Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2022, № 5, стр. 73-86

ВВЕДЕНИЕ

Газонасыщенные грунты широко распространены в донных отложениях, газ в них чаще всего представлен метаном и находится в условиях гидростатического давления, значительно превышающего атмосферное [26]. Именно с такими грунтами во многих случаях связано развитие субаквальных оползней, но закономерности изменения свойств глинистых грунтов при газонасыщении, а соответственно расчет и моделирование развития и активизации оползневых процессов, в значительной степени остаются слабо изученными. Во многом это обусловлено изменением их строения при извлечении керна на поверхность, в ходе подготовки и проведения испытаний, что приводит к неопределенности и противоречивости результатов испытаний.

Цель проведения исследований – разработка метода подготовки образцов газонасыщенных глинистых грунтов и определение закономерностей изменения строения и свойств придонных глинистых грунтов в зависимости от их газонасыщенности.

АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ИЗУЧЕНИЯ ГАЗОНАСЫЩЕННЫХ СУБАКВАЛЬНЫХ ГРУНТОВ

Один из основных параметров содержания газа в донных отложениях – степень насыщения S, равная отношению суммы объема воды и свободного газа к объему пустот в грунте [12]. Степень насыщения субаквальных грунтов газом зависит от давления, оказываемого на грунт водной толщей и вышележащими отложениями. Согласно исследованиям [12] при S > 90% в субаквальных грунтах могут существовать газы, не только растворенные в воде, но и в свободном состоянии. Большинство исследований газосодержащих отложений направлены на изучение грунтов с насыщением в среднем более 85% [12, 15, 16, 20, 21, 32, 37].

Газ в субаквальных грунтах может находиться в свободном (пузырьки), защемленном (мениски), растворенном состоянии, а также в виде молекул, сорбированных на поверхности минеральных частиц [34]. Хотя газ в растворенной форме сам по себе не влияет на механические свойства грунтов, формирование или диссоциация газовых гидратов и захваченных пузырьков газа могут значительно изменить характеристики грунтов [18, 26]. Состояние нерастворенного газа (пузырькового) в грунте зависит от соотношения давления газа и давления поровых вод, а также от сил поверхностного натяжения на границах раздела фаз и радиуса кривизны менисков (рис. 1).

Рис. 1.

Схема строения субаквальных грунтов, содержащих газовую компоненту [5].

Газовые включения по свойствам резко отличаются от твердой и жидкой компонент грунтов, а их наличие оказывает влияние на физические [33], механические [16, 34], акустические [9] свойства вмещающих грунтов. Наибольшее влияние на свойства субаквальных грунтов оказывают свободные и защемленные газы. При этом степень влияния газовых включений на механические свойства грунта зависит от их относительного объема и величины порового давления [36]. Наличие свободных газов в грунте обусловлено поровым давлением, концентрацией газа и коэффициентом его растворимости. Исследования [12] показали, что, в то время как согласно лабораторным экспериментам коэффициент растворимости метана около 0.030, натурные исследования подводных отложений показывают значения, близкие к 0.002.

При понижении давления в поровой воде выделяются газы в виде пузырьков. Аналогичное явление часто возникает при подъеме с глубины водонасыщенных образцов пород при бурении скважин: из-за разницы в них пластового и атмосферного давления начинают бурно выделяться пузырьки растворенных газов. Выделение растворенных и защемленных газов сопровождается ослаблением структурных связей между частицами в грунте и его разупрочнением [6].

Исследованию газонасыщенности донных отложений посвящено множество работ, как методических, так и практических. В методических работах чаще всего рассматриваются способы измерения содержания выделившегося газа, например: Head-space – метод свободного отделения газа от образца грунта [1]; метод извлечения газа при помещении образца в вакуум [14]; выделение окклюдированного газа – перемешиванием образца грунта в шаровой мельнице [11] или в кухонном блендере [29], а также с помощью шейкера [31, 37]; выделение газа, адсорбированного в молекулярной структуре минерального скелета, – извлечение путем разложения кристаллической решетки глинистых минералов горячей фосфорной кислотой [13, 14].

