Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Физико-химические процессы в мерзлых породах при их взаимодействии с солевыми растворами

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Физико-химические процессы в мерзлых породах при их взаимодействии с солевыми растворами"

ПСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ • РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ГОДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ' ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛЭЮНОООВА Геологический $ан-гльтет

На правах рукописи

- БЕНЕДИКТОВА Наталья Александровна.

®ЗИЮ-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В МЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ ПРИ ИХ БЗАИГОДЕЙСТВМ С СОЛЕВЫМИ РАСТВОРАМИ -

Специальность 04.00.07 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва - 1992

Работа выполнена на кр^едре геокриологии Геологического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических каук,

профзор Э.Д.Ершов Официальные оппоненты - доктор геолого-минералогических наук,

профессор Б.А.Савельев "

р'.-.тор географических наук, доцент В.В.Рогов

Ведущая о~"ани&ация - Производственный и научно-исследовательский институт.пс инженерным изысканиям в строительстве НПО "Стройизыс-кания" Госстроя России (ПНШС)

Защита диссертации состоится " 22 " мал 1992 года в 14часов на заседании специализированного,совета по игхе-нерной геологии и мерзлотоведению К 063.05.06 в Ьскоаскоы государственном университете им. И.В. Ломоносова по адресу: !.'<осква, Ленинские горы, МГУ, Геологически*, факультет, аудитория 301.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Геолог. -ческо.у факультета МГУ, зона "А", 6-й этаж.

Ваши отрывы на автореферат в двух экземплярах, за. зреи-ные печатями, просим присылать по адресу: 119899 Москва, В-234, Ленинские горы, МГУ, Геологический факультет, ученому секретарю совета.

Автореферат разослан ! " апреля 1992 года.

Ученый секретарь специализированного совета К 053.05.06

доктор геолого-минералоги- В.Н.Соколов

ческих наук

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Взаимод'мстеке мерзлых пород с солеными растворами согг воздается развитием слох ого комплекса зихо-химнчеисих процессов, к которым следует отнести, прежде вс^-го, массолеренос, а также структуро- и текстурообразование. Актуальность исследопания этих провесов, в первуг очередь, связана с интенсивным промышленным и хозяйственным освоением северных и северо-восточных территорий »¿шей с раны. В этих услоьиях необ-ХОД1. юсть большого внимания к проблемам охраны окружающей среды очевидна.

Достаточно сложным и слабо изученным физико-химическим про-цессо! является миграция химических элементов. ~¿ исследования необходимы дл. раэработгси перспективных ыетодов разведки полезных ископаемых по химическим ореолам рассеяния. Перенос "имичес-ких элементов связан с переносом влаги, а тагаке с развитием структуро- и т-хстурообразорания в мерзлых породах. Изучение этих процессов имеет важное значение для выяснения генезиса и у юв"*1 развития мерзлых толщ.

На сегодняшний день по данной проблеме накоплен определенный материал Получен« данные по развита» физик'-химических про: эссов в мерзлых породах при взаимодействии с легкораствори-укми селями, установлены отдельные закономерности в их зависимости от термодинамических условий для мерзлых дисперсных пород. Что жь к°сается других типов пород, а также взаимодействия с растворами солей тяжелых металлов, то таких исследований очень мело, как в теоретическом, так и в экеш иментельном плане. Поэтому, основной целью работа явилось изучение физико-химических провесов в мерзлых породах п^ их взаимодействии с солевыми растворами на основе комплексно, о рассмотрения процессов массогереноса, ";иоген"ого структуре- и текстурообразования.

Е соответствии с поставленной целью необходимо било решить следующие задачи:

- регрзботйтв методику комплексного лр"чения ¡¡изкко-хими-чсскт процессов в мерзлых пород? при их взаимодействии с растворами солей;

- исследовать механизм л особенности совместного влаго-и солепереноса в мерзлых породах;

- последовать ос:, ценности ь...грг.ци:: иокоп легкорастеоримык солей в дисперсных и парбонатчых породах;- вскт-ить особзкпости мчграчии тякелых метал? с в породах

различной диспутсности, о-'.тлнегальнсго состава и исход-

ного ст_.оск::.~, с :•• к3 гй£.:.с:::г;сп: от тс:»ер-турн, исходной концентрации растБсроь различных жжов;

- н'учпть пт>л;ссс стру.л. рно-тексгурмс преобразований погод г:ри гергязее влаги и химических элементов.

Ьдучнал габот;; с~клачзотся ъ сл-здуиаем:

1. Разработана методика кек'.легссного исследований <1«эихо-

пто;;оссоо ? мерзл:" порсдгл при их взаимодействии с солеьчк: -асгз:и.ы.;, экл гым-л изучение параметров массопэ-гелосо, а тьа-скс с.луктуро- к текстурообрадеваше с использованием о::г.иес;?ой :: электронной микроскопии и изучение структура горского п'х/странстза.

2. Исследонон мехо: илм и особенности совместного влаго-и солег^-енссг. э мерзлых породах при различи. :•: температурах и хонгенграциях вз«имодействурцего водного реете .а, а такке

для различи-.* '/онов.

3. Получены но с 1.3 экспериментальные данные об особенностях пер^осэ и накопления влаги и ионов з карбонатных породах г •их птчгобга?ован:?я т» результате взаимодействия с водьими растворами солей легких элементор при отрицательной температуре.

4. Вь-яалзнк особенности миграции тяжелых металлов & мерз-л;г» дисперсных породах э зависимости от состава и исходного строения пород, от внеочих.условий; проанализированы на осн^.-е литературно дпнньзе и полученных экспериментальных результатов некоторые качесг.-енние особенности поведения рядов химических элементов в могзл:тс породах.

