книги из ГПНТБ / Бабинец А.Е. Гидрогеологические и геохимические особенности глубоководных отложений Черного моря

ческой сеткой и капроновой ячеистой тканью. В качестве силового устройства применялся малый четырехтонный гидравлический пресс со сконструированными нами электроприводом и автоматическим регулятором давления (рис. 12). Осадка измерялась с помощью индикатора часового типа.

Образец в ячейку загружался цилиндрическим пробоотборником (режущим цилиндром) и выталкивателем, что давало возможность исследовать осадок с условно ненарушенной структурой. Нами использовалась методика тарировок и компрессионных испытаний, рекомендованная Р. С. Зиангировыми Т. А. Грязновым. Результаты испытаний образцов донных осадков, выполненных на описанной установке, были пригодны для обработки по методу П. О. Бойченко.

Преимуществом нашей установки является возможность отжи­ мания порового раствора из образца осадка вплоть до давлений око­ ло 600 кГ/см2. Получаемое количество порового раствора достаточно для дальнейших анализов.

Однако уплотнение образца гидравлическим прессом не дает возможности достаточно точно измерять давление на образец на начальных ступенях нагружения из-за потерь на трение плунжера пресса об уплотнительную манжету. При повышении давления на образец это сказывается меньше.

Основным недостатком метода определения коэффициента фильт­ рации по данным компрессионных испытаний является очень низ­ кая производительность компрессионных испытаний по стандарт­ ной методике. Необходимо выдерживать образец под каждой сту­ пенью нагрузки до стабилизации осадки, на что требуется иногда несколько суток. Обработка результатов также довольно кропотли­ ва, поскольку необходимо вводить различные тарировочные по­ правки и выполнять вручную графические построения.

Низкая производительность является существенным препятстви­ ем при массовых измерениях. Особенно это касается исследований свежих образцов осадков в экспедиционных условиях. Данные, получаемые при изучении осадка сразу же после извлечения керна из грунтовой трубки, наиболее ценны, поскольку при консервации и перевозке структура и свойства осадка изменяются вследствие вибрации, меняющейся температуры и других факторов. Это побуж­ дало нас к поискам новой методики измерения коэффициента фильт­ рации морских осадков.

Поскольку глубоководный морской осадок является полностью водонасыщенной пористой средой, его можно отождествить с грун­ товой массой по H. М. Герсеванову.

Исходя из основных принципов фильтрационной теории уплот­ нения грунтов [85, 237], мы выбрали следующую схему экспери­ мента.

Образец осадка помещается в цилиндрическую ячейку, модели­ рующую условия пласта бесконечного простирания. На торцах ее расположены поршни с плоскими фильтрами, через которые поровый раствор отводится в пробоотборник. Под действием прилагаемой

41

внешней силы F поршни, перемещаясь навстречу друг другу со скоростью V, уплотняют образец, создавая внутри его давление Р. Скорость движения поршней постоянна ѵ = const. Образец уплот­ няется вследствие фильтрации порового раствора через торцевые фильтры.

Поместим начало координат в центр образца, а ось Z направим вдоль оси цилиндра. Для описания процесса уплотнения воспользу­ емся зависимостью Дарси — Герсеванова:

U,-wt = - k - ^ - .

(3,18)

Здесь Uz — скорость фильтрации в направлении оси Z, ѵг — скорость перемещения твердой фазы (скелета грунта) в направлении оси Z, е — коэффициент пористости, k — коэффициент фильтрации,

дН

„

-

гидравлический

градиент по оси Z.

Запишем

зависимость

Дарси — Герсеванова для элемента пло­

щади сечения

одного

из

торцов образца. В данном случае

имеем

Ut>0,

ѵ2<0, \иг\

= \ѵг\,

- ^ - < 0 .

Уравнение

(3,18)

примет вид

_

h

( З '

1 9

)

U + eU =

dz

Принимая

во

внимание,

что

{У =

V

и

дН

1

дР

—

dZ

у

ÔZ '

2

дР

2Р-

а средний

градиент

давления - ^ - ~

- уЧ

поскольку при

Z = О

h

Р = Р( при Z = j

Р =

0,

уравнение

(3,19) можно записать так:

\

(1+е<) =

^ -

. - ^ .

(3,20)

Отсюда для коэффициента фильтрации

получим следующее вы­

ражение:

*« = v t h t l î

+ e t ) .