Практические работы посвящены, как правило, картированию газонасыщенности отложений в акваториях и дальнейшей интерпретации данных [7, 31, 38]. В последнее время наибольший интерес представляют исследования осадочных отложений, включающих в себя включения газовых гидратов [10, 24, 39, 40], и непосредственно самих природных газовых гидратов.

Отдельные теоретические модели, описывающие поведение газонасыщенных дисперсных грунтов, представляющие наибольший интерес, рассмотрены в данной работе.

В [35] С. Уиллер (S.J. Wheeler) предложил методику оценки сопротивления грунтов недренированному сдвигу. Выведенные в его работе теоретические кривые ограничивают диапазон значений прочности, которые могут быть выше, равны или ниже, чем прочность при предельном насыщении грунта газом. Хотя эти верхние и нижние граничные значения могут быть применены для оценки, эта модель не позволяет получить количественных параметров значения прочности. S.D. Thomas [30] охарактеризовал модель, которая дает простое описание поведения уплотнения газонасыщенных грунтов, но также не позволяет оценить величину их прочности.

Соотношения, предложенные S. Pietruszczak и G.N. Pande [22], позволяют получить количественный прогноз сопротивления грунтов недренированному сдвигу; однако результаты их модели не были подтверждены лабораторными испытаниями. Позднее S. Pietruszczak и соавт. [23] для проверки своей модели опробовали экспериментальную программу на частично насыщенном песке Оттавы (хорошо сортированный кварцевый песок, вода, воздушная смесь). Прогнозные модели соответствовали наблюдаемому экспериментальному поведению грунта.

Разработке методики количественного прогноза величины прочности на недренированный сдвиг газонасыщенных грунтов и улучшению модели, описывающей реакцию взаимодействия разного количества насыщенного газа в глинистых грунтах на растворимость газа и сжимаемость газовой фазы, посвящена работа J.L. Grozic [16]. Эта модель рассматривает основные прочностные характеристики грунта как постоянные (отсутствие деформаций в грунте) во время процессов расширения газа. Теоретическая модель предсказывает увеличение прочности при недренированном сдвиге с уменьшением газонасыщенности из-за сжатия поровых флюидов. Модель учитывает влияние концентрации газа, напряжения консолидации, объемного коэффициента растворимости газа и объема пустот грунта на сопротивление недренированному сдвигу как для газонасыщенных, так и водонасыщенных грунтов.

Устойчивость склоновых отложений в связи с их газонасыщенностью изучалась и отечественными исследователями. В частности, устойчивость газонасыщенных отложений рассмотрена на примере верхней части разреза Баренцево-Карского шельфа С.И. Рокосом [4]. По его мнению, наличие в грунтах скоплений газа с избыточным пластовым давлением оказывает влияние на напряженное состояние грунтового массива, снижая литостатическое (бытовое) давление в нем, что может оказывать существенное влияние на расчетные оценки осадки фундаментов инженерных сооружений. Для полной и точной оценки напряженного состояния газонасыщенных грунтовых толщ представляется необходимым проводить измерения естественного порового (пластового) давления in situ [4].

Обобщенный анализ реакции газонасыщенных грунтов на действие сдвиговых нагрузок, проведенный по имеющимся литературным данным, представлен на рис. 2.

Рис. 2.

Влияние газа на сопротивление сдвигу грунтов. Анализ проведен по материалам исследований дисперсных грунтов [17, 19, 21, 25, 28, 35].

В целом анализ результатов исследований газоснасыщенных дисперсных грунтов показывает, что современные теоретические представления об их строении и свойствах носят во многом эмпирический характер и не могут в полной мере качественно описать и количественно охарактеризовать влияние газов на их прочность.

