциации гидрата на переохлажденную воду и газ.

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год Рис. 8. Изменение доли переохлажденной воды при диссоциации гидрата в дисперсной системе вода/гидрат фреона-12/ПЭС-5/фреон-12. Температура -30С, давление фреона 10кПа.

Установлено, что диссоциация гидратов фреона в замороженных дисперсиях гидрат фреона-12/лед/ПЭС-5/фреон, в которых частицы дисперсной фазы состоят из конгломератов гидрата и льда, не приводит к появлению заметного количества переохлажденной воды в системе. В этом случае гидрат диссоциирует на лед и газ.

Диссоциация при отрицательных температурах газовых гидратов, образованных в дисперсии «сухая вода»

Предложено использовать газогидратные дисперсии, приготовленные на основе гидрофобизированных наночастиц диоксида кремния и воды (”сухая вода”) в качестве физической модели газогидратных систем при изучении метастабильных состояний газовых гидратов при отрицательных температурах и влиянии на их устойчивость кристаллизации переохлажденной воды. Эти дисперсии состоят из большого числа микрочастиц газовых гидратов и воды, разделенных газопроницаемой сеткой, образованной само ассоциированными наночастицами диоксида кремния.

Одновременное изучение поведения большого числа изолированных друг от друга частиц гидратов, воды обеспечивает получение статистически значимых результатов.

Благодаря малому размеру частиц гидрата, воды время существования метастабильных состояний газовых гидратов оказывается достаточным для их детального исследования.

Определена пороговая величина переохлаждения воды в дисперсиях вода/ гидрофобизированные наночастицы диоксида кремния (“сухая вода”). Измерения проведены в режиме охлаждения системы с постоянной скоростью. “Сухая вода” приготовлена интенсивным перемешиванием воды, воздуха и гидрофобного аэросила R 202. Содержание аэросила в системе изменялось от 5 до 20 мас.%. Измерения выполнены с привлечением методов ЯМР и дифференциального термического анализа (ДТА).

На основании полученных данных установлено, что в “сухой воде” реализуется гетерогенный механизм нуклеации льда. Пороговая величина Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год температуры переохлаждения воды близка к - 100С (рис.9., рис.10). Это указывает на высокую льдообразующую активность гидрофобных частиц аэросила.

Установлено, что с увеличением объемного содержания воды в дисперсии от 5 до 20 масс.% пороговая величина переохлаждения воды по данным ДТА увеличивается на 40С. На основании данных оптической микроскопии и ЯМР показано, что причиной этого является уменьшение удельного количества центров нуклеации льда (частиц аэросила контактирующих с поверхностью воды) в системе Рис.9. Изменение доли жидкой воды (по отношению к суммарному ее содержанию) при охлаждении (1), нагревании(2) образца “сухой воды”. Содержание аэросила в “сухой воде” мас.%. Скорость изменения температуры 0,20С в минуту.

Рис.10. Термограмма ДТА “сухой воды” с содержанием аэросила 10 мас.%. Скорость охлаждения 0,50С в минуту.

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год На основании данных ДТА, установлено наличие двух максимумов на зависимости скорости кристаллизации переохлажденной воды от температуры внешней среды для дисперсий “сухой воды” с объемным содержанием аэросила 10 мас.% (рис.10.). Положение максимумов -11,10С и -9,50С соответственно. Их наличие свидетельствует о присутствии в составе “сухой воды” двух типов частиц воды с разным содержанием гетерогенных центров нуклеации льда (частиц аэросила). С использованием ЯМР-релаксационных измерений показано, что пик кристаллизации с максимумом, расположенным при переохлажденной воды в агрегатах микрокапель с числом агрегации ~ 6, пик кристаллизации с максимумом, расположенным при кристаллизацией переохлажденной воды в агрегатах микрокапель с числом агрегации ~ 30.

Нами исследована возможность использования дисперсного льда, стабилизированного гидрофобизированным пирогенным нанокремнеземом (аэросил R 202), для приготовления модельной дисперсии гидратов пропана, предназначенной для изучения метастабильных состояний воды, возникающих при диссоциации гидратов в области отрицательных температур. Выбор этой системы обусловлен тем, что в микрокаплях, стабилизированных гидрофобным аэросилом, вода может оставаться в метастабильном (переохлажденном) состоянии длительное время. Однако вопрос влияния аэросила на параметры фазового равновесия газогидратных систем в области отрицательных температур не изучен. Для решения этой задачи нами приготовлены гидраты пропана из молотого льда и дисперсий. Установлено, что при оттаивании дисперсного льда стабилизированного аэросилом дисперсия не разрушалась, а трансформировалась в дисперсию микрокапель воды (дисперсию “сухая вода”).

Для температур ниже 00С получены экспериментальные кривые диссоциации гидратов пропана, образованных из молотого и стабилизированного аэросилом дисперсного льда (рис.11).

