Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Массоперенос и криогенное структуро- и текстурообразование в промерзающих засоленных породах

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Массоперенос и криогенное структуро- и текстурообразование в промерзающих засоленных породах"

1 7 ПКТ 19%

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНОВ ЛЕНИНА, ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВА

Геологический факультет

На правах рукописи УДК 551345

НАЛЕТОВА Наталья Сергеевна

МАССОПЕРЕНОС И КРИОГЕННОЕ СТРУКТУРО- И ТЕКСТУРООБРАЗОВАНИЕ В ПРОМЕРЗАЮЩИХ ЗАСОЛЕННЫХ ПОРОДАХ

Специальность 04.00.07 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-мннералонических наук

Москва -1996

Работа выполнена на кафедре геокриологии Геологического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова

Научные руководители - доктор геолого-минералогических наук, профессор Э. Д. Ершов

кандидат геолого-минералогических наук, доцент Е. М- Чувилин

Официальные оппоненты - доктор геолого-минер алогических наук Г. И. Дубиков

доктор географических наук, профессор В. В. Рогов

Ведущая организация - Государственный проектный институт "Фундаментароект"

Защита диссертации состоится 25 октября 19% года в 14.30 на заседании диссертационного совета по защите кандидатских диссертаций по инженерной геологии, мерзлотоведению и грунтоведению К.053.05.06, в Московском государственном университете им: М. ' Б. Ломоногова по адресу: Москва, Воробьевы горы, МГУ, геологический факультет, аудитория'№ 829.

С диссертацией ■ можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ, зона "А", 6 этаж.

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатями^ просим присылать по адресу: 119899, Москва, Воробьевы горы, МГУ, геологический факультет, ученому секретарю совета.

Автореферат разослан 24 сентября 1996 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор геолого-чинералогических наук

В. Н. Соколов

Введение

Актуальность проблемы. Широкое распространение засоленных пород в криолитозоне ставит перед исследователями задачу их всестороннего изучения, которое обязательно долгого включать в себя выяснение условий формирования, существования, развития и преобразования этих пород. Без знания этих условий невозможно объяснить возникновение криопэгов, чередование полос с повышенной засоленностью, специфическое строение засоленных криогенных, пород и т.п. Поэтому вопроса массопереноса и формирования криогенного строения в промерзающих засоленных породах являются весьма актуальным.

В полевых условиях изучением засоленных криогенных пород в разные годы занимались Н.П.Авдсимова, Н.Ф.Григорьев, И.Д.Данилов, Г.Й.Дубиков, Н.В.Иванова, Л.Г.Еловская, Л.А.Жигарев, А.В.Брушков, В.Н.Макаров, М.А.Минкин, А.Н.Хименков, Ю.Б.Шешин и др. Экспериментальные исследования миграции ионов солей в промерзающих породах проводили Н.П.Анисимова, Э.Д.Ершов, Б.А.Савельев, JI-В.Чисто-тинов, В.Hallet, B.Kay Sc P.Groenvelt, G.Baker & T.Osterkamp, X.Xlaosu, G.Qlu и др. Криогенное строение засоленных пород в лабораторных условиях изучали А.П.Боженова, Ф.Г.Бакулин, З.А.Нерсе-сова, В.В.Рогов, И.А.Тютюнов, Е.М.Чунилин, E.Chamberlain, J.Kon-rad. и др. "Однако, несмотря на обширный фактический материал, 'вопросы формирования криогенного строения засоленных пород под влиянием процессов влаго- и солепереноса остались практически неизученными.

Поэтому основной целью данной работы явилось изучение взаимосвязи процессов-влаго- и солепереноса и криогенного структуро-и текстурообрэзоваяия в промерзающих засоленных породах.

В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следукщие задачи:

- разработать методику комплексного исследования физико-химических процессов в промерзающих засоленных породах, включахъ дую изучение параметров тепло- и массопереноса, а также структуро- и текстурообразование;

- исследовать механизм .и особенности влаго- и солепереноса в промерзающих засоленных дисперсных породах;

- выявить закономерности протекания массообменннх процес-

сов в породах различного состава, промэрзавдих при разных термо-баряческих условиях;

- 'изучить механизм и особенности структуро- и текстурообра-зования при промерзании засоленных дисперсных пород;

- рассмотреть возможные схемы формирования зон повышенной засоленности в дисперсных породах при их промерзании.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Разработана методика комплексного исследования физико-химических процессов в промерзающих засоленных породах, включающая'изучение параметров теплоыэссопереноса, а также структуро- и текстурообразования с использованием оптической и электронной микроскопии и изучением структуры порового пространства методом ртутной пороыетрш.

2. Исследован механизм переноса ионов водорастворимых, солей при промерзании водонасыщенных дисперсных пород; показано, что в случае миграции влаги преобладающим является механизм переноса ионов солей водным потоком.

3. Рассмотрены закономерности массопереноса в промерзающих засоленных породах в зависимости от дисперсности, минерального состава, влажности, плотности и различных термобарических условий промерзания.

4. Выявлен механизм криогенного структуро-'й текстурооОра- ' зования в промерзающих засоленных дисперсных породах и особенности формирования криогенного строения в зависимости от состава и условий промерзания; экспериментально исследованы особенности возникновения аутигеннах минералов как новых элементов структуры (на примере мирабилита).

5. Предложен ряд схем формирования зон повышенной засоленности в разрезе толщ дисперсных пород в результате развития процессов солепереаоса при их промерзании на основе ..обобщения известных полевых и экспериментальных данных.

Практическая значимость работа. Результаты проведенных исследований могут быть использованы: для прогнозирования поведения водорастворимых солей природного комплекса при промерзании дисперсных пород; при составлении рекомендаций для инкенерно-строительных работ на засоленных грунтах, где необходим учет возможного изменения содержания солей в результате массопереноса при -промерзании; при интерпретации природных разрезов для целей палеореконстрткций.