(3,21)

Индексы

у

величин,

входящих

в

выражения

(3,20)

и

(3,21),

обозначают,

что они взяты для фиксированного

момента

времени.

Подробнее об их смысле будет сказано далее.

Сразу же заметим, что использование среднего градиента

давле­

ния является лишь первым приближением в решении задачи. Соглас­

но теории фильтрационного уплотнения,	давление в толще		грунта
распределяется нелинейно и зависит как	от	координаты Z, так и
от времени. Точный градиент давления	в	уплотненном	образце

здожно определить, лишь решив дифференциальное уравнение уплот-

42

нения, для чего, в свою очередь, нужно знать коэффициент фильтра­ ции. Для точного решения можно воспользоваться методом после­ довательных приближений, однако он довольно трудоемок, а полу­ чаемый эффект не слишком значителен вследствие неоднородности осадка по простиранию и ограниченных размеров образца.

Рассчитанные по (3,21) коэффициенты фильтрации осреднены в размерах испытываемого образца и несколько завышены против коэффициентов фильтрации осадков в условиях их естественного

Рис. 13. Автоматизированная установка для компрессионных испытаний донных осадков (блок-схема):

ТД — тензодатчик, ЯЧ — ячейка, ИГП-10 — пресс, ДП — датчик перемещения, У/77" — усилитель постоянного тока, БП — блок питания, Р — регистратор.

залегания. И тем не менее, характеризуя взаимодействие порового раствора при его движении в толще осадка с твердой фазой, опре­ деленные таким методом коэффициенты фильтрации пригодны для использования в качестве оценочных при той незначительной густоте сети опробования, которой мы располагаем.

Описанная схема компрессионных испытаний образцов донных осадков была реализована на установке (рис. 13) с прибором одно­ осного сжатия типа ИГП-10. Это механический пресс с постоянной скоростью подачи штампа, оборудованный тензодатчиком нагрузок

идатчиком перемещения штампа. Скорость перемещения штампа изменяют путем замены сменных шестерен в блоке электропривода. Постоянство скорости обеспечивается синхронным электродвигате­ лем. Нагрузка на образец и перемещение штампа, а следовательно,

ивеличина сжатия образца регистрировалась самопишущим элект­ ронным потенциометром типа Н-361. Образец помещался при помо­ щи цилиндрического пробоотборника в ячейку, подобную описанной выше. В зависимости от литологических особенностей осадка дли­ тельность сжатия образца составляла от 10—15 мин до 1—1,5 ч. Таким образом, на одной установке за 8-часовую смену можно

43

исследовать от 6 до 20 образцов. Это во много раз выше производитель­ ности обычных компрессионных приборов.

Пресс ИГП-10 способен создать нагрузку до 2000 кГс и имеет в комплекте сменные тензодатчики на диапазоны 0—100, 0—250, 0—500, 0—1000 и 0—2000 кГс. Тензодатчик 0—100 кГс обеспечива­ ет наиболее точное измерение усилий в области начальных нагрузок,

однако при этом нельзя повышать нагрузку	более 100 кГс, что не
дает возможности отжать достаточное для	дальнейших анализов
количество порового раствора.
В наших исследованиях использован диапазон		нагрузок	0—
500 кГс, что соответствует давлению в ячейке 0—67		кГс/см2.	При

6,3 5,3. 4,3 ДЗ 2,3 7,3 0,3 40 30 20 10 0t,MUH

Рис. 14.	Диаграмма сжатия образца (станция 1070, 660—675 см, ѵ =
= 0,26	мм/мин).

этом выделялось достаточное количество порового раствора (1 — 15 мл). Для расчета коэффициента фильтрации определяли удельный вес порового раствора, выделенного из каждого испытываемого об­ разца; методика описана в главе IV.

Процесс испытания образца на сжатие регистрируется в виде диаграммы на бумажной ленте (рис. 14). Вдоль верхнего края диа­

граммы записываются метки перемещения штампа пресса.	Каждая
метка соответствует перемещению штампа на величину	скорости
(в мм/мин). По мере сближения штампов пресса нагрузка	на обра­

зец возрастает и регистрируется в виде плавно изгибающейся линии. При достижении уровня 500 кГс пресс выключается, и нагрузка плавно уменьшается вследствие отжимания порового раствора. Сра­ зу же после испытания образца на сжатие и разгрузки ячейки по­ лученный керн измеряют штангенциркулем и определяют его вы­ соту hk, затем керн взвешивают и рассчитывают его объемный вес. После высушивания керна при температуре 105° С до постоянного веса определяют его влажность. По этим данным рассчитывают ко­ нечную пористость и коэффициент пористости eft. Диаграммы сжа­ тия образцов донных осадков обрабатываются следующим образом.