Рис.11. Экспериментальные значения равновесного давления диссоциации гидратов пропана, приготовленных из молотого льда (квадратные маркеры) и из дисперсии льда, стабилизированной аэросилом (треугольные маркеры). Сплошная линия – значения равновеснго давления диссоциации объемных гидратов пропана Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год На основании полученных данных по равновесному давлению диссоциации гидратов установлено, что гидрофобный аэросил не влияет на величину равновесного давления диссоциации гидратов пропана в дисперсиях лед – гидрат пропана – гидрофобный аэросил. Показано, что переохлажденная вода в микрокаплях воды, стабилизированных гидрофобным кремнеземом, продолжительное время (десятки часов) не замерзает при температурах вплоть до -100С. Это позволяет использовать газогидратные системы, приготовленные из молотого льда, стабилизированного гидрофобным аэросилом в качестве физических моделей для изучения процессов диссоциации газовых гидратов на газ и переохлажденную воду при температурах ниже 00С.

6. Изучение методом импульсного ЯМР устойчивости метастабильных состояний газогидрата фреона-12 в модельных дисперсных системах при отрицательных температурах.

В ЯМР экспериментах, дополненных измерениями температуры и давления, установлено, что в процессе понижения давления газа с постоянной скоростью при отрицательных температурах газовый гидрат диссоциирует с образованием фазы жидкой воды только при отсутствии в образце кристаллов льда. В этом случае распад гидрата фиксировался сразу при пересечении линии метастабильного равновесия переохлажденная вода–гидрат–газ и сопровождался ростом количества переохлажденной воды в образце.

При использовании в экспериментах различных газогидратных систем: ледгидрат-газ и переохлажденная вода-гидрат-газ, установлено, что переход газогидрата в метастабильное состояние возможен только при отсутствии в образце кристаллов льда. В противном случае гидрат распадается с образованием льда и газа после пересечения линии фазового равновесия “лед–гидрат–газ”, о чем в данном случае свидетельствует отсутствие ЯМР сигнала от жидкой фазы воды и рост давления в рабочей ячейке с образцом до давления, соответствующего при данной температуре давлению равновесия “лед – гидрат – газ” (рис. 12).

Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что метастабильные гидраты со степенью гидратообразования Рh < 100% при давлениях Peq1 < Po < Peq характеризуются относительно устойчивым существованием в изотермических условиях (To = const). В частности установлено, что по мере понижения температуры образца от 273 K до 268 K время жизни гидрата в метастабильном состоянии уменьшается соответственно от нескольких часов до нескольких минут. Так, например, при температуре 270 K гидрат с Ph = 85,6 % просуществовал в метастабильном состоянии порядка 30 минут, в то время как гидрат с близким значением Ph ( Ph =84,3 %) не распадался при температуре 272 K в течение 3,5 часов (более длительные наблюдения не проводились). Кроме этого, было замечено возрастание устойчивости гидрата в метастабильной области с ростом величины Ph, что связано с уменьшением количества переохлажденной воды.

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год Рис.12 Динамика распада газогидрата при температуре 269,7 K в случае исследования образца с полным превращением всей непрореагировавшей воды в лед.

В свою очередь образцы гидрата фреона-12 с Рh 100 % (содержание в исследуемых образцах непрореагировавшей воды менее 1 мг) в интервале температур 270 – 273 K устойчиво существовали в области метастабильных состояний без видимых признаков разложения на лед и газ в течение времени не менее 2 часов (более длительные эксперименты не проводились) (рис. 13).

Рис.13. Динамика изменения массы воды и давления фреона-12 в образце гидрата с Рh 100% от времени нахождения его в области метастабильных состояний при температуре 270 К. В точке A откачка газа прекращена. В точке B откачка газа возобновлена Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год Более того, устойчивость гидрата с малым содержанием переохлажденной воды сохранялась и при последующем понижении давления в пределах области метастабильных состояний. Однако, после пересечения линии метастабильного равновесия переохлажденная вода–гидрат–газ, газовый гидрат распадался на жидкую фазу воды и газ, что отмечалось в эксперименте не только ростом величины давления, но также появлением и ростом количества переохлажденной воды (рис.14).

Рис14. Диссоциация гидрата (Рh 100%) при понижении давления со скоростью 0,1 кПа/мин и пересечении линии метастабильного равновесия переохлажденная вода–гидрат–газ при температуре To = 270 К. В точке А откачка газа прекращена.

Благодаря возможностям метода импульсного ЯМР установлено, что при нахождении образца с гидратом в области метастабильных состояний появление в нем кристаллов льда приводит не только к быстрому уменьшению количества жидкой фазы воды до нуля, но также инициирует процесс разложения газового гидрата.

В рассматриваемом случае об этом в первую очередь свидетельствует рост величины давления (рис. 15). При этом следует особо отметить, что при нарушении устойчивости гидрата в результате кристаллизации переохлажденной воды его распад сопровождался образованием льда. Это подтверждается тем, что в конечном итоге давление газа в ячейке с образцом с течением времени приближалось к линии равновесия “лед–гидрат–газ”.