Ряд новых методических положений и теоретических, выводов нашел отражение в учебном процессе кафедры геокриологии геологического факультета МГУ и изданной в 1995 году монографии по физико-химическим основам геокриологии.

Личный вклад автора. В ходе исследований автором был применен комплекс методов, необходимых для изучения переноса и накопления' влаги и химических элементов при промерзании дисперсных, пород и связанных с вши структуро- и текстурообразователъных процессов. В основу диссертационной работы положены результаты более 40 опытов, большая часть которых проведена лично автором, исследовано около 100 образцов различной дисперсности, минерального состава, плотности и засоленности с применением комплексной методики обработки результатов. Проведен анализ механизмов и закономерностей перераспределения влага и солей и связанных с ними структуро- и текстурообразователъных процессов..

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы апробированы на XIV и XVII научных конференциях аспирантов и молодых ученых геологического факультета МГУ (1987 и 1991 гг), на V Всесоюзной конференции по теории почвенного криогенеза (г.Пущино, 1989), на I Международной конференции по криологии почв (г.Пущино, 1992), на III Минском международном форуме по тепломассопере-носу (г.Минск, I99G). ■ •- - -

За время работы по данной теме автором опубликованы 8 научных статей.

Структура и объем работы. Работа объемом 190 страниц машинописного текста содержит 67 рисунков, 1 таблицы и состоит из введения, 7 глав, выводов и списка литературы, который включает 130 наименований.

В основу работа положены результаты экспериментальных исследований, выполненных в период работы на кафедре геокриологии геологического факультета МГУ (1987-1995 гг.) под научным руководством доктора геолого-минералогических наук, профессора Э.Д.Ераова л кандидата геолого-минералогических наук, доцента Е.М.Чувнлина, которым автор выражает особую признательность за постоянное внимание и поддержку, оказываемые на протяжении всего_ периода работы. ^

Автор выранает-искреннюю благодарность профессору И.Д.Данилову, доктору геол.-мин. наук Л.Т.Роман, кандидатам геол.-мин. наук В.ГЛевереву, И.А.Комарову, С.Н.Булдовичу, А.В.Бруикову,

Л.В.Шевченко, С.С.Волохову, сотрудникам кафедры А.В.Медведеву, Р.Г Мотенко за полезные совета и внимание; П.Н.Козачку, Л.А.Нику-личевой, В.К.Обухову, О.Н.Патрик, А.В.Герасимовскому, С.В.Лебе-деако, Л.В.Семко за помощь при проведении исследований и обработке результатов; Й.Ю.Ввдяпину и О.Г.Смирновой за помощь'при оформлении работы.

Глава I. Изученность процессов массопереноса и формирования криогенного строения в промерзающих засоленных породах

Движение ионов растворенных в воде солей во влагонаснщениых немерзлых дисперсных породах может осуществляться конвективно (с потоком, вода при наличии градиента давления, электрического, температурного и других полей) и диффузионно (при наличии градиента концентраций конов солей) (И.А.Бриллинг, А.М.Глобус, В.М.Гольд-берг, В.А.Королев, В.М.Шестаков и др.). В вемерзлых грубодисперс-ных породах ведущая роль принадлежит фильтрационному переносу, в тонкодаспзрсных - миграции связанной воды. При переходе пород из немерзлого в мерзлое состояние и вымерзании свободной вода существенно возрастает роль поверхностных сил в переносе вещества.

• При рассмотрении промерзающих засоленных пород основное внимание "было уделено: влиянию содержания солей на миграцию влаги и пучинистые свойства грунта (А.П.Воженова, Ф.Г.Еакулин, З.А.Нер-сесова, И.А.Тютюнов, С.Б.Ухов, .Т.Сагу, В.Кау, Е.СЬатЬег1а1а и др.); температуре замерзания и содержанию незамерзшей воды (В.Г.Григорьева, Ю.Я.Велли, П.А.Гришин, А.Н.Яркик, С.Г.Лосева, Н.К.Пекарская, А.А.Чапаев, Л.Т.Роман, И.А.Комаров, Р.Г.Мотенко, Р.В1ак, Е.НШег, А.Псе, и др.).

Переносу ионов химических элементов уделялось значительно меньше внимания. Была принята точка зрения, что при промерзании засоленши пород соли, содержащиеся в поровом растворе, должны отжиматься растущей ледяной фазой, как в чистом растворе, и концентрироваться перед фронтом промерзания. Это подтЕеркдалось исследованиями, проведенными на грубодисперсннх породах (Н.П.Аниси-мова, В.П.Романов, В.НаПеТ;, С.Вакег & Т.0з1ег1шшр, и др.). Подобные представления в 80-х годах применялись к различным Оромерза-нцим системам и использовались при математическом моделировании ■ (В.М.Ентов, А.Ы.Максиыов, С.С.Григорян, М.СЛфасс и др.). Однако, проводившиеся в последние десять лет на кафедре геокриологии УГУ

экспериментальные исследования под руководством Э.Д.Ершова, а также отдельные данные Л.В.Чистотапова, G.Qiu, X.Xiaozu показала, что при промерзании тонкодисперсных пород коны солей, также как и влага, могут мигрировав и в найравлении к мёрзлой зоне.

Формирование криогенного строения в промерз авдах дисперсных породах связано с протекающая в них физико-химическими и механическими процессами и достаточно подробно изучено благодаря проведенным в разные годш исследованиям Э.Д.Ершова, Т.Н.Жестковой, З.Н.Ковищева, Ю.П.Лебеденко, Г.П.МазуроЕа, В.Г.Чеверева, З.А.Нер-еесовой, В.В.Рогова, И.А.Тютвнова, Е.МЛувилина, Л.В.Шевченко, О.М.Язнника и др. Криогенному строению засоленных промерзавдих пород посвящены работа А.П.Бозеновой, Ф.Г.Бакулина, О.С.Конвовой, E.Chsmberlaln, В.Hallet и др.