Газонасыщенные грунты имеют более сложное строение по сравнению с двухкомпонентными грунтами, в составе которых газовая компонента отсутствует. При этом строение газонасыщенных грунтов может изменяться при подготовке и в ходе проведения испытаний, что практически невозможно контролировать при стандартных испытаниях грунтов на сдвиг. В результате этого реальное поведение газонасыщенных грунтов под действием сдвиговых нагрузок может существенно отличаться от теоретических положений, разработанных для сплошных тел.

Можно утверждать, что современные общепринятые методики определения прочности газонасыщенных дисперсных грунтов не дают полную достоверную ее характеристику. Это создает предпосылки для разработки специальной методики испытаний таких грунтов, которая позволяла бы контролировать и количественно учитывать характер их строения для объективной оценки их прочностных свойств. Для решения такой задачи авторами был применен метод газонасыщения грунтов путем их смешивания с газонасыщенными цеолитами с контролируемыми параметрами. Результаты экспериментального определения влияния количественного содержания газов в грунтах на их прочность представлены в данной работе.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ

В качестве объекта исследования были использованы образцы грунтов, отобранных в районе развития субаквального оползня Красноярский на оз. Байкал (рис. 3). Характерная особенность этого оползня – его приуроченность к скоплению придонных газовых гидратов у подножия склона. Согласно сформулированным гипотезам образования оползня Красноярский [3], ключевым фактором, контролирующим положение тела оползня на склоне авандельты р. Селенга, является аномальная (повышенная относительно фоновых значений) газонасыщенность придонных отложений.

Рис. 3.

Батиметрическая схема района развития оползня Красноярский.

Субаквальный оползень был обнаружен в ходе интерпретации результатов съемки, выполненной в 2009 г. многолучевым эхолотом. Оползень расположен в нижней части склона авандельты р. Селенга на расстоянии около 16 км от береговой линии. У подножия оползня располагается сип “Красный Яр”¹¹, для которого характерно проявление скоплений приповерхностных газовых гидратов [8].

Образцы представляют собой набор кернов, отобранных в различных частях дна в районе развития субаквального оползня Красноярский:

− TTR-BL17-261G – участок дна, наиболее удаленный от оползня и сипа “Красный Яр”;

− TTR-BL19-441G – тело оползня;

− TTR-BL19-442G – не нарушенная оползанием часть склона, расположенная выше сипа “Красный Яр”, вблизи оползня;

− TTR-BL19-443G – область развития сипа “Красный Яр”.

Отложения схожи по минеральному составу, что подтверждено данными рентген-дифракционного анализа. Свойства образцов представлены в табл. 1.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Изучение субаквальных склонов, затронутых современными процессами оползания или рассматриваемых как потенциально оползневые, в связи с тектонической активностью региона или активностью процессов флюидоразгрузки, а также повышенной газонасыщенностью осадков, производится, как правило, методами геофизической съемки (сейсмоакустическое профилирование). В настоящей работе рассматривается влияние газовой компоненты на механические свойства грунтов, слагающих склон акватории оз. Байкал, по результатам лабораторных исследований.

Идея использования цеолитов подчерпнута из работы S.J. Wheeler [34]. Предложенный им метод был модифицирован в связи с задачей определения прочностных характеристик для образцов грунтов, отобранных на полигоне исследований, с сохранением их влажности.

Цеолиты – это химически инертные соединения (природные и искусственные), которые обладают по структуре химической связи родством к полярным молекулам, таким как вода. Цеолиты –большая группа близких по составу и свойствам минералов, водные алюмосиликаты кальция и натрия из подкласса каркасных силикатов, со стеклянным или перламутровым блеском, известные своей способностью отдавать и вновь поглощать воду в зависимости от температуры и влажности. Другое важное свойство цеолитов – способность к ионному обмену – избирательно выделять и вновь впитывать различные вещества, а также обменивать катионы.

Для имитации газонасыщения образцов грунта в цеолит вводится атмосферный воздух (O₂, CO₂, N₂ и т.д.), который замещается молекулами воды, когда насыщенный газами цеолит смешивается с влажным грунтом. Выбор марки искусственного цеолита типа 5А, имеющий формулу Ca_4.5Na₃(AlO₂)₁₂30H₂O, был сделан путем сравнения диаметра молекулы азота 4 Å с размером пустот, заключенных в кристаллической решетке цеолита.