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год Рис.15. Динамика изменения массы воды и давления газа в области метастабильных состояний газогидрата фреона-12 от времени эксперимента. На момент начала кристаллизации Ph = 89,5 %, Т o = 272 К.

Важным результатом проведенных исследований является обнаружение методом ЯМР факта восстановления устойчивости и роста гидрата фреона-12 при переводе его в изотермических условиях из области абсолютной неустойчивости в область метастабильных состояний. Это наглядно демонстрируют представленные на рис. 16 экспериментальные данные по изменению массы воды исследуемого образца гидрата в изобарических условиях и соответствующих переходах через линию равновесия переохлажденная вода-гидрат-газ.

Представленные данные доказывают, что, не смотря на предшествующую диссоциацию, при переходе в область метастабильных состояний газогидрат не только восстанавливает свою устойчивость, но и активно растет, что проявляется в уменьшении массы переохлажденной воды.

Рис.16. Обратимость перехода гидрата через линию фазового равновесия “переохлажденная вода-гидрат-газ”. Температура образца 270 K. В начальный момент времени Ph = 90 %. Давление газа внутри и вне метастабильной области поддерживали постоянным.

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год Приведенные на рис. 16 данные показывают, что в исследуемом образце на всех этапах перехода есть вода, находящаяся в жидком состоянии. Более того, с уверенностью можно утверждать, что в образце нет льда, т. к. при этом не зафиксированы характерные признаки, свидетельствующие о кристаллизации переохлажденной воды в образце: уменьшение массы жидкой фазы воды до нуля со скоростью, превышающей более чем на порядок скорость изменения ее количества при гидратообразовании и диссоциации.

7. Лабораторное моделирование работы естественно-конвективных охлаждающих систем для обеспечения устойчивости приустьевой зоны добывающих скважин” Создана лабораторная модель двухфазного естестественно-конвективного охлаждающего устройства (фотографии - Рис.17, 18), натурный аналог которого применяется для термостабилизации приустьевой зоны добывающих скважин в районах распространения многолетнемерзлых грунтов.

Моделирование работы устройства производилось при температуре внутри холодильной камеры минус 12 – 130 С и при температуре в лабораторном помещении – плюс 25 – 300 С.

Анализ полученных в результате проведения экспериментальных исследований данных позволяет сделать следующие выводы:

- Работа устройства рассматриваемой конструкции характеризуется высокой степенью неустойчивости. Из четырех охлаждающих элементов как правило работает (кипит) только один; редко наблюдается одновременная работа двух элементов; очень редко одновременно работают три элемента; одновременная работа всех четырех элементов нами не наблюдалась. При этом иногда фиксировалось довольно длительное (до 10 минут) полное и одновременное отсутствие циркуляции во всех четырех элементах (хладагент в трубках находится в перегретом состоянии).

- В тех элементах, где имеет место кипение хладагента, наблюдается существенное понижение температуры (порядка 250 С) по отношению к температуре воздуха в лабораторном помещении (Рис. 19). При отсутствии кипения температура элементов повышается и приближается к комнатной (Рис.

20).

- Неустойчивость работы устройства связана с неконтролируемым перераспределением хладагента между охлаждающими элементами, которая осуществляется в их верхней части через общий коллектор. В процессе работы часть трубок оказывается почти пустой, в то время как другая их часть – переполняется. Удовлетворительная устойчивость работы достигается только при отключении трех трубок (устройство с одним охлаждающим элементом).

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год Рис. 17. Фотография нижней части лабораторной модели естественнолабораторной модели естественно- конвективного охлаждающего устройства с конвективного охлаждающего устройства с четырьмя охлаждающими трубками. Общий четырьмя охлаждающими трубками. (сферический) коллектор соединен с Рис. 19. Динамика температуры вдоль отдельного охлаждающего элемента при отдельного охлаждающего элемента при его отсутствии кипения (на участке от 10460 до На основании полученных результатов предложена система термостабилизации устьев добывающих скважин, которая (взамен существующих конструкций охлаждающих систем) предполагает применение отдельных охлаждающих трубок, снабженных индивидуальным конденсаторным устройством (Патент на полезную модель РФ № 115820, 2011).

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год 8. Разработка теоретических основ получения газогидратных каркасов повышенной стабильности путем кластерной сборки, а также при изменении направления водородных связей в замкнутых водородно-связанных циклах 1. Проведена оценка предсказательной способности дискретной топологической модели сильных и слабых эффективных водородных связей SWEB применительно к трехмерным газогидратным каркасам. Установлено, что для трехмерных задач эта модель в точности эквивалентна значительно более простой модели SWB, которая учитывает взаимодействие лишь между ближайшими Нсвязанными молекулами. Этот результат показывает малую перспективность использования самых стабильных протонных конфигураций кластеров в форме отдельных газогидратных полостей при сборке трехмерных каркасов (Рис. 21).