Однако, сеязь между массообменныда процессами в промэрзаю-пда засоленных породах и их криогенным строением стала рассматриваться лень в последние года в отдельных работах (Хкиенков, Минаев, 1930; Бровка ж др., I99S) и требует дальнейшего выяснения.

В результате, механизмы и закономерности массообменных процессов и криогенного текстуро- и . структурообразования, которые достаточно полно и подробно разработаны для нэзасоленных пород, ну задаются в существенной корректировке и дополнениях, при использовании их для рассмотрения процессов тепломассопереноса и формирования криогенного строения при промерзании засоленных пород.

Глава 2. Методика экспериментальных исследований и характеристика грунтов

В соответствии с поставленными задачами были проведены следующие серии экспериментов.

Первая серия включала в себя постановку опытов, направленных на изучение процессов влагосолепереноса, формирования криогенного строения (в том .числе и минеральных новообразований) при промерзании засоленных неуплогненных дисперсных грунтов. В ходе эксперимента в течение трех суток при температуре -12 и -20°С одновременно проморазкивались несколько (до восьми в одном опыте) образцов одного и того ке грунта с одинаковой начальной влажностью, но различной засоленностью, которые за время опыта промерзали по всей высоте ■ -

Вторая серия экспериментов была направлена на изучение вли-

яшш состава пород и условий промерзания нз процессы тепломассо-переноса и криогенного структурообразования при одностороннем промерзании уплотненных (от 0,2 до 1,0 Ша) образцов. Подготовка образцов проводилась по отработанной на кафедре методике. Грунтовый порошок размешивался с раствором соли выбранной концентрации (для NaCl от ОДн до 1,5н и для NagSO^ - 0,4н) и подвергался компрессионному уплотнении. После уплотнения образцы имели по все а длине равномерное распределение влажности, плотности и содержания солей. Уплотненные образцы помещались в кассеты с внутренними размерами 4*4*12 см или 5*5*15 см и промораживались при постоянных в течение всего опыта граничных температурных условиях на противоположных торцах (-17, -12 или -8°С на верхней границе; +8°С на низкней границе) в течение 1-2 суток. В ходе опытов проводилась регистрация температурного поля в образце.

Третья серия экспериментов была проведена с целью изучения влияния внешнего давления на процессы массопереноса и криогенное строение промерзающих засоленных пород. Для этого, предварительно засоленные и уплотненные образцы промораживались при одних и тех rite температурных условиях под нагрузкой и без нее.

Комплексная методика обработки результатов экспериментов после промерзания образцов включала определение влажности весовым методом, содержания ионов солей методом годной вытянки, величин пучения и усадки в образцах, изучение макро- и микростроения. Микростроение изучалось в репликах и петрографических шлифах, полученных с сублимированных образцов, при помощи оптической и электронной мякроскоши. Была проведена количественная обработка изображения при помощи системы IBAS-20Q0 (фирмы Qpton, ФРГ). Также исследовалась структура норового пространства методом ртутной порометрии. По экспериментальным данным были рассчитаны grad t, скорости промерзания, а также миграционные потоки влаги и ионов солей.

Экспериментальные исследования проводились на грунтах нарушенного сложения, отобранных в разных районах территории нашей' страны, в том числе и в районах распространения многолетнемерзлнх пород. Выбор грунтов проводился таким образом, чтобы были представлены основные типы по гранулометрическому' и минеральному составу: песок полиминеральный (all), отобранный в районе Якутска, и • кварцевый (mJg), отобранный в Московской области г-Люберцы; полиминеральные суглинки (edlV) из района г.Воркута и (gaill2-4) с

п-ва Ямал; мономинеральше глины каолинитового (е?2) (г.Глуховец) и монтморшганитового (еР.^1) (ст.Джембел) состава, а также полишнеральная глина (гпС) из г-Гжель в Московской области.

Глава 3. Природа процессов массопереноса и формирования криогенного строения в промерзающих засоленных породах

Наличие в промерзающей дисперсной породе водорастворимых соединений существенно изменяет характер протекания процессов переноса тепла и влаги, а также формирования криогенного строения. В засоленных породах массоперенос наряду с переносом влаги часто включает з солеперенос.

Необходимо отметить, что при промерзании засоленых пород мощность мерзлой зона уменьшается, что связано с понижением температуры начала замерзания порового раствора при внесении в него водорастворимых солей. Как показали проведенные расчеты, уменьшение глубины промерзания связано не только с изменением теплоемкости и теплопроводности засоленных пород. Определяющим фактором в данном случае является понииение температуры начала замерзания засоленной породы, что приводит к уменьшению градиента температур в мерзлой зоне последовательно, уменьшении теплоотвода из мерзлой зоны. Влияние температуры начала замерзания на мощность мерзлой зоны подтверждено результатами математического моделирования. Однако, в этих расчетных схемах не рассматривался перенос солей. Учет же миграции солей, а, следовательно, и дополнительного изменения температуры начала замерзания, может повлиять на мощность мерзлой зоны. Действительно, в образцах, где отмечался интенсивный перенос солей в направлении мерзлой зоны, ее мощность была меньше расчетной.

Проведенные в рамках данной работы исследования показали, что влияние засоления на массоперенос носит экстремальный характер. Наибольший влагоперенос отмечался при малых концентрациях порового раствора, когда диффузный слой вокруг грунтовых частиц наиболее развит. При дальнейшем увеличении концентрации порового раствора происходит уменьшение миграционного потока влаги в результате, сжатая диффузного слоя, снижения электрокинетического потенциала и его 'приближения к нулю (Грунтоведение, 1983). Таким образом, в поле действия минеральной частицы может остаться только слой адсорбированной воды, а молекулы воды, находившиеся ранее

в диффузном слое, выходят из шля действия минеральной подлоаш и переходят в поровый раствор, который не имеет фззико-хшической связи со скелетогл порода и относится к иммобилизованной и грав^-тациошадй разноь15дностя1л незамэрзшей воды (Чеверев, 1991).