5. Полнены закономерности преобразования макро- и микро-

- о -

строения мерзлых пород при их взаимодей :вии с солевым растворами.

Практическая значимость паботы. Результата проведенных исследований могут быть использованы при решении ряда еэжных народнохозяйственных еадач: при составл-чии прогнозных геохимических кагт распростра :ния тяжелых металлов в результате загрязнения промышленных зон, при составлении рядов подвижности химических элементов в гор«ых породах при отрицательных температурах.

Полученные экспериментальны« данные по переносу влаги и ионов в карбонатных порода* были ».спользованц ЯкутМИИпсокаяма-зоад при оценочных re счетах логлэтдеюдс емкости массивов мерзлых ropi.jx пород при захоронении т-окоминерализованных растворов в районе трубки Удачной /Центр?льная Якутия/. Ряд новых метчпчес-ких положений и выводов напел применение в учебном процессе ка-'Тедрн еокриологни геологического факультета VuJ.

Личный а.лад автога. В ходе исследований автором самостоятельно был освоен комплекс методов по изучению процессов переноса и накопления влаги и химических элементов з мерзлых породах, структурно-текстурных преобразований пород. Лично проведено около 150 опытов по миграции химических элементов в Mepstx .г-оперся их породах, а также -коло 50 опытов по изучению миграции ионов и влаги в карбонатных породах продолжительностью от 10 суток до 6 Ji более месяцев прт' различных температурных условиях: от 20"С до -20"С. Было получено и исследовано более 150 реплик, 50 шлифов и анилинов для изучения преобразования криогенного строения мерзлых пород.

тг'баиия шаботы. Основные положения диссертации были апробированы на ХУП, Х.УШ научных конференциях аспирантов и молодых ученых геологического фаиульп .'а МГУ /Москва, 1990, ±991 гг/, а также на научно-техническом семинаре /Сыктывкар, 1989 г./ и научно-практической конс^ренции по инженерно-экологическим исследования».^ /Якутск, ']\Л г./.

3'. время работы по данной теме автором опубликовано 4 научных статьи.

Структура и объем работа . Работа объемом ^^ страниц

машинописного т*. .ста .одерхкт ^ у .сункзг., * таблиц к состоит <:з введения, сеж; глав, вы^до- в списка литература, который вклачг.е? /Я? наименований.

3 основу работ;.; подобны рес-ультоти экспериментальных ис-следрвакий, выл .лненных в период обучения в очг.ой аспирантуре кафодтн/. геокриология гезлогиче ■ 'ого ?'культет& ¡.'¡ГУ a 1988-199I гг. год руководством доктора геолзго-минерглогических наук, aroJeecopa Э.Д.Ерж.ва, которому автор выражает ог"бую прязаа- '

ТеЛЬН'сть.

/ тор приносит искреннюю благодарность доктору геолого-?.с:не;р;.л-гкчсс:;;;х нгук Ю.П.Лебзденко, кандидату наук Е.М.Чуви-лину --.а пс..азн',:е советы и :г чоянное внимание, О.Н.Шлрих, Л.А.!;::кул1;чегой, В.К.Обухову, К.й.Крючкову,A.J.Карпову, С.З. ¿обздсн::о, .".А.Семко, А.ПЛ.узяну га поколь, оказанную в проведения ог.иоь у. обработке полученных результатов.

Определения тяжел:« металлов проводились атомно-адсорбци-оннгзд, сг.« «тральным метод? катодом "холодного паре." и т.д. ч с.'е:;тр'=x:;.v,r-;í-лабораториях геологического, географического л биглсгического факультетов «ГУ, а также а ЖГРЭ.

Глш?а .. КЮЧгЗЮСб аЗГа-ТОСЯНГЗГ ПРОЦЕССОВ В ¡00-ЛЬК ПОРОДАХ ПРИ ИХ гЗЖОДЗ^ТКМ С ОЭЛЕЫЗГ РАСТВОРАМИ.

До' Г0-х годов в научной литературе преобладало мнение, что о^даоь криллитозоны - область геохимического покоя /Сэу- • ^ов,Страхов, л другие/. Однако, робот;" ми .'.;.А.Глазовской,В.О. 1аг.гульРН5., Vi.г. .Твтгнсер , Шварце?? и других было покогаьо, что кгнолитозсн.'; - активная среда, где происходят химические к фнзнкп-хпмические процессы. Среди ф13ико-химических процессов следует вццелять миграцию влаги, перенос химических элементов и структура- и текстурообраэование з мерзлых породах, причем, к последним относятся процессы льдовыделения, набухания, рас-яучи.'сния и так далее.

ílpor.ecci: ;.с1гр:лии нессойрз'лей воды в мерзлых породах под действием гргдиентев температуры, давления, электрического к

других потенциалов были рассмотрены в' работах А.А.Ананяна, Бакулин? М.Н. Гольдштейна, Э.Д.Ершова, Е.Л.Лебеде~нко, И.А. Тютюнова, Н.В. Чураева и других.. Однако, вопросам миграции -влаги под действие..! осмотических сил посвшено мало работ. ..

- Шце меньше исследований выполнено по миграции химических элементов и, прежде всего, в экспериментальном плане„' ; "

Переносу легких элементов посвящены работы И.А.Тютюнова, М.А.Дербеневой, а также выполненные в последние'годы на кафедре геокриологии МГУ экспериментальные исследования под руко-• водством Э.Д.Ершова'. 3 результате выделены основные механизмы миграции ионов в мерзлых породах, получены отдельные закономерности развития физико-химических процессор в • мерзлых дисперсных шродах при их^. взаимодействии с легкорастворимыми солями, а также в породах различного состава и сложения в зависимости от температуры, концентрации и давления /Лебеденко, Чувилин и другие/.