Разработана оригинальная методика кластерной наносборки трехмерных газогидратных каркасов по технологии «снизу вверх», позволяющая одновременно учитывать стабильность как отдельных полиэдрических кластеров, так и получающихся трехмерных газогидратных каркасов. Разработанная методика опирается на проведенную ранее классификацию всех протонных конфигураций элементарных ячеек газогидратных каркасов (база данных протонных конфигураций).

В сотрудничестве с японскими специалистами по исследованию свойств газовых гидратов (Университет Хоккайдо) проведены первые теоретические расчеты ЯМР спектров кластеров в форме газогидратных полостей с максимально сильно отличающимися значениями как общей энергии стабилизации, так и суммарного дипольного момента. Вычисленные экстремальные протонные конфигурации использованы для квантово-химических расчетов энергий структур CH4@(H2O)20 и CH4@(H2O)24 методом B3LYP/6-311+G(2d,p), а также констант химического сдвига ЯМР по углероду. Для кластеров в форме газогидратных Рис. 21. Декомпозиция элементарной ячейки каркаса КС-1 на полиэдрические кластеры (шесть больших и две малых полости). Стрелки указывают направление Н-связей.

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год полостей установлена зависимость констант химического сдвига ЯМР от структуры протонной подсистемы. В конечном счете было установлено, однако, что общая энергия связи молекул, образующих газогидратные полости, а также их суммарный дипольный момент оказывают все же довольно слабое влияние на константы химического сдвига.

Для льдоподобных систем с тетраэдрической координацией водородных связей доказана неинвариантность кулоновского взаимодействия по отношению к изменению направления всех связей. Установлено, что в кластерах воды и других конечных системах различное расположение внешних "болтающихся" атомов водорода не является единственной причиной энергетических отличий конфигураций-антиподов. Сами смещения атомов водорода (протонов) между соседними атомами кислорода также приводят к изменению общей энергии кулоновского взаимодействия. Этот результат является неожиданным, т.к.

смещение атома водорода для каждой отдельной связи эквивалентно зеркальному отражению и энергетика водородного связывания при этом не изменяется. Однако изменяется энергия взаимодействия вторых и более отдаленных соседей, что подтверждается расчетами даже простейших модельных систем, соответствующих известным межмолекулярным потенциалам ST2 и TIP5P.

Установлено, что неинвариантной по отношению к изменению направления всех связей является лишь очень малая часть всех протонных конфигураций льдоподобных структур. В большинстве случаев, несмотря на локальные изменения энергии взаимодействия, суммарная энергия межмолекулярного взаимодействия (энергия взаимодействия вех эффективных зарядов на всех связях в упрощенных моделях) все же сохраняется. Поэтому теоретическое предсказание конфигураций, состоящих из молекул воды и водородно-связанных между собой, которые неинвариантны по отношению к повороту направления всех Н-связей, является важным результатом.

Примерами систем, обладающих протонными конфигурациями с несохраняющейся энергией взаимодействия электрических зарядов, непосредственно участвующих в образовании Н-связей, являются гексагональный цикл в конформации лодка, а также кластер, образованный четырьмя квадратными и четырьмя пентагональными циклами 4454 (Рис. 22 ).

Рис. 22. Кластер 4454 неинвариантный при изменении направления всех Н-связей Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год Для упрощенных моделей молекул, соответствующих межмолекулярным потенциалам ST2 и TIP5P, изменение направления связей означает смену знаков эффективных точечных зарядов, расположенных на каждой связи. Полученный результат ни в коей мере не противоречит принципу зарядовой симметрии электромагнетизма. Дело в том, что при изменении направления всех связей происходит не только смена знаков всех зарядов на противоположные, но все заряды также изменяют свое положение, т.к. расстояние от атома кислорода до положительных и отрицательных зарядов в каждой молекуле не одинаково.

Связанная с неинвариантностью кулоновского взаимодействия скрытая асимметрия льдоподобных систем представляет интерес для понимания механизмов самоорганизации льдоподобных систем, а также для разработки методов получения газогидратных образований повышенной стабильности.

4. Для исследования антисимметрии водородного связывания льдоподобных систем особое значение имеют слоистые наноструктуры, образованные двумя гексагональными монослоями, соединенными между собою Н-связями. Такие системы, как и обычный объемный лед и каркасы газовых гидратов, также не имеют внешних нереализованных Н-связей. И в то же время такие двумерные системы легче поддаются теоретическому исследованию. В ходе исследований таких систем теоретически предсказана новая и, как показали результаты компьютерного моделирования, очень стабильная структура бислоя льда (Рис. 23).

Новая структура может представлять интерес и для нанотехнологий, и для изучения процессов, происходящих в узких щелевидных порах.