44

Выбирая фиксированные значения нагрузок F, рассчитываем соответствующие значения давлений Pt:

Pi = -Ç ,	(3,22)
где S — площадь сечения ячейки.
В формуле (3,21) для коэффициента фильтрации ѵ =	const. При­

нимая это во внимание рассчитываем постоянные коэффициенты (С() для выбранных ступеней нагрузки F{:

С І ~ - Щ - А .

(3,23)

Здесь А вводится для выражения коэффициента фильтрации в подходящих единицах скорости.

Далее изготавливают прозрачную палетку, расчерченную парал­ лельными горизонтальными и вертикальными линиями, проведен­ ными через произвольные равные промежутки. Накладывая ее на диаграмму, отсчитываем метки от пересечения кривой нагрузок с линией уровня 500 кГс до перпендикуляров, восстановленных из точек пересечения кривой нагрузок с линиями уровней выбранных

фиксированных нагрузок. Эти числа меток	обозначим /. Принимая
во внимание скорость ѵ, рассчитываем h:
К = hk + vi,.	(3,24)

Коэффициент пористости е можно рассчитать, используя значе­ ния конечной пористости nit равной по определению

ПІ =	-	£ - ,	(3,25)
где Ѵк — конечный объем керна,	Ѵп	— объем пор керна.

Полагая, что пористость при уплотнении образца в данных усло­ виях уменьшается только вследствие отжимания порового раствора, рассчитываем

" • - - Ж -	< 3 ' 2 6 )
Здесь ЛѴ,. — приращение объема;
AVt = VltS.	(3,27)
Коэффициент пористости, по известному соотношению, будет
равен
в < = - Т ^ Г .	(3.28)
Определив для каждой ступени ht и ес,	рассчитаем коэффициент
фильтрации по формуле
k = yht(l+el)Cl.	(3,29)

В принципе можно было бы исходить в расчетах из начальных значений ен и hH, однако точность их определения гораздо ни­ же, чем точность определения ек и /ік . Это обусловлено тем, что

45

зачастую образцы осадков имеют весьма малую прочность и вы­ сокую влажность.

Пластическая прочность образцов осадков условно ненарушенной структуры определялась конусным методом. Образец помещался в режущее кольцо диаметром 40 мм. Использовался конус Васильева с углом 30°. На его боковой поверхности есть деления, соответ­ ствующие глубине погружения в миллиметрах. Отмечалась глубина погружения конуса в образец за 5 сек, и пластическая прочность рассчитывалась по формуле

Рт =

(3-30)

где Р — вес конуса, h — глубина погружения, а — постоянный коэффициент, зависящий от угла конуса. Для тридцатиградусного конуса а = 1,108.

Теплопроводность. Для определения теплопроводности донных осадков использовались запарафинированные монолиты с условно ненарушенной структурой; измерения выполнены методом мгно­ венного линейного источника с использованием термопары константан — медь. Нагреватель и термопара вводились в образец путем прокалывания парафиновой стенки, которая обеспечивала изоля­ цию образца от внешней среды в процессе измерений.

Теплопроводность Т рассчитывалась по выражению для распре­ деления температуры при распространении теплового импульса от линейного мгновенного источника [152]

	т = - щ ш г е х р			-Щ- •	( 3 ' З І )
где Т — температура,	вызываемая		мгновенным линейным		источни­
ком, Q — количество тепла, выделяемое единицей длины источника,
г — расстояние точки	измерения температуры от источника тепла,
т — время, р — плотность среды.
Применяя для этого выражения условие максимума
			= 0 ,
получим	от	т=>т м а к с
	k	= -4Ï—-			(3,32)
После подстановки			макс
	k в (3,31) имеем
	т	_	Q	. - 1
или		рСя/-2
		Qe-1
		макс
Теплопроводность	находим по формуле
		К = kpC.			(3,33)

46

Подставляем сюда значения k, рС:

		Qe—l		Qe~			(3,34>
	4т„	пяг'	4я.т		Т
Q рассчитывается			^	макс' макс
		по закону Джоуля — Ленца:
		Q - = 0 , 2 4 - ^ - ,					(3,35)
						Т а б л и ц а 3
Теплопроводность глубоководных глинистых				илов	Черного моря
Стан­						Теплопроводность,
	Интервал, см	Характеристика ила				• 10-'	кал
ция							;
						см • град • сек
1070	115—130	Темно-серый	однородный			2,40 ±0,05
1309	96—120	Черный	однородный			2,05 ±0,03
1627	180—195	Зеленовато-серый однородный				2,25 ±0,17
	355—370	Темно-серый	»			1,90±0,19
1629	194—203	Зеленовато-бурый		тонкосло­		2,20 ±0,11
		истый
	407—420	Светло-серый	однородный			1,85±0,18
1633	70—85	Серый	однородный			2,40 ±0,06
	220—234	Темно-серый	»			2,30 ±0,06

где / — сила тока, питающего нагреватель, V — напряжение, / — время действия источника тепла, / — длина нагревателя.

Таким образом, получаем формулу для расчета теплопровод­ ности

.	0,24/W				(3,36)
—	Іёпг	Т	Г *
	4 е п т м а к с '		макс'	ѵ	'

В процессе измерений определялись максимальная температура Т'макс и время Тмакс (табл. 3) на установке, схема которой изобра­ жена на рис. 15.

Выводы. Полученные нами результаты определения некоторых водно-физических свойств глубоководных донных отложений Чер­ ного моря приведены в табл. 4 и 5 и в виде графиков на рис. 16—20.

Рассматривая изменения водно-физических свойств осадков в зависимости от глубины по разрезам колонок, можно отметить сле­ дующие особенности.

Все изученные станции можно разделить на две группы. Для первой характерно сравнительно плавное изменение водно-физиче­ ских свойств с глубиной по колонкам (1918, 1923, 1926 и др.),

47

Рис. 15. Схема установки для измерения теплопроводности.

Г — гальванометр,	А — амперметр, V — вольтметр, PB — реле вре­
мени; / — образец,	2 — парафин, 3 — источник, 4 — термопара.

СШ627	2	2,5	8	0	1	2	3	4	W300 500	700	К
		1,5	Д							—I—г—г—J
	о-			50 100150 200 W1 2 3 4 f							t W 50ІОО2О0Р/Л
	50--

юо-

150--

200r

250-

300-

350--

W-

Рис. 16. Водно-физические свойства глубоководных отложений Чер­ ного моря (станция 1627):

/ — ил серый о обломками раковин, 2 — тонкослоистый, 3 — черный, 4 — переслаивание черного и светло-серого ила, 5 — ил зеленовато-серый микро­

слоистый; Л — объемный вес осадка, г/см', W — влажность,		%, ô — удельн-ый
вес скелета, г/см',	w — влажность гигроскопическая, % станд., К — коэффи­
циент фильтрации,	мм/год, Рт — пластическая прочность,	г/см*.