Цеолиты измельчаются до муки с размером частиц в 6 мкм. В специальную герметичную колбу с цеолитами закачивается атмосферный воздух под давлением 200 кПа, которое поддерживается в течение получаса. Такая процедура позволяет насытить кристаллическую решетку цеолитов молекулами атмосферного воздуха.

Интенсивность адсорбции элементов, составляющих газовую компоненту, на поверхности минеральных частиц меняется в ряду: CH₄ > СО₂ > > N₂ > O₂ > Н₂O. Поэтому адсорбированные газы по составу отличаются от газов, находящихся в свободном состоянии [2, 6].

Сравнение адсорбции N₂ и CH₄ показывает, что из смеси адсорбируется больше метана из-за более сильных взаимодействий с адсорбентом [5]. Это подтверждается моделированием адсорбции смеси CH₄/N₂ [2], причем с ростом парциального давления азота происходит изменение состава флюидной фазы – азот замещает метан.

Затем цеолит механически перемешивают с грунтом. Цеолиты, содержащиеся в смеси, принимают молекулы воды, отдавая при этом в окружающее пространство молекулы газа (преимущественно азота). Образец устанавливается в сдвиговый прибор, на него передают нормальное давление. В результате образец уплотняется, его объем уменьшается, а в его структуре формируются пузырьки свободного газа, что продемонстрировано ниже по стереометрическим данным строения образцов грунта.

Техника приготовления модельных образцов с помощью газонасыщенных цеолитов позволяет имитировать процессы образования пузырьков газа, которые происходят в морской среде, например, при которых метан образуется вокруг ядер метаногенерирующих бактерий в водонасыщенном уплотняющемся грунте. В лабораторных испытаниях частицы цеолита образуют в грунте ядра формирования пузырьков газа, что позволяет предполагать формирование аналогичной структуры грунта и в естественных условия морского дна.

В настоящей работе образцы, исходя из соображений безопасности, насыщались атмосферным воздухом. Для контроля объема (концентрации) газа, который цеолиты “передают” к грунтовой пасте, были проведены измерения на хроматографе. Газ из подготовленных образцов был извлечен, грунт дегазировался согласно стандартной методике Head-space [37].

Для установления зависимости концентрации газа от массы цеолитов было проведено 20 измерений, по 5 для каждого из образцов. С 1000 г грунта было смешано 0, 5, 10, 15 и 20 г газонасыщенных цеолитов, и для каждого образца выполнены дегазация и последующее изучение состава газа на газовом хроматографе.

Газовая хроматография выполнялась на портативном газовом хроматографе “Хроматэк-газохром 2000” с двумя детекторами по теплопроводности (детектор с повышенной чувствительностью на углеводородные газы и детектор на не углеводородные газы). В результате было получено отношение концентраций газов из газовой смеси, а также их отношение к атмосферному воздуху, что и послужило параметром, определяющим влияние цеолитов на газонасыщенность грунта.

Определение прочностных характеристик грунтов проводилось на специально подготовленных модельных образцах. Образцы подготавливались из 4 близких по строению разрезов грунтов, отобранных на разных геоморфологических участках акватории оз. Байкал, в районе развития субаквального оползня Красноярский. Навески грунтов массой 1000 г смешивались с 5, 10, 15 и 20 г газонасыщенных цеолитов соответственно. Из полученных смесей, а также из исходных грунтов, в которые цеолиты не добавлялись, изготавливались модельные образцы. Испытания на одноплоскостной срез проводились в недренированных условиях с измерением порового давления, что позволяет определить сцепление (C) и угол внутреннего трения (φ) грунтов в эффективных напряжениях. Испытания проводились методом одноплоскостного среза, так как именно этот метод позволяет наиболее точно моделировать естественные условия субгоризонтальных нагрузок, приводящих к развитию оползневых процессов.