5. Продолжена работа по составлению базы данных ориентационного (протонного) беспорядка макроскопических льдоподобных систем и наноструктур льда. Для этих целей точно решен ряд перечислительных задач для нанотрубок и слоев льда. В частности, разработан удобный алгоритм вычисления числа протонных конфигураций фрагментов нанотрубок льда различных типов, а также слоев льда с периодическими граничными условиями. Хотя основу алгоритма составляет известный метод матрицы перехода, для применения нового алгоритма ко всем рассмотренным системам достаточно задать лишь очень небольшие исходные матрицы размером 2 x 2 и 4 x 4. В Таблице 2 для нанотрубок типа зигзаг и кресло (Рис. 24) представлена точная статистика Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год бездефектных протонных конфигураций, подчиняющихся известным правилам льда Бернала-Фаулера.

6. Предложены и исследованы две новые двумерные модели льда с необычной топологией сетки водородных связей: модель скрученного квадратного льда с пересекающимися водородными связями и дигонально-гексагональная модель с двойными связями (Рис. 25). Несмотря на свою крайнюю необычность новые модели наиболее реалистичны из всех известных двумерных 6-вершинных моделей, включая модель квадратного льда, а также модели кагоме и рубин. Это связано с тем, что в комбинаторно-топологическом плане предложенные модели в точности эквивалентны слоям обычного гексагонального льда Ih с периодическими граничными условиями в одном из направлений. В результате для большого числа двумерно расширенных ячеек гексагонального льда Ih впервые получены точные числа протонных конфигураций, что может послужить хорошей основой для дальнейшего детального исследования наноструктурных свойств льда.

предназначенные для расчета числа протонных конфигураций в расширенных ячейках обычного Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год 9. Экспериментальное исследование тепломассообменных свойств пористых материалов с микровключениями льда.

Исследования проводились с целью выяснения влияние размеров включений льда на тепломассообменные свойства мерзлых пористых материалов.

Результаты:

Разработана конструкция и изготовлен экспериментальный образец (Рис.26), который состоит из двух сортов керамики с различными размерами пор. Средний размер пор керамики во внутренней части образца (1) выше среднего размера пор керамических пластинок на периферии (2). Так температура начала замерзания воды в керамике (1) порядка –0,05 оС, в то время как для керамики (2) эта величина Рис. 26. Экспериментальный образец. 1 – пористая составляет порядка –0,35 оС. керамика, 2 – микропористые мембраны, 3 – изготовления микропористых фильтров (2) на основе каолиновой глины.

Методом ЯМР определено содержание незамерзшей воды в керамике (1) в зависимости от температуры в диапазоне от 0 до –20 оС.

Дилатометрическим методом определено изменение содержания незамерзшей воды внутренней части образца в диапазоне температуры от 0 до –0,2 оС.

Проведены опыты по измерению потоков тепла и массы через образец, вызванных градиентом давления жидкости, при различных средних температурах на экспериментальной установке, изображенной на Рис. На основании проделанной работы могут быть сделаны следующие предварительные выводы.

Методы ЯМР и дилатометрический анализ дают заметное расхождение в определении количества льда в образце вблизи температуры начала замерзания.

Так при изменении температуры от –0,20 до +0,0 оС метод ЯМР дает уменьшение объемной доли льда в образце на 0,063. В то время как дилатометрический метод дает значительно большее значение равное 0,2.(рис.27) При увеличении температуры от –0,15 до –0,05 град. наблюдается обратная картина - метод ЯМР дает большую величину изменения объемной доли льда по сравнению дилатометрическим методом: 0,030 и 0,015 соответственно.

Сравнительный анализ результатов настоящей работы и проделанной ранее - по изучению тепломассообменных свойства керамики с макровключением льда – показывает значимость размерного фактора на характер тепломассообменных процессов в мерзлых пористых средах.

Объемная доля льда в образце с макрополостью равна 0,28, а по отношению к пористому пространству составляет 0,58.

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год В то время, как в керамике содержание льда по данным ЯМР при температуре выше –0,5 оС значительно меньше (Табл. 3) Перепад температуры, С Рис. 27. Перепад температуры на пластинах 2 (Рис. 36) в зависимости от температуры образца в режимах охлаждения (1) и нагрева (2).

Таблица 3. Содержание льда в образце по данным ЯМР при различной температуре Объемная доля льда в образце 0,016 0,063 0,097 0, Объемная доля льда в пористом 0,064 0,248 0,386 0, пространстве образца С одной стороны, опыты с керамикой, содержащей макровключение льда, показали, что гидропроводность слабо зависит от температуры в диапазоне от до –0,05 оС и составляет 2·10 14 м2/(Па·с), что на два порядка меньше гидропроводности талого образца равной 2·10 12 м2/(Па·с). В этом диапазоне температуры основная масса льда находится в полости, объемная доля льда в керамике практически не зависит от температуры и составляет порядка 28%.