Ряд исследователей на основе проведенных полевых работ получили данные о переносе и рассеивании- химических элемен- . тоб в толщах многолетнемерзлых пород /Иванов, Кузнецов, Макаров, Питулько, Сафронов, Соловов, Чибисов, "'варцев, Шило и другие/. Впервые возможности образования солевых ореолов рассеяния в условиях многолетнемерзлых поро^-была отмечс-.а H.H.Сазоновым /195.7/.' Многие исследователи объясняют механизм формирования геохимического ореола рассеяния по-разному. Так, по-мнение В.Н.Макарова и других,- основная роль в рассеивании химических элементов принадлежит диффузионным процессам. По данным Е.А. Нечаева и Э.В.Кана миграция ионов металлов происходит под действием электрохимических процессов в порозых водах.

' С процессами-переноса влаги и солей связаны структурные и текстурные преобразования пород. В мерзлых породах процессы^ , структуро-.и текстурообразования, "вызванные различными причи- -. . нами, в том числе и осмотическими,' рассматривались з работах' .

- Э.Д.Ершова,Т.Н.Жестковой, МИ. Заболоцкой, Р.В.Максимяк, В.Е. •Рогова, Й.А.йтзкоЕа, О.С.Конновой, Е.МДунилина,- О.М.Яздаина-

и друга*-. S частности,; было-1 отмечено, что различные ионы по-

разному действуют на процессы льдовнцелег:..я и с тру:: туро о бра з о е е кия в мерзлых городах.

Тьг-гим, обрпзсм, <\яжл --химические процессы в мерзлых породе остаются недостаточно и агентам. Это прежде, всего касается э к с г е гкм с к. тал ы 1 ья исследовали!' миграции химических элементов , особенно тяжелнх металлов, » мерзлых породах. Требуется дальней мое изучение процессов совместного переноса влаги и ионов в породах различного состава и сложения, а также их влияния на пронесен структур?- и текстуриобрапования.

ГлаБ" П. Г-Г^ТОДЯКА ШЯВРШЯ/ЯШ исследшзй «ИЭИКО-хштвях процессов в ютзш:: пород.« при их

СЗ/ихдейсгот с солззуми;рлстшра;.1и.

чвтг.дика экспериментальных исследований £иэико-химкческкх гспес.сог. б керзлнх породах основывается на комплексном подходе ;: изучению с нанке -хим^че с:<ж процессов. Методика включает б £:эбя гу^аметров совместного переноса в; ги, ионов и

химичесгагх элементов в грунтах различной дисперсности, химико-мхист.ильного состава, сложения и дитпдикзг ч в широком диапазоне отрицательных тестератур и концентрации эаеоляюцего раствора. Одновременно с процессами масеоперенось изучались и структ эдо-текст; ;.кь;е характеристики мерзлых пород с испог" зованием ряда методоь оптической и электронной микроскопии, а также тутнол пороыетраи.

Подготовка образцов к экспериментам проводилась по мето*и-разработанным на кафедре геокриологии МГУ. В с .нову опытов бцл положен контактной метод взаимодействия образцов мерсльгх -ород с солеььми растворами различных химических элементов .

".омплву.с э к с г. е рж.1 & н т ал ь н ых исследований базировался на опытах, проведению: на мерзляк дисперсных породах различного .оста--г^имодействуячих с растворами солей легких и тяжелых металлов. Лг-л этом, махенизм и особенности переноса влаги и химических элементов рассмэтр,/'">.лись на мг^е^ном грунте /каэл::нктогс2 "ллне/ с хот -сю изученными характеристиками и свойствами. Кроме тг.го, экспериментальные исследования включай» ояатк по ззаимсде-

йетвию мерзлых дисперсных пород ненарушенного сложения, отобранных из аллювиальных отложений вблизи города Якутска, с растворами спей тяжелы;, металлов. Действию солевых растворов подвергались также образцы мерзлых карбонатных пород естественного сложения.

Интервал используемых температур состав/ п от -1,5°С до - 20'С] концентрация взаимодействупдих растворов задавались от 0,0Сб до 3,0 н; продолжительность экспериментов изменялась от нескольких суток до б месяцев и более. В процессе опытов проводились наблюдения за динамикой р. ¿вития процессов массопе-реноса, структуро- и текстурообразовя'-шя. До и после о г.,та про-вод-тся комплексный отбор проб на влажность, химический состав, макро- и строение мерзлой чести с помощью реплик штатов и аншлис'ов на оптическом и электронном микроскопах, а также структуры пороаого пространства методом ртутно'' порометрии на приборе фирмы "Qanlo irJ-a. I/isbiusrwuil ".

По полученным данным строились кривые распределения влаги ионов и химических\элементов по длине образца, а затем расчиты-рались плотность потока влаги J,w из раствора в образец, потоки ионор и химических элементов <5.

Глава Ш. ХАРАКТЕР,.СТИ!{А.ИССЛЩУ/'Р1Ж ПОРОД. •

Особенн сти масссобменны1', «физико-химически" прсцессо- и стр стурно-текстурных преобразований, протекающих в мерзлых породах, зависят от кх состава, строения и свойств. В соответствии с этим закономерности физико-химических процессов исследовались ьа грунтах различного состава /гранулометрического и минерального/ а также с однородным и неоднородным строением, нарушенного и естественного сложения, кальных.и дисперсных.