При промерзании засоленных дисперсных пород наряду с пэре-носом влаги осуществляется и перенос солей. В едином механизме солепереноса шкно выделить ряд составляющие-(рис. 1.а): перенос ионов с потоком мигрирующей влаги (или конвективный механизм), ^.механизм поверхностной проводимости, вызванный действием адсорбционных сил, тертдафйрионный и диффузионный мэхаиизыи. Ведрэя роль в переносе есяов водорастворимых содей пргнадзеетг конвективному ыехаяизму ее переноса водаш штоком. Об'этом хз говорят результата мсслэдований, проведенных с засоляемыми дисперсными лородзяа, прокорзазшвш в условиях опфнтой системы со свободным подтоком раствора соли к незасоленному образцу '(Чувшшн и др., 1987).

На преобладаадув роль конвективного кзганизма перекоса конов солей с потоком нкгрфуааэй влаги указызаэт сопрякзявий характер кривых распере деления влаги и солей (ряс. 2). Расчеты показали, что до 80 % солей при промерзании водонасниенных дисперсных пород переносятся именно водным потоком. Остальная часть солепэ-ревоса-'приходгрся на-долю- оставшихся трех механизмов. Влияние механизма поверхностной проводимости возрастает при понижении отрицательной температуры за счет возникновения силового поля между поверхностью минеральной частицы и поверхность® льда. Даля диффузионного и термодиффузионного механизмов перекоса солей под действием градиентов концентрации к температуры б общем солепере-носе минимальна.

Рассмотренные выше составляющие единого механизма переноса солей в промэрзавдщх влагонасвдепннх. дисперсных породах могут действовать в различных направлениях (рис. 1.а): механизм поверхностной проводимости и тершдкффузионвдй механизм переносят водорастворимые соли з сторону понижения отрицательных температур; конвективный шхаяизм переноса солей зависит от направления движения штока влаги; диффузионный механизм, стремящайся к выравниванию концентраций, направлен' навстречу суммарному потоку солей под действием трех перечисленных выше механизмов. Максимальное перераспределение ионов солей соответствует оптимальному соотношению величин разных механизмов солепереноса, дапдих в сумме мак-

а

МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕНОСА иОНОВ СОЛЕЙ

КОНВЕКТИВНЫЙ (С ПОТОКОМ ВЛАГИ)

2-ПОВЕРХНОСТНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ

3- ТЕРМОДМФФУЗИСМНЫЙ ¡< - диффузионный

и

|| = ! 1

Рй

ГРУ50ДЫСПЕРШЫЕ ' ПОРОДЫ г

УВЕЛИЧЕНИЕ скорости ПРОМЕРЗАНИЯ

ТОНИОДИСПЕРСНЫЕ. ПОРОДЫ

■УСКОЬУЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

I—> ПЕРЕНОС ЬЛММ

перенос ионоь сопси

(?) отсчтстме перераспределений ^ ьладм и исжоь сог\е\л

— и+ граничные условия

___ НЙЧЛЛЬНОЕ К

- КОНЕЧНОЕ РЛСПРЕЙЕЛШЛЕ

ълмтл (ьг) и солел (2)

А. л. л. Ч'РОНТ ПрО№Р5ШЛЯ

\

Рис. I. Схемытзроцессов массопереноса в промерзаших засоленных породах: а - механизмы переноса ионов солей; б и в - влияние на массоперенос скорости промерзания и внешней нагрузки.

б

сималъный солевой поток.

При рассмотрение переноса солей, совпадающего по направлению с переносом влаги, выделены два случая (рис. 1.б,в): -отжатие солей в немерзлую зону промерзашцего грунта, характерное для грубодасперсных пород, в том числе песков и легких супесей;

-накопление солей в мерзлой зоне промерзающего грунта, характерное для тонкодисперсных пород (глин и суглинков).

Однако, при большой скорости промерзания как в грубодасперсных, так и в тонкодисперных породах может наблюдаться отсутсут-ствие перераспределения влаги и солей (рис. 1.б,в). При быстром промерзании они фиксируются на месте.

Увеличение внешней нагрузки на образец тонкодасперсной породы также меже? приводить к подавлению миграции влаги к фронту промерзания, а при избыточных нагрузках даже к отжата влаги, а вместе с ней и ионов солей в немерзлую зону (рис. 1.в), что при отсутствии нагрузки отмечалось лишь в грубодасперсных системах.

В ходе исследований было выяснено, что засоление дисперсных пород, промерзаэдих в условиях закрытой систеш, Ее только влияет на процессы массопереноса в них, но также приводит и к изменению механизмов структуро- и текстурообразования.

■Количественная обработка изображения,- 'проведенная -при помощи системы 0р1оп, показала, что в промерзающей засоленной породе меняется соотношение структурной и текстурной льдастости, по сравнении с породой кезасоленной. При близких значениях влажности доля текстурной льдастости (за счет шлиров) в засоленной породе уменьшается, а структурной . (льдастости минерального скелета) - увеличивается.

Механизм формирования криогенных текстур в лромерзаицих засоленных породах связан с влиянием. водорастворимых солей на энергетическое состояние паровой влага и, следовательно, влагооб-менные процессы. В засоленном промерзающем грунте нет четкого фронта промерзапия, фазовые перехода протекают в зоне промерзания, мощность которой увеличивается с .ростом засоленности. При достижении'определенного порога засоления, когда почти вся вода связана ионами солей и миграции влаги к фронту промерзания не . происходит, рост шлиров льда наблюдается во всей промерзающей зоне, подобно ортотрошой кристаллизации вода в илах. То есть происходит изменение механизма роста прослоев льда от миграцион-

но-сегрегационного к "ортотропно-компрессионяому. При миграции влаги к фронту промерзания формируются шлиры, параллельные фронту. При подавлении миграции увеличивается доля вертикальных шлиров, формирующихся за счет ортогро'пной кристаллизации влаги, выведенной ионами солей из поля действия минеральной подложки.'

Глава 4. Закономерности протекания массообменннх процессов • при промерзании засоленных пород различного состава

Особенности переноса влаги и ионов водорастворимых солей определяются многими факторами, и в первую очередь характеристиками . самой промерзающей • породы: дисперсностью, минеральным составом, влажностью, плотностью и т.п.

