ОАО АМИГЭ, Россия - cost pergamon

Подводная мерзлота и методы исследований
Sub-bottom permafrost and methodology of investigation
Локтев А.С. (ОАО АМИГЭ, Россия)
by Loktev A.S. (JSC AMIGE, Russia)
Совещание PERGAMON, С-Петербург. 17.01.2011
09.02.2011 ОАО АМИГЭ, Мурманск, Россия 1

Карта развития ММП в северном полушарии
09.02.2011 ОАО АМИГЭ, Мурманск, Россия 2

Карта поверхностных температур Канады
Map of Canada surface temp’s
www.gsc.nrcan.gs.ca
09.02.2011 ОАО АМИГЭ, Мурманск, Россия 3

Терминология/ terminology
1. ГОСТ : «…грунт, находящийся в в
мерзлом состоянии постоянно в течение
трех и более лет.., имеющий
отрицательную или нулевую
температуру, содержащий в своем
составе видимые ледяные включения и
(или) лед-цемент и характеризующийся
криогенными структурными связями.
2. Американский и Канадский стандарты
(ASTM D4083, MIL-STD-619):
«… температурные условия нахождения
вещества в которых оно находится ниже
0 0 С (32 0 F) непрерывно в течение
нескольких лет. Вода может содержаться
или не содержаться в твердой фазе…»
3. Википедия (www.yandex.ru):
«Многолетняя мерзлота— часть
криолитозоны, характеризующаяся
отсутствием периодического
протаивания, верхняя часть земной
коры, температура которой долгое время
(от 2—3 лет до тысячелетий) не
поднимается выше 0 °C. В зоне
многолетней мерзлоты грунтовые воды
находятся в виде льда, её глубина
иногда превышает 1 000 метров. »
1. Russian GOST: “soil at frozen condition
during 3 years or longer…, exists at
negative or zero temperature, and contains
visual ice inclusions and (or) ice –cement,
and is characterized by cryogenic structural
links”
2. American and Canadian normatives (ASTM
D4083, MIL-STD-619):
thermal condition in soil wherein the
material have existed at the temperature
below - 0 0 C (-32 0 F) continuously for a
number of years. Frozen water may or may
not be presented”
3. Wikipedia (www.google.com):
permafrost, cryotic soil or permafrost soil is
soil at or below the freezing point of water (0
°C or 32 °F) for two or more years. Ice is not
always present, as may be in the case of
nonporous bedrock
09.02.2011 ОАО АМИГЭ, Мурманск, Россия 4

Способы образования ММП/ Sub bottom permafrost origin
1. Образование в субаэральных условиях
на «дневной поверхности»,
Впоследствии произошло ее
«затопление» морскими водами в
результате трансгрессии моря. В
дальнейшем подвергается растеплению
за счет теплового воздействия сверху
(атмосферное прогревание) и снизу
(тепловой поток внутренних процессов
Земли). Эффект такого воздействия
сверху зависит от температурного
режима в придонном слое (в Арктических
морях среднегодовая температура может
быть менее 0 0 С, т.е. «сохранять» ММП, а
может быть более 0 0 С, при этом ММП
будут таять), глубины воды, течений и
пр. Эффект воздействия снизу в
основном определяется исходными
условиями ММП (мощность, льдистость,
температура, литология и пр.) – при
относительном постоянстве внутренних
процессов Земли
2. Придонное промерзание и
новообразование ММП (маломощные
толщи, отрицательные придонные
температуры)
1. Sub aerial origin of frozen soils exposed “at
air” (similar to Siberia). Then it was flooded
(covered by salt waters) as a result of
transgression. It was affected by thermal
warming from both top and bottom sides
(atmospheric effects and internal processes
of the Earth). Where top influence depends
on thermal regime of bottom water (marine
water is a sort of “thermal buffer” while
protects permafrost against melting.
Thermal regime of sub bottom water layer
can affect permafrost thawing at the top. At
the same time average annual temperature
of the bottom water can be above zero and
permafrost can thaw. It can depends on
water depth, currents etc. Bottom or internal
influence is defined by initial circumstances
of airial permafrost (thickness, ice content,
temperature, lithology etc) when internal
processes can be considered as permanent.
2. Sub-Bottom freezing and new frozen soil
generation (tick layers, negative
temperature of water)
09.02.2011 ОАО АМИГЭ, Мурманск, Россия 5