Большая часть экспериментов проводилась на образцах нарушенного сложения. Дисперсные породы нарушенного сложения были представлены песком /е. 1У/, отобранным из морских юрских отло-т ний /поберецкое месторождение/; супесью А Ш - из морской террасы на полуострове Ямал; а также суглинком ¡¡m II24 / из гляпиэльно-морской равнины -'на полуострове Ямал; палеогеновыми

глинами мономинерального монтмориллонитов^ э / и каоли-

китового составов /с-^ /. Были .»тобрзны мерзлые моиолигы аллювиального песка /а 1У/ из слежений высокой . низкой пойм р. Лены "близи г.Я'^/тск? и супеск/а1У/ из аллювия ки?кой поймы р. Лены.

Кроме того, в экспериментах были использованы верхнекем-йгийсхие карбонатные породы /€3т1 /, отобранные г. районе трубки Удачной ъ Центральной Якутии. Они предстазле(к. известняками доломитами, мергелями, песчанками, а таюке.переходными между ними ^орм^м:.: изрестковкии доломитами, доломитовыми мергелями. Кг'рбонатнг* породи были в основном плотны;.:',!, разбитыми тренинг:,:;;. Коэффициент трещиновааости изменялся в пределах 10 - ЕО тр/м. Ко для опытов отбирались образцы бег видимых трещин. Объемней известняков и доломитов изменялся з пределах ?,41 - 2,66 г/см , мергелей - 2,33- Я,63 г/см , пористость ¡и'ьестнякоБ и доломитов составляла 5 - 14%. Пористость мергелей изменюсь от 4 до 8 '>.

Гл.-,ее 1У. МЕ?ЛШЗМ СОВЕСТГОГО ПЕРЕНОСА ВЛАГИ И ИОНОВ' 0 '.ЕРЗЛЫХ.ПОРОДАХ.

В качестве движущей сил« миграции глсги принимают велгш-ну гр; д,:ента полного термодинамического потенциала грунтовой олаги или свободной энергии Гиббоа / Глобус, 19; >9; Ро,-т, И^/.

Термсдинга,мческии потенциал грунтовой влаги является сум-' мчи честньэс значений:

«У„ ♦ % "Г, + ... . где , Чр , г. , ч>* - частные термодинамические потенциалы влаги соответственно каркас.-.о-кьпиллярный, гидростатическим, осмотическим и электростатический.

При изменении термодинамических парамзтров, определяг "тх. состсяние системы порода-раствор, возможна миграция влаги и хи-г/лческ:« элементов, так как имеет место неравновесие кате по химическому потенциалу растворенных ионов и химических элементов, так и г-, общему термодинамическому потенциалу. Например, пря увеличении концентрации растворенных веществ в растворе ос-

мотический потенциал понижается. По мер"? уменьшения концентрации внешнего раствора нормальный осмотический поток влаги падает до улевого значения. При определенной концентрации внешнего раствора влагоперенос в системе может прекратиться из-за равенства общего термодинамического потенциала грунтовой влаги осмотическому потенциалу воды во знеигнем растворе. . В мерзлых порода., из-за вымерзания части воды отрицательный термодинамический потенциал, обусловленный действием свободной неизрасходованной поверхностной энергии минеральных частиц, существенно понижен.По мере дальнейшего понижения концентрации внешнего раствора возникает градиент терт "»динамического по^нциала ■вле ч, нглроьленный из раствора в мерзлую породу.

При исследовании миграции ионов в мерзлых пород? • уст~чов- ■ лено, что имеют место несколько механизмов их переноса:'диф-фузиогчый, связанный с диффузией за счет разно.ги концентраций и описызаемый законом Фика: <5= -К Щ , где Ф - скорость диффузии ионов, К - коэффициент диффузии ионов, С - концентрация растворенных веществ; конвективный, обусловленный, переносом ионов миграционным потоком влаги; адсорбционный, вызванный действием поверхностных сил минерального скелетахльда /Леблден-ко, 1969 /. ' •

Массоперенос в мерзлых породах, засоляемых растворами различных хгтетеских элементов, в том числе и тяжелых металлов, е г-висимости от концентрации носит экстремальный характер. При определенном соотношении механизмов переноса химических элементов наблюдаются максимальные значения потоков влаги и химических элементов /рис. I/.

С целью выявления роли адсорбционного, диффузионного и конвективного механизмов были исследованы процессы массоьзрено-са при различных температурах /- 54 ~'60°С/. С понижением температуры происходит вымерзание пленок связанной воды в породе. При этом плотность миг] ционного потока влаги падает. Накопление же ионоь с понижением температуры имеет экстремальный характер /рис. 2/. При понижении температуры до -2Опроисходит рост накопления ионов.-При более высоких температурах в

Л-'М\\rjuft* в *

«р*> > to' rj i'etg

«Л е.и

цг с*

Рис. I. Зависимость плотности миграционного потока влага Л»/в/ и ионов РЬ'4?'1^' /о / э мерзлую као.г титовую гтаку при * = -6°С от'концентрации внешнего раствора РМЫО*)* / 30 суток /.

Рис. 2. Накопление ионов Na* и tt" в образцах мерзлой каолини-товоХ глины в завг.стаюсти от температуры после . 5аи-молеЯствия с 1н раствором Nett в течении 3 суток.