Экспериментальные исследования, проведенные на промерзающих водонасвденных образцах различной дисперсности показали, что основным механизмом переноса ионов водорастворимых солей является их перенос потоком влага, о чем свидетельствует сопряженный характер кривых распределения вланности и содержания солей по высоте образцов. При этом в грубодисперсных породах фронт промерзания отжимает влагу , а вместе с ней и соли, в немерзлую зону (рис. 2.а). При увеличении дисперсности и переходе от грубодасперсных к тонкодисперсным породам направление движения влага изменяется на противоположное. Так в суглинках и глинах (рис. 2.6) отмечается накопление влаги к солей в мерзлой зоне, причем при переходе от суглинков к глинам накопление влаги и ионов солей в мерзлой зоне возрастает, а мощность мерзлой зоны сокращается. Также было отмечено, что в исследуемых образцах тонкодисперсных пород засоление приводило к уменьшению скоростей промерзания и миграционных потоков влаги по сравнению с незаселенными образца,® той же дисперсности.

В глинистых породах различного минерального состава влаго-и солэперенос уменьшался в ряду каолинитовая - полиминеральная -монтмориллонитовая глина. Причем в монтмориллонитовой глине перераспределения влаги и солей при промерзании в направлении теплового штока практически не происходило, что связано с ее низкими влагопроводннми свойствами, обусловленными высокой' дисперсностью и большой активной "поверхностью, отсутствием слабо связанной воды в талой зоне, питающей мерзлую. Наибольшее влаго- и соленакопле-ние отмечалось в мерзлой зоне каолинитовой глины.

20 30 У/Х

Нем *

30 1)0 50 У/.%

1

Цен

к

ог

V

3 12

ОГ

V Б 12

А 6 8 Ма

' . ' Л ХГ-эу-В О

С1Г

ЮОг

Цсм

к

& Ыо

Нем

кг-эта

100 г

Г

сг

50 60

' !| 1 мг-эго 0 '----г

п юо г } ЮОг

к - 14 ? Г

—1_ 1 Л т . < | &

■ ! п \

Ч™ « 1 Нем '

6 12 16 Иа+ 8 12 16 С1Г

Рис. 2. Распределение весовой влажности (Ш) и ионов и С1~ то высоте (Н) промерзавших при 1=-12®С образцов: а - полиш-нерального -песка; б - полиминеральной'глины; в и г - каолинитовой глины, уплотненных соответственно до 0,2 МПа и 1,0 Ша (I - (|роят промерзания, 2 и 3 - начальное и конечное распределение весовой влажности (Я) и ионов На+ и С1").

Исследования влияния начальных влажности и плотности, проведенные на образцах каолинитовой глины, показали,что наибольшее перераспределение влаги при промерзании как незасоленных, так и ззсолешггх грунтов наблюдалось в' неуплотненных образцах. При увеличении уплотнения пород от неуплотяенного до 0,2 - 0,5 -1,0 МПа влаго-и солеперенос уменьшались (рис. 2.б,в), что связано с уменьшением влажности и повышением структурной прочности. При этом во всех засоленных образцах, независимо от степени уплотнения, преобладаниям механизмом массопереноса являлся перенос ионов солей с потоком шгрирундей к фронту промерзания влага, о чем говорит сопряженный характер кривых распределения влаги и солей. При уплотнении пород и снижении влагопроводенх свойств солеперенос уменьшался за- счет уменьшения доли конвективной составляющей в общем потоке переноса ионов.

Глава 5. Закономерности массопереноса в промерзающих породах в зависимости от засоления и условий промерзания

Исследование влияния засоления и условий промерзания на протекание массообменннх процессов было проведено на образцах каолинитовой глины, засоленных растворами НаСХ различных концентраций.

Анализ влияния температурного рекима и внешней нагрузки на процессы массопереноса в промерзающей каолинитовой глине показал, что как и в незасоленной породе, максимальный перенос влаги и лъдонэкопление возможны при оптимальном соотношении скорости промерзания и §гас1 1:, а также при отсутствии бытового давления.

При этом наибольшее накопление солей и влаги в мерзлой зоне каолинитовой глины отмечалось в образцах, где при меньшей скорости промерзания средняя плотность миграционного потока влаги была выше. При этом , независимо от температурного режима промерзания-, в засоленных образцах скорость промерзания (рис. З.а) и мощность мерзлой зоны была меньше, чем в незасоленных, что связано, главным образом, с понижением температуры -начала замерзания. Также, при исследовании влияния условий промерзания на " массообменные процессы было выяснено, что при засолении грунта уменьшается величина внешней нагрузки, подавляющей миграций влаги к фронту промерзания. Так, в незасоленной каолинитовой глине миграция влаги подавлялась под действием нахрузки 1,5 МПа, а в глине, имевшей

а

Угомо, см/с «6

Упр-Ю5. см/с

Еис.'З. Изменение скорости промерзания №р} образцов као-линитовой глины во времени ( X ) при различных: а - температурных условиях; б - засоленности (I, 2, 3, 4 - соответственно незасо-ленный и засоленные 0,2 н, 0,4 н н 0,8 н растворами Кай при 1=-17°С; 5 и 6 - соответственно незасоленный и засоленный 0,4 н раствором НаС1 при г=-8°С).

Рис. 4. Криогенное строение образцов каолинитовой глины (№=65й), засоленных растворами КаС1 различных концентраций, после промерзания сверху при 1=-12°С.

засоленность 0,5%, это значение снизилось до 1,0 ГШа. При отсутствии миграции влага под нагрузкой перенос солей также не наблюдался, что еще раз свидетельствует о том, что при промерзании перенос йог з водорастворимых солей с потоком мигрирующей влаги преобладает над другими механизмами массопереноса.