Придонные температуры (РАН)/ Bottom temperatures (by RSA)
09.02.2011 ОАО АМИГЭ, Мурманск, Россия 6

ММП в Баренцевом и Карском морях (по данным АМИГЭ)
Sub-bottom permafrost of Barents and Kara seas (by AMIGE)
Условные обозначения/ Legend
Зона предполагаемого развития субаквальных ММП (по данным АМИГЭ)/ Proposed sub bottom
permafrost area (by AMIGE)
●
Инженерно-геологические скважины, вскрывшие ММП (АМИГЭ)/ AMIGE boreholes in permafrost
09.02.2011 ОАО АМИГЭ, Мурманск, Россия 7

Фрагменты керна ММП ( 1. пески, 2. глины)
Frozen soil core (1. sand, 2. clay)
09.02.2011 ОАО АМИГЭ, Мурманск, Россия 8

Основные характеристики ММП (Баренцево и Карское моря)
Main sub bottom permafrost characteristics (Barents and Kara Seas)
‣ Распространены в мелководной
зоне прибрежной зоне
‣ Находятся в деградационной стадии
‣ Островной характер развития
‣ Глубина залегания кровли от 0 до
нескольких десятков метров ниже
донной поверхности
‣ Вскрытая мощность достигает 100м
‣ Льдистость изменяется от
нескольких процентов до 100
‣ Измеренная температура
изменяется от 0 до -2 0 С
‣ Сопровождается различными
посткриогенными процессами и
явлениями (пинго, газо- и
кристаллогидраты и пр.)
‣ Spread in shallow water nearshore
‣ Degradation stage presence
‣ Non continuous spread
‣ Roof is from 0 to few tens of meters
below sea surface
‣ Revealed thickness can be upto 100m
‣ Ice content is from few to hundred
percent
‣ Measured temperature is from zero to
-2 0 C
‣ Accompanied by various post
cryogenic phenomena (pingo, shallow
gas, gas and crystal hydrates etc)
09.02.2011 ОАО АМИГЭ, Мурманск, Россия 9

Образование пинго - бугров пучения / Pingo morphology
09.02.2011 ОАО АМИГЭ, Мурманск, Россия 10

Выброс газа. Фрагмент эхолотирования сразу после выброса (1) и через
несколько часов (2)
Gas blow out. Echo sounding immediate after blowout (1) and in few hours (2)
09.02.2011 ОАО АМИГЭ, Мурманск, Россия 11

Канада, пинго/ Pingo, Canada (Tuktoyaktuk)
09.02.2011 ОАО АМИГЭ, Мурманск, Россия 12

Кристаллогидрат икаита (Печорское море)
Crystal - hydrate Ikait (Pechora sea)
09.02.2011 ОАО АМИГЭ, Мурманск, Россия 13

Методы исследования ММП/ Subbottom permafrost investigations
Прямые:
1. Бурение с отбором керна (задавливаемые,
толстостенные пробоотборники,
вращательное бурение при малой скорости)
2. Донное опробование (гравитационный,
бурение)
3. Лабораторные исследования грунтов (в спец.
морозильных камерах)
4. Исследования in situ (CPT, TCPT, сейсмоСРТ,
теплозондирование, ВЭЗ, ВСП)
Не прямые:
5. Сейсмоакустика (одно- и многоканальная,
отраженные и преломленные волны,
георадар)
6. Электроразведка и электромагнитка (ЗСБ, ЧЗ,
ДМНЭ), гравиметрия
7. Локация бокового обзора и эхолотирование,
видео и фото съемка (поверхность)
8. Биологические и химические (изучение донных
организмов, состава отложений, выделений и
пр.)
Direct:
1. Boreholes and sampling (push samplers,
thick walled, rotary drilling slow rate)
2. Shallow sampling (bottom coring, drop
sampling)
3. Lab soil investigation and testing (testing
in cold chambers at natural temperature)
4. In-situ soil testing (CPT, TCPT, SCPT,
Heat Flow Probe, VES, VSP)
Indirect:
5. Shallow seismic (single and multi channel,
refraction and reflection modes,
georadar)
6. Electro and Electromagnetic methods,
gravimetry
7. Side scan sonar (pockmarks, cones) and
echo-sounding, video and photo sea
surface survey
8. Biological and chemical survey (bottom
organisms, chemical and other content,
emissions study etc)
09.02.2011 ОАО АМИГЭ, Мурманск, Россия 14