переносе ионоз и химических элементов -тлную роль играет миграционный поток влаги из-за больших толщин пленок неЭамерзшеЙ воды.С '"»нижением а~мпературы конвективная составляющая общего потока ионоз уменьшается. Но высокие значения миграционных потоков ионов с понижением температуры связаны с действием не конвективного механизма, а других механизмов пех зноса ионов. При низкк.ч отр нательных температурах поток ионов и химических элементов также падает. Поэтому в области низких отрицательных температур / -20 -60°С/ основную роль в миграции ионов играет адсорбционный мех: л кем. С понижением температуры и уменьшением расстояния между поверхностями льда " минеральной подл^кки, напряженность электрического поля возрастает, что и увеличивает скорость миграции ионов. При понижении температуры от -20°С до -45 г -60"С происходит резкое уменьшение накопления ионов. Это связано, по-видимому,, с уменьшением толщин во; ых пленок до 23 молекулярных слоев / 5-8 А /, то есть толщины водных плекс.:: становятся соизмеримыми с размерами самих ионов

Глава У. ЗАШЮМЕРНОСТИ ПРОЦЕССОВ МАССОПЕРЯЮСА В ИЕРЗЛЫХ

ГОРОДАХ ПРИ ИХ ЕЗАИШДЕЙСТВИИ С ЛЕГГОРЛСТВОРГШ-

ми сожми.

Процессы переноса влаги и ионов определяют^ многими факторами. В пер-ую очередь к ним относятся состав, 'тажение и свой-СТ1 1 мерзлых пород. Кроме того, должны учитываться и факторы внешних условий - концентрация раствора, температура и давление. Ранее по изучению этих вопросов уже были проведены исследования на кафедре геокриологии МГУ, и были получены данные о процессах массопереноса в дисперсных породах.. Для скальных же пород таких исследований практиче :<и нет. .

Анализ экспериментальных данных по взаимодействии мерзл: : дисперсных пород с растьорами солей показывает, что на перенос влаги и ионов оказываю, большое внимание температура и соотно-эние ""»нцентреций внешнего и порового растворов. Понижение температуры вызывает замедление процессов влаго- и соленаноп-ления за счет вымерзания плёнок связанной воды. Изменение кон-

центр-5ц>тй внешнего и норового растзорог в-чяет на формирование движущих сил массспереноса. При этом, в зависимости от соотношения потенциалов влаги, миграция влаги может идти в раствор или в мерзлый образец, влияя на солеперенос. Как показывают экспериментальные данные, в условиях равных концентраций внешнего и поросого рьс.зсроь можь»' наблюдаться перенос ионов в мерзлую породу из внешнего раствора. Так, при концентрации чкезиего и порового растворов С = бн, накопление юное Мо* -»С г, мерзлой образце каолинит^ .¡ой глины при температуре -4°Ссос-таплпе. !т - экб/100г. ; . ■

Были проведены экспериментальные исследования процессов иаосопереноса а грунтгос разумного состава. Так, . в карбонат-пых породах при их взаимодействии с насьщэннкми водными раст-г-орами соле;. МаС£ и СпС£г/1,5 и 1,0л концентрации/ при тешера-т-.-рпх -1,5 г- -б°С наблюдался перенос и; накопление влаги и ионов ее, лек. Количество переносимых влаги и,-ионов зависит от многих 'акторав.целом видка ь деленная ранее зависимость массопере-носо от темпера!.-ры и концентрации. При понижении температуры и концентрации взаимодействующего раствора миграция влаги и ионов ууеньгспется. Однако, наибольшие значься для процессов мг'ссопереноса в д-'лном случее имеют сост&в и исходное строение г;; обо>и тнмх пород. Слоистость и литологачес ,ая неоднородность образцов приводит к неравномерности распределен. I влаги и ис'ов солей в поводе. Наличие достаточно плотных разновидностей карбонатных погод не способствует значительному влаго- и солена- -"оплению из-за повпненной прочности пород. Присутствие более дисперсного мзтериглл в мергелях объясняет повышенное накопление влаги и солей.

Глапа Л. ЗКШЮШРпОСШ ПРОЦЕССОВ ¿1АСС0ПЕРЫЮСА В ;.ЕРЗ-■ 'Ж ПОРОДАУ ПРИ ИХ ЕЗ/ЛЭДЕЯСХШИ С РАСТЮРлкИ СОЛЕЙ ТЛШЬК 1ШШЮЪ.

С позьжьием дисперсности накопление влаги и ионов увели-чиряется, чтг связано с большими движущими силами переноса влаги б более дисперсном грунте. Так, при взаимодействии мерзлой .,

каолинитовой глины с 0,1 н раствором при температуре

-6'С/сО суток/ нгчоп"ение влагив об. хсти контакта составило 1С.-, накопление ионов лС1*' - 1,8 мг-экр/ЮО г; а в песке при аналогичных условиях - 25?, л С***- 0,2 мг-экв/100 г ./рис.£/. Суглинок и супесь в этом ряд;' зек 'гают промежуточное положение. Накопление влаги к «ног. в мерзлых образцах 1'ород не всегда имеет сопряженный характер, "то обусловлено различными мехели змами и их соотношением в переносе ионов и химических элементов.

На процессы переноса влаги и ионов в глинистых поводах огромное влияние оказывает минеральны!", состав пород. Наибольшее накопление наблюдается з каол! готовой глине, н8.именьшее - ъ . монтмориллонитовой. Это объясняется специфическим г.р..оген лл строением монтмориллонитессй глины и слабой ее влаго- и ионопро-водн. .¡тыэ. Так, при взаимодействии мерзлой каолинитог.ой глины с 0,1 н раст-ором соли РЬМОД при темпере-туре -6°С/сО сутог:/ накопление влаги л У л области контакта образца с растве ом составило Ш, накопление ионов ¿С^*- 1,8 мг-экв/100 г; в монт-мориллонитовс 1 глине л С1* - 1,4 мг-экб/ЮО г.