С другой стороны, как показывают данные гидропроводность мерзлой керамики с микровключениями льда существенно зависит от температуры и при оС примерно на два порядка меньше талого. Объемная доля льда в образце по данным ЯМР при этом не превышает 2%. То, что незначительное содержание льда существенно влияет на гидропроводящие свойства мерзлого образца, может свидетельствовать о малой подвижности микровключений льда под действием градиента давления жидкости.

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год Следовательно можно сделать предварительный вывод о том, что скорость движения льда в пористой среде под действием градиента давления жидкости зависит от размера включений и уменьшается с уменьшением размера включений льда.

Вследствие малого количества льда в образце и слабой его подвижности в порах керамики, зафиксировать движение льда в пористой среде посредством перепада температуры на образце не удалось – разность температуры не превышает 0,01 оС и находится в пределах погрешности эксперимента (Рис. 39).

Таким образом, с уменьшением размера включений в пористой среде величина перекрестного коэффициента переноса Ctp зависит от размеров ледяных включений в пористой среде и понижается с уменьшением их размеров.

Разработка математической модели расчета процессов 10.

тепломассопереноса в сезонных охлаждающих устройствах и охлаждаемых ими грунтах.

Cоздана теория тепломассопереноса внутри ГЕТ (горизонтальная естественно-действующая трубчатая система). Наряду с этим решены задачи тепломассообмена в охлаждаемых этими системами грунтах, находящимися под зданиями и сооружениями.

Cоздана теория тепломассопереноса хладагента внутри глубинных сезонных охлаждающих устройств (СОУ) с глубиной замораживания грунта до ста метров. Наиболее важным следствием полученной теории является возможность существенного улучшения работы СОУ путем замены стальной внутренней трубки, (рис.28) на трубку, из материала с низким коэффициентом теплопроводности. На рис.29 приведено распределение температуры хладагента по длине контура циркуляции для стальной внутренней трубки. Видно, что в нижней части СОУ температура хладагента больше нуля, и, следовательно, СОУ замораживает грунт не на всю длину. Из рис. 30, в свою очередь, видно, что если внутренняя трубка сделана из материала с низким коэффициентом теплопроводности, то СОУ замораживает грунт на всю глубину.

Разработаны методы численного расчета тепломассопереноса в грунтах под зданиями и сооружениями, охлаждаемыми сезонными охлаждающими устройствами.

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год Рис.28 Контур циркуляции. 1-точка начала контура, 2-текущая точка, 3-внешняя трубка длиной 100м, 4-внутренняя трубка длиной 95 м, стрелками показано направление движения хладагента.

Рис.29. Температурное поле на 21 января 1990, Рис.30. Температурное поле на 21 января 1990, в плоскости, проходящей через центр в плоскости, проходящей через центр резервуара и расположенной перпендикулярно резервуара и расположенной параллельно вертикальной оси отложена глубина, по вертикальной оси отложена глубина, по горизонтальной оси - расстояние от центра горизонтальной оси - расстояние от центра резервуара свидетельство о государственной резервуара.

регистрации №2011615898 от 28 июля 2011г.

Была разработана программа Термополе-3D, позволяющая рассчитать температурные поля. В частности на рис.29 и рис.30 изображены температурные Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год поля под резервуаром с нефтью на Уренгойском месторождении на 21 января 1990 года. Рассчитанные температурные поля хорошо согласуются с данными термометрического мониторинга. На программу было получено Проведено численное моделирование работы горизонтальной системы температурной стабилизации грунтов (ГЕТ).

Система ГЕТ выполнена из шести стандартных конденсаторных блоков, которые подключены к горизонтальным трубам испарителей. Расстояние между трубами испарителей составляет 0.6м. Между полом и трубами испарителей находится слой теплоизоляции из пеноплекса толщиной 0,2 м.

Трубы испарителей размещены на участке 50м на 28м. Здание пождепо имеет размеры в плане 46м на 24м. Расчетная область изображена на рисунках 45-47 и имеет следующие размеры: 70м вдоль оси y, 50м вдоль оси z и 15м вдоль оси x.(Рис.32,32) Рис.31. Расчетная область и расположение скважин в координатной плоскости yz.

Рис.32. Расчетная область в координатной плоскости хy.

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год Расчеты производились до марта 2012г. В частности на рис.33 изображено температурные поле, полученное при расчетах на 31.03.2012 и на рис. приводится сравнение термометрического мониторинга и расчетных данных.

Рис.33. Температурное поле на глубине 5м от нижней кромки пеноплэкса на 31.03.2012. По оси абсцисс отложена координата y, измеряемая в шагах координатной сетки, по оси ординат отложена координата z, измеряемая в шагах координатной сетки.

Рис.34. Сравнение расчетных и экспериментальных данных в скважине №3 на 31.03.2012г. по оси y отложена температура, по оси x глубина (м). Красная сплошная линия расчетные значения, синяя штрихованная линия данные термометрии.