Для контроля выполнения условия наличия пустот, образованных в ходе дегазации цеолитов, была выполнена съемка 6 образцов на компьютерном томографе SkyScan 1172. Разрешение съемки – 6.5 мкм. Для пробоподготовки грунта к изучению на компьютерном томографе образцы были помещены в пластиковые цилиндры, внутренним диаметром 10 мм.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В результате изучения содержания газа в модельных образцах было установлено, что из атмосферного воздуха цеолиты поглощают молекулы углекислого газа, размер которых составляет 3 Å, также удалось установить линейное увеличение концентрации поглощаемого цеолитами газа по мере увеличения массовой доли цеолитов в смеси с грунтом (рис. 4).

Рис. 4.

Изменение концентрации углекислого газа в модельных образцах грунта в зависимости от массы цеолитов.

Концентрация свободного газа в образцах, полученная при их взаимодействии с цеолитами, достигает значений 20–30 мл/л, что соответствует фоновым концентрациям газа в осадках изучаемого полигона оз. Байкал [31]. Последующее увеличение массовой доли газонасыщенных цеолитов в образцах позволит увеличить концентрацию газа, но при этом существенно изменит состав модельных образцов, что не может быть сопоставимо с естественными условиями залегания исследуемых грунтов.

Проведенные компьютерно-томографические исследования показывают, что такое изменение содержания газов в грунтах приводит к существенному изменению их строения. Математический анализ результатов исследований показывает, что повышение концентрации газа в осадочных грунтах оз. Байкал приводит к закономерному увеличению количества пустот размером более 6.5 мкм в их структуре (табл. 2) и изменению параметра сферичности пустот (рис. 5). Исследования были проведены на образцах с ненарушенным (рис. 5б) и нарушенным (рис. 5в) сложением грунта, которые подверглись тому же механическому воздействию, что и образцы, смешанные с цеолитами; на образцах с добавлением цеолитов в количестве 0.5% от массы грунта (рис. 5г), и 2% от массы грунта (рис. 5д).

Рис. 5.

Трехмерные модели пустот в образцах грунта. а – пустоты, образованные в интервале полноразмерного керна грунта за счет быстрой диссоциации газовых гидратов при подъеме керна со дна акватории (станция TTR-BL17-288G экспедиции Class@Baikal); пустоты в пробе грунта: б – ненарушенного сложения, в – механически нарушенной; механически нарушенной и смешанной с газонасыщенными цеолитами: г – 0.5% и д – 2% от массы грунта.

Параметр сферичности 3-мерного объекта представляет собой отношение площади поверхности сферы (того же объема, что и данный объект) к площади поверхности частицы. Сферичность сферы равна единице по определению, сферичность любой другой формы <1. Использование параметра сферичности позволяет определить приближенность морфологии пустот, образованных вследствие газонасыщения грунтовой пасты цеолитами, к форме сферы, что позволяет сопоставить проводимый эксперимент с моделью образования газовых пузырей в условиях естественного залегания грунтов при повышении их газонасыщенности.

На гистограммах сферичности пустот для каждого из изученных образцов (рис. 6) наглядно прослеживается тенденция к смещению моды к 1, т.е. к распределению показателя, полученному для образца грунта с разрушенными газовыми гидратами, представляющего собой пример образованных в естественных условиях “пузырьковых” пустот.

Рис. 6.

Гистограммы распределения сферичности пустот в образцах. Значения над столбцами указывают на количество пустот.

Результаты проведенных исследований показывают, что увеличение концентрации газа в грунтах при их взаимодействии с газонасыщенными цеолитами вызывает изменение их строения, аналогичное изменениям структуры грунтов в естественных условиях акватории оз. Байкал при их насыщении газами. Это свидетельствует, что метод смешивания позволяет объективно моделировать процесс газонасыщения грунтов в естественных условиях.

Изменение структуры грунтов при их газонасыщении определяет соответствующее изменение их свойств. Сдвиговые испытания, результаты которых приведены в табл. 3 и показаны на рис. 7, позволили охарактеризовать закономерность этих изменений.