Как показывают экспериментальные исследования, повыи. 'Шк уплотнения образцов I олинитовой глины от 0,2 дг 0,5 Ша, зза-имодействуюдих с 0,1 н раствором РЬСИО^при температуре -б "С /30 суток/, снижает некоплег е влаги и ионов в бразцах г чти в - раза: в области контакта <» и/уменьшается от 16% до 102, а лС^ от 1,8 до 1,5 мг-экв/100 г . Это связано с поЕьтоенно"-. структурной прочностью в более плотном образце.

11р-цессы мяссопереноса при рззимодейстзии мерзлых пород с растворами солей тяжелых металлов, как и в случае с легкими элементами, с гонгскением темпера.уры затухают. При понижении температуры от -1,5"С до -6°С накопление влаги *М уменьшилос в области контакта с 2«.,з до Ъ%, а накопление ионов &С* с 1,9 до 0,1 мг-"чкв/100 г в (результате воздействия на мерзлот) породу 3,1 н аствора РМЛЮ»)4 в течении 30 суток.

В зависимости от концентрации контактирующего с мерзлой породой раствора тячелого Йетэлла процессы масс^ереноса носят

Рис. 3. Ьекоплокяе влаги л'- '/а/ и ионов РЬ" а С^'/б/ по высоте образцов различной дисперсности, взримодействую-щи с 0г1н раствором соли М>ШЬ\при£= -6°С в течении 30 суток : 1,2,3,4 - соответственно глина, суглинок, супесь, песок.

Рис. 4. Изменение во времени потока ионов в мерзлую каолини-товую глину, взаимодействующую при ¿=-6Св течении 30 суток с 0,1 н растворами различных солей : 1,2,3, 4,5,6 - соответственно РЫЩк» С*КМ0Л,

МЫ и ^«И.

экс.трек?льнь& характер. При изменении концентрации раствора рь{М0э)г от о, 0С5 чо л,2 н при его взаимодействии с мерзлой као-линитивой глиной при темпет: туре -6'С в течении 20 суток было по- ". лучено, что максимальные значения плотности го то тор влаги и ио—* нов наблюдаются пси концентрации С,Об н /рис. I/. Для др^тих соле!* максимальные значения плотности потеков влаги и ионов могут наблюдаться при других концентрациях, что обусловлено сое' ношением движущих сил переноса влаги и ионов.

На процессы vccconepeHcce. "хазтает влияние хи?лический . состав в ? ?и wo дс Т; с т е укгх растворов. Среди ргссмотренш" растворов соле?; 'NO,)z , РЬ(МОз)г , йСАГОД , Р.-МОз)3 , Со(Ц04)4, NqNO, и KNOj пр.. темпер^','-1,5*с максима..^ные миграционные потоки юлаги зафиксированы в образцах, б заимодея стсугцих с рсстпо^омty ядкльдо,, минимальные - с раствором kWOj . Получено, что максимальные потоки лоноаМ»иИ>"' э минимзльнче - Со1*. Рагличнгя подвижность хими ческих элементов обусловлена различными £гкторэми. Так, значительное накопление .^"связано с тем, возможно, что раст^р^ШД находился s кислой средс, s условиях :-:оторс:: гтгдеит.нссть и рч::ги ур?л1 двеется /Обухсзскал, 126»:/. Малая подвижностьСог> определяется его адсорбционными характеристиками /Травник-ва, 1963/ и т.д.При темш атуре -6'С максимальные пс оки влаги наблюдаются i образцах, контактирующих с минимальные с KVOj ,а максимальные потоки эноз - при взаимод Лстгии с jWJb минимальные - с CoiNC^/piic. 4/.

Анализ влияния со&г-а анионов на процессы массопереног з . мерэ.*чх породах при воздействии на них ростьороз солей Сойг , CoS04 i "iMii показывает, что максимальное накопление влаги и ионок отмечено при взаимодействии с растворами Со<2г и r^S04 , наименьшее - с ррстзором Со(i/O^ , анионы которого б большей сте-гени адсорбируются погешхностью кинерельных частиц. Так, при контакте мерзлой породы с 0,1 н растворами Codi у. CoSO, при температуре • *С /30 суток/ накопление злгги ¿W з области контакта .сстаг ю J4-I5 'S, накопление енионовдСа" и дС""- 5 мг-зкв/ЮОг, а при взаимодействии с = Ц<£, дС"*"" =• 0,2 кг-экв/100г.

. На оскэт;е._проседенкк>£'экспериментов по миг ешя различных

- 1Р. -

химических элементов * мерзлых породах, а также анализа литературных даннмх / Тэтюног, Т9Г0; Тгргульян, 1971; Никитина, 1977; Борходэеп, Пятулько, Шунклор, 1965 / предпринята попытка оценить поведение рядов химических элементов в дисперсных породах при отрицательны, температурах. При этом было получено,что под-пгеность химических элементов будет определяться температурными условиями, концентрацией ьзаимзде-йстэукцег.о раствора, рН средь? и другими фактором, что требует детальных исследован?" миграционной способности каждого элемента. • йшолкенные автором экспериг/знтнльнпе исследования посолили опенить подвижность некоторую химических элементов при температуре -6'С и еосте--мть следующий ряд: ; .