Инженерно-геологическое бурение / boring and sampling
со льда на мелководье
С плавучих установок
09.02.2011 ОАО АМИГЭ, Мурманск, Россия 15

Средства отбора и испытаний (пригодны 1, 2, 4, 5)
Equipment for sampling and testing (available 1, 2, 4, 5)
09.02.2011 ОАО АМИГЭ, Мурманск, Россия 16

Температурное зондирование СРТ/ Temperature CPT
0
Temperature ( o , C)
-4 -2 0 2 4 6 8 10
5
Depth, m
10
15
20
25
суша
шельф
09.02.2011 ОАО АМИГЭ, Мурманск, Россия 17

Сопоставление ВСП и сейсмики (1), ГЛБО и сейсмики
(2)
Comparison of VSP (1), SSS (2) and seismic survey
1
2
09.02.2011 ОАО АМИГЭ, Мурманск, Россия 18

Фрагменты НСП/ shallow seismic fragments
Отражения в толще ММП
Знаки просачивающегося газа
09.02.2011 ОАО АМИГЭ, Мурманск, Россия 19

Граница BSR по сейсмическим данным
BSR (bottom simulating reflector)
09.02.2011 ОАО АМИГЭ, Мурманск, Россия 20

Электро- и электромагнитные методы
electrical and electromagnetic methods
09.02.2011 ОАО АМИГЭ, Мурманск, Россия 21

Применимость различных методов
various methods applicability
1. Бурение с толстостенным
задавливаемым грунтоносом,
колонковое бурение с малыми
интервалами и скоростями
2. Лабораторные исследования в
специальных морозильных камерах
3. Методы in situ, в частности, ТСРТ и SCPT
(измерение характеристик «в массиве»)
4. Сейсмоакустические, сейсмические
исследования - имеют ограничения по
применимости (чувствительны к
присутствию незначительного
количества газа – первые %)
5. Электроразведка и электромагнитные
методы (альтернатива сейсмическим
методам, ниже точность и разрешающая
способность, большая глубинность)
6. Многолучевое эхолотирование, ГЛБО,
фото и видеосъемка - поверхностная
диагностика.
7. Комплексирование всех методов
необходимо для эффективного изучения
ММП
1. Boring with push thick-walled sampler,
Christensen, piggy back drilling (short run,
slow rate)
2. Lab testing of soil in special cold chambers
ads by special designed equipment
3. In situ methods, particularly TCPT and
SCPT (provide natural, in situ parameters)
4. Seismic, shallow seismic survey – have
certain limits of applicability (sensitive to
small gas presence, even few %)
5. Electrical and electromagnetic methods
(can be an alternative to seismic, have low
fidelity and accuracy, deep penetration)
6. Multi beam echosounding, SSS, photo and
video survey – seabed scanning
7. Various methods integration can be the
most efficient way of permafrost
investigation
09.02.2011 ОАО АМИГЭ, Мурманск, Россия 22

Безопасность при работах в ММП
Safety at permafrost area
Опасности:
‣ Опасность постановки на участки с
неоднородным рельефом
‣ Опасность неоднородной осадки
сооружения
‣ Опасность выбросов газа
‣ Радиоактивное заражение (отходы в
Арктике)
Hazards:
‣ Uneven sea surface
‣ Non-uniform, inhomogeneous settlement of
structure
‣ Gas blow out
‣ Radionuclide contamination (possible waste
in Arctic)
Меры предосторожности:
‣ Необходимость бурения пилотных
скважин
‣ Наличие системы динамического
позиционирования
‣ Пожарная безопасность
‣ Наличие специальных процедур при
работах в таких условиях
‣ Специальные тренировки персонала
Precautions:
‣ Pilot boreholes
‣ Dynamic positioning system
‣ Fire safety and control
‣ Special procedures, plans for the area and
circumstances
‣ Trained and experienced personnel
09.02.2011 ОАО АМИГЭ, Мурманск, Россия 23

Спасибо за
внимание!
Конец презентации
Thank you for your
attention!
The end
09.02.2011 ОАО АМИГЭ, Мурманск, Россия 24