Влияние засоления на процессы массопереноса исследовалось на образцах каолинитовой глины при различных режимах промерзания (-17, -12и~8°С). При увеличении засоленности в промерзающем образце происходит уменьшение скорости промерзания (рис. З.б) и сокращение мощности мерзлой зоны. При этом при небольших величинах засоления миграционный поток влаги может быть больше, чем в незасоленном образце. Однако, дальнейшее увеличение засоленности приводит к уменьшению потока влаги, который становится значительно меньше, чем в промерзанием незасоленном образце.

Плотность потока солей к *Э5ронту промерзания также носит экстремальный характер и зависит от соотношения начальной засо- -ленности образца, влияющей на влагоперенос, и от плотности миграционного потока влаги, переносящего содержащиеся в грунте соли. Так, в образцах, промерзавших с граничными условиями -17-+8^С, засоленных изначально 0,2 н, 0,8 ни Г,5н раствором NaCl, средняя плотность потока влаги уменьшалась соответственно в ряду

7,5*10_6, 3,8* Ю-6 и"0,5*10_6 г/сг.^с, в то время'как поток солей-

—9 -9

в этом не ряду изменялся следующим образом: 48*10 , 117*10 и

с о

38*10 г/см" соответственно. Таким образом, при снжении влаго-переноса в образце с максимальным засолением солеперенос такке уменьшился, несмотря на высокое содержание ионов солей, потенциально способных к перемещению.

В засоленных глинистых грунтах, промерзающих при температурах, близких к температуре начала замерзания порового раствора, перераспределение влаги и ионов солей не происходит (так, перераспределение не наблюдалось в каолинитовой глине, промерзавшей при температуре -12°С, засоленной раствором NaCl с концентрацией 1,0 н и выше). Однако при последующем понижении температуры промораживания на несколько градусов (например, до -20°С) в засоленном образце вновь были отмечены интенсивные массообменные процесса. •. . .

При промерзании дисперсных пород, засоленных растворами различных солей, могут протекать интенсивные массообменные • процессы, на которые оказывают влияние не только условия промерза-

ния, но и вид ионов, их концентрация в поровом растворе и особенности взаимодействия с поверхностью грунтовых частиц. В образцах каолинитовой глины, засоленных растворами ЫаС1 и Кг^ЭОд одинаковой концентрации (0,4к), плотности миграционных потоков влаги были меньше, чем в незасоленном образце, но имели'близкие значения- То есть для данных водорастворимых солей на изменение миграционного потока влаги концентрация порового раствора оказывает большее влияние, чем состав солей. Также отмечено, что на подвижность катионов в промерзающей породе может влиять состав присутствующих в ней анионов; так, ионы На+ в присутствии сульфат-ионов обладали большей подвижностью, чем в присутствии ионов хлора.

Таким образом, выявлено, что для каздой температуры промерзания должна существовать оптимальная засоленность, и наоборот, для каздой засоленной породы должны существовать оптимальные условия промерзания, когда наблюдается максимальное перераспределение ионов водорастворимых солей, зависящее от количества солей в грунте и плотности миграционного штока влаги к фронту промерзания. При этой максимальное перераспределение ионов солей соответствует оптимальному соотношению разных механизмов солеперено-са, давдих в сумме максимальный солевой поток.

Глава 6. Особенности структуро- и текстурообразования при промерзании засоленных пород

Было выяснено, что в грунтах различной дисперсности засоление по-разному влияет на формирование криогенного строения.

В песках внесение солей приводит к увеличению содержания незамерзшей воды и уменьшению общей льдистости, а формирующаяся массивная криогенная текстура отличается более равномерным распределением льда-цемента по высоте мерзлой зоны.

. В суглинках засоление подавляет влагоперевос к фронту промерзания, что привода? к уменьшению шшрового льдоваделения в верхней части мерзлой зоны, а криогенная-текстура становится преимущественно массивной. При этом наибольшее влияние засоление суглинков оказывает на криогенное структурообразование в минеральных прослоях. При уменьшении перераспределения влаги в засоленном суглинке перестройка порового пространства выражена слабее, чем в незасоленном, а изменение среднего радиуса пор по высоте мерзлой зоны вообще не наблюдается (в незасоленном суглин-

ке средний радиус пор минеральных прослоев, заключенных между шлирами льда, в верхней часта мерзлой зоны на порядок меньше, чем в нижней части с массивной криогенной текстурой).

В г.'•-пах - засоление, подавляя массоперенос, также существенным осразом влияет на тип криогенной текстуры. В промерзаших глинах при засолении образуются нетипичные для незасолениых грунтов криогенные тохстурц, что выражается б увеличении доли вертикальных шлиров по отношению к горизонтальным, параллельнкм фронту промерзания и преобладающим в незасоленннх породах. Так, при увеличении засоления в каоликктовой и полшя-ХЕеральной глинах образуются сетчатые тшиогеннне текстуры, з монтморкллснатсвой - веерообразная. При атом различия мэзду незаселенном л засолэнж.ге об-раацама более ярко тзыражена в каолинитозой глине (рис. 4), где засоление наиболее сильно влияет на массосбменныэ процессы. Наименьшие различия - в монтмориллонитовой глине, где общий ейд с пе-цифической ячеистой криогенной текстуры, при некотором увеличении дола и мощности вертикально сриентировашых прослоев льда, сохраняется. Полиминеральная глина занимает промежуточное положение.

Также было выяснено, что з глинистых породах в результате подавления массопереноса при увеличении засоления различия, связанные с влиянием состава на формирование криогенной текстуры, уменьшаются я тип криОтекстуры определяется, в основном, концентрацией солэй, а не составом породы. Криогенные текстуры, суцест-вешо различающиеся в незасоленннх глинистых породах разного состава, после достижения определенного порога засоления можно отнести к сетчатому типу с большой долей вертикальных шлиров.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что влияние температурных условий и внешнего давленая на формирование криогенного строения промерзающих засоленных пород (также как и незасоленннх) проявляется через их воздействие на протекание мас-сообмеяных процессов. При миграции влаги к фронту промерзания в незасоленннх и засоленных образцах каолкниговой глиеы в исследуемом диапазоне температур формируется слоистая криогенная текстура, характерная для сегрегационного льдовыделешя. При этом изменение температурного режима в промерзающих образцах в меньшей ■степени влияет на форюфование криогенного строения, чем изменение ее начальной засоленности. Криогенная текстура в засоленных образцах мало изменяется по высоте мерзлой зоны, что связано с более равномерным, по сравнению с незасоленными образцами, рас-

пределением влажности в результате подавления влагопереноса при промерзании, что приводит к деградации зоны обезвоживания и усадки с массивной криогенной текстурой.