48

Т а б л и ц а 4

Некоторые физические и водные свойства глубоководных осадков Черного моря

Станция

1621а

1625

1631

1632

1633

1916

Интервал, см

0—30

52—55

63—66

80—102

111—135

2—4

36—38

66—68

165—167

190—200

203—205

0—9

9—12

14—17

114—116

4—7

14—17

119—124

148—153

210—215

250—265

324—329

343—355

360—365

40—43

118—122

143—146

176—181

235—240

258—264

284—290

325—331

388—394

432—438

2—5

8—28

29—32

37—59

59—62

62—81

Объемный вес, г/см'	Удельный J вес, г/см'	Влаж­ ность, вес.%	Коэф. по ристости	Коэф. фильтра­ ции, мм/год	Влажн. гигроск. лаб.%
	2,32	217	1,44	289
1,39	—	138	4,15	—	—
1,67	—	60,5	1,70	388	2,75
1,55	2,70	89	2,70	—	—
1,80	2,42	40,5	1,08	—	—
1,42	—	106	2,70	—	3,36
1,64	—	86	3,17	—	—
1,84	—	46,3	1,40	—	—
1,70	—	81,7	3,24	—	—
—	—	—	—	—	3,77
1,58	—	60,3	1,47	—	—
1,26	2,54	204	5,50	—	1,91
—	—	—	—	—	—
1,53		102	3,40	—	—
2,09	—	95,5	—	—	—
1,26	2,53	252	9,30	—	—
1,07	2,53	545	9,53	—	—
1,07	—	480	7,78	—	—
1,55	—	85,5	2,51	—	—
1,42	—	128	3,95	—	—
—	2,59	—	2,29	402	—
1,47	—	99,5	2,76	—	—
—	2,50	—	2,46	425	—
1,53	—	86	2,42	—	—
1,46	—	113	3,45	—	—
1,50	—	92,5	2,59	—	—
1,27	—	161	3,63	—	—
1,22	—	286	9,53	—	—
1,52	—	88	2,47	—	—
1,39	—	98	2,20	—	—
1,14	—	230	3,88	—	—
1,66	—	60	1,64		—
1,54	—.	73	1,84		—
2,32	—	117	—	—	—
1,06	—	216	1,94	—	—
—	—	—	4,50	667	1,94
1,38	—	147	4,55	—	—
—	—	—.	5,17	751	2,46
1,27	—	180	4,55	—	—
—	—	—	4,88	710	2,65

J Пластич.прочностг/см'

26

84

131

933

—

—

—

—

—

—

170

103

17,4

32,1

58,5

84,0

131,5

17,4

84

—

49

—

69,5

15,8

37

170

520

58,5

42,5

335

69,5

69,5

520

—

—

—

—

—

—

				Т а б л и ц а 5
	Некоторые	водно-физические свойства осадков Черного моря
	Станция	Интервал, см	Коэф.	Коэф.	Влажность
			пористости	фильтрации	гигр. лабор.
	1070	0—25	—	—	2,86
		46—63	—	—	2,34
		486—500	3,05	498	2,84
4	3 1361				49

			Продолжение	табл. 5
Станция	Интервал, см	Коэф.	Коэф.	Влажность
		пористости	фильтрации	гигр. лабср.
	660—756	2,51	429	2,62
1072	46—63	3,20	393	—
1297	328—343	3,24	497	—
	587—628	2,06	383	2,59
1298	15—50	3,12	507	3,12
	278—289	1,51	299	2,73
1300	29—62	3,02	381	1,75
	270—286	1,60	296	1,55
1302	4—15	—	—	1,59
	70—90	2,55	453	2,05
	448—483	1,75	353	1,83
1302в	4—15	2,06	383	—
1304	2—15	5,67	834	3,20
1305	2—12	2,51	407	3,24
1307	232—265	2,37	408	3,14
	380—406	5,00	753	3,10
1309	5—12	10,20	1385	1,99
	96—120	3,39	507	4,47
	240—270	1,67	335	2,53
	535—555	1,60	312	2,47
1312	2—10	4,95	720	3,71
	240—276	2,20	422	2,08
1317	218—246	1,44	303	2,99
	511-405	2,40	425	3,41
1322а	2—7	4,40	670	3,16

причем они заметно увеличиваются или уменьшаются по мере по­ гружения в толщу осадков.

Водно-физические свойства по второй группе станций (1627, 1629, 1921 и др.) весьма изменчивы при отсутствии однозначной за­ висимости от глубины залегания осадков.

Проследим особенности каждой из этих групп на примере упомя­ нутых станций. С этой целью рассмотрим изменение водно-физиче­ ских свойств в зависимости от глубины, безотносительно к литологостратиграфическим особенностям осадков.

С т а н ц и я 1918 (рис. 20). Влажность осадков здесь уменьша­ ется почти линейно с глубиной от 200% до 70—75% в интервале от 0 до 200 см. На глубине 160 см отмечается маломощный прослой, имеющий повышенную влажность. Объемный вес осадка с глубиной увеличивается. Пластическая прочность также возрастает, с не­ которыми колебаниями в нижней части. Коэффициент пористости и коэффициент фильтрации с глубиной проявляют тенденцию к умень­ шению, хотя они и довольно значительно колеблются. Количество прочно связанной осадками воды почти постоянно и лишь в самом низу колонки немного уменьшается.

С т а н ц и я 1923 (рис. 19). Свойства осадков изучены в интер­ вале 0—540 см. Влажность осадков, имея совершенно незначитель­ ные колебания, постепенно уменьшается от 115—120% на глубине

50