Подводная мерзлота и методы исследований Sub-bottom permafrost and methodology of investigation

1. 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 ОАО АМИГЭ, Мурманск, Россия

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

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

4. Терминология/ terminology • 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. • Американский и Канадский стандарты (ASTM D4083, MIL-STD-619): «… температурные условия нахождения вещества в которых оно находится ниже 00 С (320 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. » • 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” • American and Canadian normatives (ASTM D4083, MIL-STD-619): thermal condition in soil wherein the material have existed at the temperature below - 00 C (-320 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 ОАО АМИГЭ, Мурманск, Россия

5. 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 0С, т.е. «сохранять» ММП, а может быть более 00С, 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 Придонное промерзание и новообразование ММП (маломощные толщи, отрицательные придонные температуры) 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. Sub-Bottom freezing and new frozen soil generation (tick layers, negative temperature of water) Способы образования ММП/ Sub bottom permafrost origin ОАО АМИГЭ, Мурманск, Россия

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

7. ММП в Баренцевом и Карском морях(по данным АМИГЭ)Sub-bottom permafrost of Barents and Kara seas(by AMIGE) ОАО АМИГЭ, Мурманск, Россия

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

9. 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 -20С • Сопровождается различными посткриогенными процессами и явлениями (пинго, газо- и кристаллогидраты и пр.) • Spread in shallow waternearshore • 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 -20C • Accompanied by various post cryogenic phenomena (pingo, shallow gas, gas and crystal hydrates etc) ОАО АМИГЭ, Мурманск, Россия

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

11. 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) 1 2 ОАО АМИГЭ, Мурманск, Россия

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

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

14. Методы исследования ММП/ Subbottom permafrost investigations Прямые: • Бурение с отбором керна (задавливаемые, толстостенные пробоотборники, вращательное бурение при малой скорости) • Донное опробование (гравитационный, бурение) • Лабораторные исследования грунтов (в спец. морозильных камерах) • 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: • Boreholes and sampling (push samplers, thick walled, rotary drilling slow rate) • Shallow sampling (bottom coring, drop sampling) • Lab soil investigation and testing (testing in cold chambers at natural temperature) • 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) ОАО АМИГЭ, Мурманск, Россия

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

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

17. Температурное зондирование СРТ/Temperature CPT суша шельф ОАО АМИГЭ, Мурманск, Россия

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

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

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

21. Электро- и электромагнитные методыelectrical and electromagnetic methods ОАО АМИГЭ, Мурманск, Россия

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

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

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