На примере каолинитовой глины показано, что приложение к засоленному образцу внешней нагрузки, подавляющей массоперенос, приводит, как и в незаеоленных образцах, к формированию массивной криогенной текстуры.

Показано, что структурные изменения в промерзащих породах, засоленных растворами легкорастворимых солей, в отличие от незаеоленных, связаны не только с формой выделения льда и преобразованием исходных минеральных частиц, но и с возможностью выделения " новой структурной компоненты - аутигенных .минералов и образованием цементационных связей. На примере мирабилита экспериментально показано влияние условий промерзания и засоленности порода на морфологию и особенности выделения аутигенных минералов. Так, расположение центров кристаллизации зависит от концентрации поро-вого раствора: при увеличении концентрации кристаллы фиксируются не только в грунтовой массе, но и на месте контакта лед-грунт и во льду. При этом они имеют более сглаженные очертания.

Глава 7. Схемы формирования зон повышенной засоленности в промерзающих, породах

На основании полученных экспериментальных данных и анализа данных других исследователей предложен ряд схем формирования зон с повышенной засоленностью как в деятельном слое, так и при многолетнем промерзании {рис. 5). В данных схемах условно предполагается равномерное распределение водорастворимых солей по разрезу до начала промерзания для того, чтобы вычленить роль криогенного фактора в образовании зон с повышенной засоленностью.. В основу составления схем положены фактические данные, показывающие различия в направлении движения солей в зависимости от дисперсности и режима промерзания. При скоростях промерзания, существующих в природе, возможна как реализация массопереноса, так и фиксация солей на месте. В данных схемах рассматривается первый случай.

В сезонно-талом слое в зимний период существует два разно- ■ направленных тепловых потока, промерзание идет как сверху, так и снизу, причем вклад последнего в несколько раз меньше, что отражается и на количестве перераспределяемых солей. В грубодисперс-

7С I

•а

о =з

"а

|1 X ТГ

-а ^

г

33

о

о 2

ГЛ 5С 5-ГР ЗГ

гя

Е2Э

о» о» О О ж О 3>

С о

£ с 22 Зс

о 2-

КС О ;> о

X

сх

Г"

а.

СП

о

СР

л:

гп ■х.

ТОНКОйИСПЕРСЦЫЕ

ГРУБОДИСПЕРСНЫЕ

ПОРОДЫ

!

О

о гп 1Я о :с

о. (

-а

о >

о

о

о5

сз зс

Е

о

гп

i-0

а;

х гп о

ё а •о

о с» г 21

Т> 5» О»

•с

г" (р

п т о3 о х: п о т

=3

•а

о

т 1Р

ГП

о

X о ■о

ст

•а

Ю

•о

ГЛ 0=

2 £ о —1 о

т н

л т т

"О

о т

ТЗ (р

£

т

ных породах соли могут отниматься двумя ветречвыми фронтам!, в результате чего возможно формирование зоны с повышенной засоленностью в средней части деятельного слоя. В тонкодисперсшх породах при тех же граничных условиях потоки солей направлены к фронтам промерзания, в результате возмогло формирование 'двух зон с повышенной засоленностью в верхней и нижней частях деятельного слоя.

При сезонном промерзании вблизи поверхности в грубодисперс-ных отложениях соли отжимаются фронтом промерзания в немерзлую зону, а в тонкодисперсных - накапливаются в мерзлой зоне.

При многолетнем промерзании однородных разрезов отличие от сезонного промерзания будет состоять в взмененки направления миграции солей в тонкодасперсных породах (т.е. ж стжатие в немерзлую зону) под влиянием бытового давления на глубинах .свыше критического значения. В схемах многолетнего промерзания неоднородных разрезов рассмотрены два распространенных з природе случая: преимущественно грубадясперсная толща с небольшими прослойками тошкдаспзрстюго материала л преимущественно тонкодпепераная толща с прослоями. грубодисперсного материала. В основе данных схем лежат рассмотренные выше представления о направлении миграции солей. При этом на небольших глубинах возможное расположение зоны с повышенной засоленностью приходится на контакт грубодкеперешх с тонкодисперсными породами, причем последние засоляются за счет подтягивания солей из нижерасположенных пород. На больших глубинах (в тонкодисперсных прослоях) соли, вероятно, не будут существенно перераспределяться, а на глубинах свыше критической - возмокно их отзнатае вниз, также, как и в грубодасперсных породах.

В природной обстановке данные схемы могут быть осложнены превде всего неоднородным исходным распределением солей по разрезу, что связано прежде всего с условиями, в которых формировались порода до начала промерзания. Также с течением времени возможно выравнивание засоленности по высоте разреза, связанное с диффузионными процессами, протекающими в мерзлых породах, выщелачиванием в верхней части разреза и т.п., что искажает картину распределения солей по разрезу сразу после промерзания. Несмотря на это, возможность реализации предлагаемых схем 'подтверждается рядом природных разрезов, рассмотренных в работах Н.П.Анисимовой, •И.Д.Данилова, Г.Й.Дубикова, Л.Г.Еловской, А.В.Брушкова и др.

Выводы

1. Разработана методика комплексного исследования физико-химических процессов в промерзающих засоленных породах, включающая изучение параметров тепло-, влаго- и солепереноса, а таюне структуро- и текстурообразования с использованием оптической и электронной микроскопии, количественным расчетом изменений в криогенном строении и изучением структуры норового пространства методом ртутной порометрии.