На Си. г РЬ > К >Рс*Со. ,

Глан-а УН. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЧАТ\ГО--И ЖФОСТРОЕШЯ ЖРЗЛЕК ' ПОРОД ПРИ т ^АИЖДЕЙСТШИ С СОЛРИиИ РАСТЕО-

При гэеимлдейстзии мерзлых пород с солевыми растворами. Происходит не только перенос влаги и ионов, но .и собственные стру-ктгено-текстурнке преобразования. При этом мож«о выделить 2 типа гооиессор структуоо- и текстуроо'брасования.Первьк - связан -с интенсивными процессами влага- и соленакопления, "которые, приводят развитию процессов. набухь .¡ия, распучивания, льдовыдэ--ленкя. Кок правило, эти процессы разнигавтея г'породах при вы-г' сохих отрицательных температурах /до -5 * -10 "С /. Такой тип преобр^ зоб?ник строения породы характеризуется пг стично-вязкии ее деформированием. Кроме того, при высоких концентрациях .солевого раствора наблюдается размокание и осадка пород. При более низких отрицательных температурах / -20"О и ниже / структурно-текстурные пресбразоЕ&ния носят характер хрупкого раг-утаекил. 5 этих условиях, как правилопроисходит незначитель:-гыи массо-перенос, а возникавшие при взаимодействии мерзлых пород с солевыми растворами напряжения реалиг: зтея в ¡-озникновении различных треаин, рон разрыва. - '

Первый тип структурно- текстурнчх изменений характерен для токкодисперсннх пород. Второй.-наблюдается в тонко дисперсных

породах при низких отрицательных темт._ атурнх, а т^кже в породах с жесткими стру-'т^фнылст связями /с-сльных и сцементированных/, деформации в которых ^зниБаются локально. Так, в мерзлых карбонатных породах, при их езеим^дейстзии с солевыми рзствотзгш« образовались трещины, ""метике кпд на мв'фо-, тек и нэ .чинроуровне. ""чким изменениям подпершем.; карбонатные породы, имение неоднородные v дефектные зоны, а та;гке плотные, взаимодействующие длительное время при высоких отрицательных температурах с спчеекми растворами.

С почтением дисперсности лерзлнх пород интенсиг>ноеть структуро- и.текстурообрчзовения во раст-ет вследстзиь повыше-Hi плато- и солена<опленяя. mstc, при взаимодействии глинистои города с 0,1 н раствором РЬ(М(Ц при темгернтурз -6°0 ; те'' нии 30 суток в области контакта появились шлиры толщиной до 0,2 - • 0,4 а.

'При net ?.ходе сг каолкнитоэой г: мо^тмогкллонитоесй глине структурно-текстурные преобразования затухают, тек тек монт-мориллонитовая глина обладает специфическим криогенньм строением, сшкгк? чм интенсивность процессов массопереноса.-

Пог.гиенне ^ттлотнения посод уменьшает степень преобр* :ов.г -нкя их строения, что -.вязсно с вовидением етрук"""рной прочное- . ти к сцепления пород. 3 сезультате воздействия О,I н растг-прг Pb(N0j\ на герзлув каолкнитсчую глину уплотнен' .м 0,2 и Г>,5 Т. при i = -&'С/ Т = 30 суток/ в более плотном образце шлиры льда ягметнн только о области контакта с раствором. В б-^пее рыхлом образце гаят-грм располагаются вглубь образиг-., их толщина pcniaC-чет до 0,5 - 0,7 км. Такие изменения свярсны с рс* личным мгссопереносом и структ^фон парового пространств:. Образцы .уплотнением 0,2 Ла характеризую :я меньшей плотностью вине-ргльного скелета и большей пористостью. Кро-»е того, объем крупных гор / > I ккм/ j-лхльэс обрг.зпах f. 5 раз больше, чем в более г.~>тнух .

^-нлч-н.'с тсуг.ог^гуи? тгу.чо^'Л к:-мс-неннв хгректерг. структур: - :т те-ссуросбгсЗ'-ьан::я - перо-ах. Ир к тегггер-птуре -6*С б мерзлеи ¡:ас.-5:н;<тог;Я-гл1:нс при сг ггежод^йствж с 0,1 н

р^стзорэи РЬСМО^, ю »»уток/, а области хснт'у.тс отмечаются небольшие пииры льда толщиной до 0,-' мм, скелет рыхлый. При температуре -20"С болькя часть связанной воды зь зрзает, и шлирс-не наблюдается, при этом скелет более гтвдтный и однородна.

Х':.".!гюскг;1 с.-.стги, вз^модо-.'^твутс.ц.гх растворов тякже окв-сигает большое влияние на просброгование макро- и микростроения мзгьльт. п^тод. Среда попользуем1« растворов солей мсельк металлов при температуре -б'С/10 уток/ мяксимядъгые изменения зафик-сурог';«!. г, слагал» р.галмоде2ств^пгакх с МаМО,.« Ну МОД, а мини-х< льны» - пр" пгочмодейстеии образно? с К*М}|иС>вдад.Кек правило, эти обгаговаите плнров льда. о. отдельных волосяных до лиьзо-вкдн -слоистой криогенной текстур« при и.сменонии кинерсльно-гг- скелета от .тлотного, однородного, до рыхлого, разбухшего. '/ьт-нс!'вн-сть гресбрзэог.ония строения при этом совпадает с ин-тснгпБнсг.тью вл;.гсперзноса.

Е Ы Г: 0 Д Ы

1. сработан", методика комплексного исследования .^изико-/гмичеглг.гс гглцеггег з мерзлгк городах при Ил. взаимодействии с сслев'-.г;,! рг=.створоп1, вклечоюцпя изучение параметров массоперсно-оа, г. г ---.{5 структуре- текстурообрвзог-гние : испольсов^ем оптической и электронной микроскопии и изучение структуры поров' • -о пространства к<этодс:д ртутной порометрии.