Рис. 7.

Зависимость прочности грунтов от содержания газонасыщенных цеолитов.

Полученные данные показывают, что изменение строения глинистых грунтов при увеличении количества газов в их составе закономерно приводит к снижению их прочности. Это проявляется в уменьшении как величины сцепления, так и значений угла внутреннего трения. Такие данные повышают достоверность изучения процесса формирования оползней в газонасыщенных глинистых грунтах и должны использоваться при проведении расчетов и моделирования этих процессов.

Достоверность применения описанной методики подготовки образцов и проведения испытаний дополнительно подтверждает анализ морфологии пустот в исследованных грунтах. После проведения сдвиговых испытаний в образцах отмечается наличие визуально различимых пустот, образованных вследствие десорбции газа из цеолитов. Морфология этих пустот позволяет сделать вывод, что газ остается заключенным в них при действии нагрузки на образец; это может служить моделью среды газ-вода-грунт в естественных условия залегания грунта.

На рис. 8 изображены внешне отличимые полости в образцах грунтов, испытавших сдвиговые напряжения. Морфология и частота расположения пустот позволяют подтвердить их образование в ходе десорбции газа из цеолитов и насыщение газом пустотного пространства образца. Подобные текстуры наблюдались в работе [33].

Рис. 8.

Пустоты, сформировавшиеся в образце после испытания на одноплоскостной срез (а), и фотография газонасыщенных грунтов (б) по [27].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотренный метод искусственного газонасыщения грунтов показал свою работоспособность на примере изучения донных отложений оз. Байкал. С его помощью было подтверждено высказанное на основе литературных данных предположение о влиянии повышенного содержания свободного газа в грунте на его прочностные свойства (сцепление и угол внутреннего трения). Сопоставление количества газа в образцах (на основании данных газовой хроматографии) с закономерностью изменения их прочностных свойств позволило установить обратную зависимость между концентрацией свободного “пузырькового” газа в придонных отложениях акватории оз. Байкал и их прочностными характеристиками и структурой пустотного пространства. Изменение прочности грунтов при их газонасыщении проявляется как в изменении сцепления, так и в изменении величины угла внутреннего трения. Это свидетельствует о том, что определение параметров сопротивления недренированному сдвигу для газонасыщенных грунтов не позволяет дать достоверную характеристику их прочностных свойств. Для оценки зависимости прочности грунтов от содержания в них газовой компоненты испытания должны проводиться по схеме одноплоскостного среза.

Установленные закономерности позволяют обосновать дополнительные аргументы для объяснения причин формирования субаквальных гравитационных процессов, а также прогнозировать возможность формирования таких процессов. Такие аргументы могут быть получены из анализа данных по содержанию газа в грунтах in situ (геохимическая съемка), анализа геофизических данных (аномалии в сейсмоакустической записи, связанные с наличием скоплений газа в грунтах и каналами фильтрации газа в грунтах) и количественно оценены при помощи описанного в работе метода газонасыщения грунтов смешиванием с цеолитами. Первые два метода определяют возможность локализации воздействия газа на устойчивость грунтов, третий – оценить концентрацию газа в грунте, при которой устойчивость отложений достигает предельных значений.

Проведенные исследования позволяют заключить, что предложенный метод искусственного газонасыщения исследуемых образов может использоваться при инженерно-геологических изысканиях на шельфе, в частности для моделирования воздействия областей развития фокусированной флюидоразгрузки в придонной толще дисперсных отложений.

Авторы выражают благодарность коллективу проекта Class@Baikal, работающему под эгидой Плавучего Университета в рамках международной программы TTR Floating University, сотрудникам лаборатории изучения состава и свойств грунтов ИГЭ РАН им. Е.М. Сергеева, идейному вдохновителю Ахманову Григорию Георгиевичу и организатору экспедиционных работ на оз. Байкал Олегу Михайловичу Хлыстову.