2. Исследован комплексный механизм переноса ионов водорастворимых солей при промерзании водонасыщенных дисперсных пород. При этом показано, что:

а) при промерзании засоленных пород температура начала замерзания грунтовой системы оказывает существенное влияние на скорость и глубину промерзания; миграция солей к фронту промерзания в тонкодасперсных породах может дополнительно понижать температуру замерзания грунтовой системы;

б) перемещение солей при промерзании монет осуществляться за счет конвективного переноса, поверхностной проводимости, диффузии и термодиффузии;

в) преобладающая роль принадлежит конвективному переносу ионов с потоком мигрирующей влаги.

г) Выделено два направления движения солей:

-отжата салей в немерзлую зону промерзающей порода, характерное для грубсдисперсных систем и тонкодисперсных пород при избыточной внешней нагрузке;

-накопление солей в мерзлой зоне, характерное для промерзающих тонкодисперсных пород;

При больших скоростях промерзания соли могут' фиксироваться на месте.

3. Выявлена взаимосвязь соле- и влагопереноса в промерзаю-^ щих засоленных породах и закономерности их изменения в зависимости от состава, засоленности и условий промерзания:

а) влияние засоления на массоперенос носит экстремальный характер; при определенных граничных условиях существует оптимальная засоленность порода и, наоборот, для каждого засоленного грунта существует оптимальный температурный режим промерзания, когда перераспределение влага и солей максимально;

б) при увеличений дисперсности и переходе от песков к сут-

линкам и глинам отзкатие солей в немерзлую зону сменяется их накоплением в мерзлой зоне;

в) в глинах разного минерального состава наибольшее перераспределение солей наблвдается в каолинитовой глине, обладающей наилучшими влаго- и иовопроводными свойствами;

г) при увеличении уплотнения пород Благо- и солеперенос уменьшается, что связано с повышением структурной прочности и уменьшением влажности;

д) при засолении глинистого грунта уменьшается величина внешней нагрузки, подавляющей миграцию влаги к фронту промерзания; при отсутствии миграции влаги под нагрузкой перенос солей также не наблюдается.'

4. Рассмотрены особенности структуро- и текстурообразования при промерзании засоленных дисперсных грунтов, показана их связь с процессами массопереноса:

а) при засолении меняется соотношение структурной и текстурной льдистости; доля текстурной льдастости уменьиается, структурной - увеличивается;

б) при увеличении засоления в тонкодасперсных породах меняется механизм криогенного текстурообразования от миграционно-сегрегационного к ортотропно-кокпрессионному;

. , в). влияние .засоления, на криогенное строение .возрастает лри увеличении дисперсности: в песках оно минимально, в глинах -максимально;

г) в глинах различного минерального состава при засолении образуются нетипичные для незаселенных образцов криогенные текстуры со значительной долей .вертикальных прослоев; при увеличении засоления различия, связанные с влиянием состава на • криогенную текстуру, уменьшаются и тип текстуры определяется, в основном, концентрацией солей, а не составом порода;

д) изменение температурного режима в промерзавацих образцах в меньшей степени влияет на криогенное строение, чем изменение ее начальной засоленности;

е) при образовании в промерзаидей дисперсной, породе новых элементов структуры (аутигеннвд минералов) морфология и особенности выделения кристаллов находятся в зависимости от концентрации порового раствора.

•' ' 5. Предложен ряд схем формирования зон повышенной засоленности в разрезах тощ дисперсных городах в результате развития

процессов солепереноса при их сезонном и многолетнем промерзании.

Основные положения диссертации отражены в работах:

' I. Экспериментальные исследования массопереноса в засоляемых промерзавших дисперсных породах. Мат-лы XIV науч. конф. мол. уч. и асп. геол. фак. МГУ, М., Г987, деп. в ВИНИТИ Ji9000-B87, с.88-96, (совм. с Е.М.Чувилиным, П.Н.Козачком, В.В.Ливитиным).

2. Моделирование процесса миграции влаги и ионов в промерзающих породах при взаимодействии с водными растворами солей. В сб.: Инженерно-геокриологические проблемы Забайкалья. Чита, 1937, (совм..с Э.Д.Ершовым, Ю.П.Лебеденко, Е.М.Чувилиным, П.Н.Козачком, В.В.Ливитиным).

3. Криогенное концентрирование и миграция ионов в промерзающих почвах и дисперсных грунтах.- Тезисы докл. 7 Всес. конф. "Теория почвенного криогенеза", Пущино, 1989, с.58-59, (совм. с Э.Д.Ершовым, Ю.П.Лебеденко, Е.М.Чувилиным).

4. Экспериментальные исследования массопереноса и криогенного текстурообразовання в промерзающих засоленных породах. Материалы ХУЛ науч. конф. мол. уч. и асп. геол. фак. МГУ, М., 1990, деп. в ВИНИТИ 08.02.91, Js642-B9I, с.10-17.

5. 'Экспериментальные исследования процессов массопереноса в промерзащих засоленных породах. Инж. геол., 1992, Ä4, с.27-35, (совм. с Э.Д.Ершовым, Ю.П.Лебеденко, Е.М.Чувилиным).

6. Mass transfer in freezing saline soils, I-st Int. conf. on Gryopedology. Pushchino, 1992, p.115-122, (with E.D.Ershov, Yu.P.Lebedenko, E.M.CtniTllin).

7. Миграция ионов в промерзающих породах. В кн.: Основы геокриологии. Часть I. Глава 6 "Процессы тепло- и массопереноса и льдовыделения в промерзающих и протаивающих породах". М., 1995, с.215-221, (совм. с Э.Д.Ершовым, Ю.П.Лебеденко, Е.М.Чувилиным).

8. Поведение ионов химических элементов в промерзающих дисперсных породах. Тепломассообмен - ШФ-96. Минск, I99S, т.7, с. 16-20, (г~— ~ n п -р™-—■ -с и тт,™——■ О.Г.Смирновой).