2. йсслодов'.-и механизм и особенности совместного влэго- к ссг1-зпет>снг.гг.. у.ху. различных температурах и конпектраииях взаимо деистгча^е" годного раствор**:

- !т,1ггацир х;1\г.:"ос--иг эл-ментоз, в том числе и тяжелых ме-т-лл"л, обусловлена пгоиеесами конвективного пет?носр, диффузией ч по-оГ'Хностнг."! проводимостью, вклад которых определяется ко'^плехсом кнутренних я внеяних условий / концентрация, темпе-гат'тл, стГ'Зьнпе и с.зойстьа город и т.д/;

- длс соле»" "'Рчел'ч-х металлов г.едтвеокден выявленнш ранее ' для !йел*чн-.тх а -цолочиоземельных элементов экстремальный характер 1:исл1мосл"л г отеков »л~ги и ионов от концентрации внешнего раствора; экстремальное значение потоков фиксируется при опти-

игльнсй тсониентраиии иснов и определяет . его характеристиками и сбойстзйми;

- лграция влеси и ионор зависит от рР рзеимодейстгупцего рсстгора; я кислой.среде потоки рлаги и ионов больше, чем в ней тральной;

. - я переносе иг гов и химических элсменто,. при высоких отрицательных температурах принимг-от участие три механизм;: перенос? их соотношение для каждого -катиона определяется его сзойстзаш; при понижении темпгоатурн из-зэ р'*мерзания пленок связанной воды основным механизмом является адсорбционный.

3. Получрны новые эксперименталь' .;е данные об особенностях пер1 оса и накопления влаги и и"чое в мерзлых карбонатных породах и их преобразовании в результате взаимодействия с сднгя растворами солей:

- зняэдено, что интенсивность злсго- и сол^накопления. в мерзлы:', карбонатных породах тесно связана с их составом и исходным строением; наличие достаточно плотных разновидностей - г.о~г-шенной прочностью препятствует злаго- и солена'соплению, а таг-г-ке нарушению спло'-чости пород при вознихноренш кемогенннх напряжений; накопление влаги и конов здесь может происходить лишь ги наличии литологической ''еоднородноста, микротрещин и других структурная дефектов;

- для кг/бонатных пород, чзаимодеиствукгцих г солевыми частоо-рамг. можно рзделить два типа структурно- текстурных преобразований; первый характеризуется хрупким разрушением пород,такому разрушению подвержены неоднородные по егоему строению породы, а такие я ^которых случаях плотные однородные; яторой тип преобразований связен с процессами набухания, распучизашя, рагмокаьия

и ль довыделения.

4. Выявлены закономерности миграции тяжелых металлов э ме -злых дисперсных породах - зависимости от их состава, исходного строения и химического гетера растворов:

- г ряду песок-супесь-суглинок-глина накопление влаги и ис-. нов увеличивается, что связано с поскшением двичуцих сил миграции влаги и ионов;

- в кэолянк';-овой глине в отличие от у-нтмориллонитсвой накопление 1'лг.ги и ионов увелнчлзг гея, что обусловлено кх влато-V. ионогрогодностью к криогенным строением;

- пр:: умелп-'онии упло«:е«ия пород от 0,2 до С,5 Ша алаго-и сол^накоглеиие уменьс?ется, что егшпьно с поыггенной структурной прочностью г боле, плотном "Зраяцс, к деформирование в котором ыэтет гг.о^с^од^ть лтаь л^кгльно;

- получен1' экспериментальные данные по инте» 13ности переноса л накопления раэлячтк *чтачзских эя-:-монтор; пуделе" ;ы хи-гг.гческ. л элемент;;, пп: гзгимодеЯствии с солями которые наблюда-

мако^г/^льнсе и минимальное влаге- и соденакопление.

5. ГЬлучйнм эакгног.ернс, . ги преобразовани" м?-«ро- и микро-отрлен^?. мерзлых дисперсных пород при их ьз-'имодействии с раст-чсг-:\гл сслс-К гя\;ел1!х металлов:

- с увеличением дисперсности перо;-, интенсивность структур-м -то.^стуги/тх пге-бг"зовенки увеллчигч'ется, что гнрааается в ргг;;>:К: г.'Л"" 01 ¡",-г крисонны текстур;

- с г.с-иэтан-, .м уплотнения пород льдопыделеньи с обрасова-и::<_м -¡л'лрозю: гриогенн:« текстур ослабевает; меняется и структу-г г-;рт;(>го псостр'-нст: ^, к:к пегазыггвт эксперименты, увеличк-

итсл плотность нине равного скелета, а пористость уменьшается;

- ' г.ог^ение^тряыательной температур увеличивается интенсивности стругт^-не-текстурнчх преобрегорений; ри более пн"-:-.'

и тог-тсратур* отмечаете* широкая гонг, влирсрыделення; с пони-, женке« температуря происходит уменьшение этой яокк, мощности и • раг-мсгс- лодянгх прослоек.и-эняется и характер преобразовании;

- э"сгер!?!кнтально полнено, что максимальные• сгруктурно-тскстурн-с ггеобр."'р-орзния, сязанние со ишировчм льдоацдзлени-•>м, фиксируются ггя экстрем \яьшлг значениях потоков «лаги и ионоз

5. Пгоанализиг.оьанм нг. основе литературных данных и полу-м.;чн"х экспсгчм^нтальн'-с результатов некоторые качественные ссо-боннчета гс-ьедечия рядов химических элементог в мерзлых диспер-.ч'-х пог-.дйх. Т---Ч, в ряду игследуемлс химических элементов при т'.'М^Аратуре эксперимента -а* С установлена последопзтельность:

N0 ~ ку V РЬ >К > Г»