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год Как видно из сравнения экспериментальных и расчетных значений температур грунтов основания здания система ГЕТ обеспечивает температурную стабилизацию и несущую способность вечномерзлых грунтов. Разработанный метод расчета позволяет с достаточной точностью прогнозировать динамику изменения температурных полей в грунтах с применением системам ГЕТ. При этом необходимо отметить, что расчетные и фактические тепловые потоки на один погонный метр трубы испарителя находятся в рабочем диапазоне, что свидетельствует об эффективной работе систем ГЕТ.

11. Экспериментальное определение электродных потенциалов металлов во льду с целью выяснения механизмов их коррозии.

Важной проблемой инженерной геокриологии является проектирование фундаментов сооружений с учетом особенностей процессов, происходящих в мерзлых грунтах. К ежегодным катастрофическим убыткам приводит коррозия металлических конструкций, находящихся в контакте со льдом и льдонасыщенным грунтом. Согласно оценкам экспертов коррозия трубопроводов, проложенных в мерзлых грунтах, имеет интенсивность сравнимую или даже превышающую интенсивность коррозии в грунтах лесостепной зоны не смотря на то, что среднегодовая температура в мерзлых грунтах на десятки градусов ниже.

Причиной высокой коррозионной активности мерзлых грунтов является наличие льда и процессов его структурного преобразования.

С целью выяснения механизма коррозии металлов, находящихся в контакте со льдом, были выполнены измерения электродных потенциалов металлов алюминия, меди, железа и свинца во льду.

12. Развитие математической модели коррозии металлов на фронте кристаллизации воды на основе анализа электрохимического и химического механизмов реакции Для объяснения ранее полученных экспериментальных данных по ускорению коррозии на фронте кристаллизации воды была сформулирована математическая модель и найдены ее решения. Суть модели заключается в том, что при фазовом превращении на фронте кристаллизации освобождаются неравновесные ориентационные дефекты. Дефекты диффундируют из объема льда к границе с металлом и рекомбинируют на его поверхности. При этом освобождается энергия в виде колебаний рекомбинационного центра, которая путем столкновений передается реагентам, преодолевается барьер реакции и ускоряется коррозия.

Данная модель предполагала химический (не электрохимический) механизм реакции по схеме Me Ox Me z Red, где Ox и Red - окисленная и, соответственно, восстановленная формы реагентов. Недостатком данного механизма является то, что он предполагает лавинообразное развитие реакции вплоть до полного расходования исходных реагентов, поскольку колебательная энергия не поглощается в элементарном химическом акте, а лишь служит спусковым механизмом, и может способствовать завершению множества Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год элементарных актов. В опытах лавинообразное течение коррозии не наблюдается.

Коррозия надежно контролируется скоростью кристаллизации (интенсивностью отвода тепла). Поэтому, более подходящим для описания темпов коррозии на фронте кристаллизации представляется электрохимический механизм по схеме с полуреакцией окисления атомов металла: Me Me z ze и полуреакцией окисленности металла, e – электрон, O – кислород, H - водород. Во второй полуреакции участвуют ионы водорода. Для описания результатов опытов концентрация ионов водорода должна достигать неравновесной величины N= м-3 (равновесная составляет 1020 м-3). Это возможно при существовании способа превращения ориентационных дефектов в ионы водорода. Такой способ может существовать вблизи границы лед-металл (область существования квазижидкого слоя воды) где энергия рекомбинации ориентационных дефектов и энергия диссоциации молекул воды на ионы могут быть близки. Количество ориентационных дефектов на фронте кристаллизации для этого достаточно. Их неравновесная концентрации может достигать значений N=1028 м-3.

На рис.35 представлена рассчитанная, согласно модели с электрохимическим механизмом реакции, зависимость количества прореагировавших атомов металла на единице площади поверхности (размерность м-2) от времени и аналогичная зависимость, взятая из выполненного нами опыта и приведенная к размерности, миз единиц электрического сопротивления металлической пленки.

Кристаллизация начинается в момент времени t=0. В опыте корродирует количество металла, заключающееся в одном поверхностном атомном слое.

Согласие расчета и опыта удовлетворительное.

Рис.35. Расчетная и экспериментальная зависимости поверхностной плотности I прореагировавших атомов меди от времени t.

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год Таким образом, проанализирована математическая модель ускорения коррозии металлов во льду на фронте кристаллизации воды, основанная на электрохимическом механизме реакции. Достигнуто удовлетворительное согласие расчетной и экспериментальной зависимостей поверхностной плотности прореагировавших атомов меди от времени.

13. Экспериментальная ячейка для получения водного аэрозоля при низкой температуре, результаты измерения размеров и электрического заряда частиц. Анализ пригодности полученных данных для прогнозирования химической активности аэрозолей на контакте с металлом Конструкции, оборудование, сооружения, эксплуатируемые в приземной части атмосферы, подвергаются атмосферной коррозии. Атмосферная коррозия носит менее разрушительный характер, чем почвенная и морская, но, тем не менее, способна приводить к значительным потерям металла, снижению прочности и разрушению конструкций. Реальная скорость атмосферной коррозии низкоуглеродистой стали колеблется от 30 (в сухой сельской атмосфере) до (в морской атмосфере) г/(м2*год). Экспериментально данные процессы мало изучены. Поэтому, целью настоящей работы явилось исследование электрического заряда и размеров капель воды в капельном кластере (Федорец, 2004) – представителе водного аэрозоля (тумана). Для получения капельного кластера была создана экспериментальная установка, реализующая методику локального нагрева поверхности воды (Федорец, 2004).

На рис.36 представлено видеоизображение капельного кластера при температуре 90С под углами зрения 90 и 30°. При увеличении (уменьшении) температуры нагревателя увеличивались (уменьшались) диаметр капель, высота левитации, межкапельное расстояние. При заданной температуре капли характеризовались равновесными диаметром, высотой левитации, межкапельным расстоянием. При приложении к электродам разности потенциалов 1,5 кВ высота левитации капель изменялась. При этом были замечены следующие особенности 1) Капли, выпавшие из переохлажденного пара на поверхность воды и не достигшие равновесного размера, вели себя как положительно заряженные частицы: при подаче положительного потенциала на верхний электрод высота левитации капель над поверхностью воды уменьшалась, а при подаче отрицательного потенциала – увеличивалась.

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год Рис.36. Видеоизображение капельного кластера над водной поверхностью под углом зрения и 30° при температуре 90С.

2) При достижении каплями равновесного размера (при заданной температуре поверхности воды) поведение капель становилось иным. Высота левитации уменьшалась при приложении к верхнему электроду как положительного, так и отрицательного потенциала.

На рис.37 приведены значения величин зазоров между каплей и поверхностью воды h, h(-U), h(+U), соответственно, в отсутствии потенциала на верхнем электроде, в присутствии отрицательного потенциала, в присутствии положительного потенциала, в различные моменты времени t при температуре поверхности воды 95°С. На рис.52 также приведены значения диаметра капель D.

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год Рис. 37. Диаметр капель D и величина зазора между каплей и поверхностью h, h(-U), h(+U), соответственно, в отсутствии потенциала на верхнем электроде, в присутствии отрицательного потенциала, в присутствии положительного потенциала в различные моменты времени t, прошедшего с момента образования кластера, при температуре поверхности воды 95°С.

На рис. 37 видно, что с течением времени диаметр капель увеличивается, стремясь к равновесному значению при заданной температуре. При подаче отрицательного потенциала на верхний электрод величина зазора h между каплями и поверхностью воды увеличивается примерно на 50 % (заряд капель положительный) и на столько же уменьшается при подаче положительного потенциала. По мере приближения капель к равновесному размеру влияние внешнего поля на положение капель снижается. По достижении равновесного размера относительное изменение величины зазора h/h под действием разности потенциалов составило в среднем 25-30 %, при этом не зависело от полярности напряжения. Вероятно, при достижении равновесного размера заряд капель снизился до нулевого значения, и стали существенными эффекты поляризации Полученные данные о заряде капель воды в капельном кластере могут быть пригодны для прогнозирования химической активности атмосферных аэрозолей на контакте с металлом. Опыты показали, что в том случае, когда конденсация на поверхности капель преобладает над испарением, капли приобретают положительный заряд относительно пара. Коррозия в местах контакта таких капель с металлом должна тормозиться. Напротив, при доминировании процессов испарения воды на поверхности капель, заряд капель может становиться отрицательным. При этом интенсивность коррозии будет увеличиваться. Для заметного увеличения коррозии необходимо, чтобы электрический потенциал капель составлял –(0.1-1) В. При измеренном заряде z=1000 потенциал имеет на порядок меньшее значение, сравнимое с энергией теплового движения носителей заряда в паре, выраженной в вольтах.

Ежегодный отчет по научно-исследовательской деятельности ИКЗ СО РАН за 2012год «Криогенные ресурсы Арктики и Субарктики: состояние и структура криолитозоны, физико-химическое моделирование и биологический Блок 1. «Состояние и структура криолитозоны Арктики и Субарктики».

Плановое задание на 2012 год Изучить структуру и динамику криолитозоны прибрежно -морской области западного сектора Российской Арктики, разработать методику количественной оценки активности криогенных процессов.

Результаты 1.1 «Криолитозона шельфа и континентального обрамления Евразии:

история формирования, современное состояние, тенденции эволюции, оценка роли в формировании потоков парниковых газов».

Основные усилия по изучению субаквальных и прибрежно-морских многолетнемерзлых четвертичных пород в 2012 г были сосредоточены в регионе Западного Ямала. Основными задачами являлись:

- изучение строения и свойств основных четвертичных комплексов многолетнемерзлых пород на шельфе и берегах, составление опорных криолитологических разрезов;