Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Миграция ионов химических элементов в мерзлых породах и льдах

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Миграция ионов химических элементов в мерзлых породах и льдах"

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

Геологический факультет

На правах рукописи

СМИРНОВА Ольга Геннадиевна

МИГРАЦИЯ ИОНОВ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В МЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ И ЛЬДАХ

Специальность 04.С0.07 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва, 1997

Работа выполнена на кафедре геокриологии Геологического факультета МГУ им. М.ВЛомоносова

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

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

Официальные оппоненты - доктор геолого-минералогических наук Дубиков Г.И.

доктор географических наук, профессор В.В.Рогов

Ведущая организация - Государственный проектный институт

"Фукдаментпроект"

Защита диссертации состоится 18 апреля 1997 года в 14.30 на заседании диссертационного совета по защите кандидатских диссертаций по инженерной геологии, мерзлотоведению и грунтоведению' К.053:05.06 в Московском'государствен-ном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: Москва, Воробьевы горы, МГУ, геологический факультет, аудитория №

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 18 марта 1997 года.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор геолого-минералогических наук {

В.Н.Соколов

' Введение

Актуальность проблемы. Проблема мипзации химических элементов является одной из важнейших проблем физико-химии мерзлых пород и имеет большое научное и практическое'значение.' В научном аспекте изучение миграции химических элементов в мерзлых породах необходимо для развития теоретических вопросов криолитогенеза, в частности вопросов формирования и преобразования состава многолетнемерзлых пород.

Практическая значимость данной проблемы связана с необходимостью решать экологические проблемы, возникающие в результате интенсивного техногенного загрязнения промышленных районов криолитозоны. Кроме того, мерзлые породы используются как среда «ля захоронения отходов,.в.частности, рассолов, а в последние годы рассматривается возможность использования мерзлых пород и дам захоронения особо токсичных, в том числе радиоактивных отходов. В этом случае знание механизма и особенностей миграции химических элементов является обязательным для безопасного захоронения и прогноза распространения загрязнения.

Таким образом, проблема миграции химических элементов в мерзлых породах является весьма актуальной и требует специального рассмотрения. .

К настоящему времени по данной проблеме накоплен определенный материал. Можно выделить два направления в изучении проблемы миграции химических элементов в-мерзлых породах: полевое и экспериментальное. Первое связано с изучением формирования и строения геохимических ореолов рассеяния месторождений полезных.ископаемых в породах криолитозоны, которым занимались Н.И.Сафронов, О.П.Иванов, А.М.Иванов, В.Н.Макаров, В.М.Питулько, С.Л. Шварцев, Н.А.Шило, Н.П.Чибисов, И.П.Винокуров и другие. Исследования этих авторов доказали сам факт переноса химических элементов в породах при отрицательных температурах, различную их подвижность в толщах мерзлых пород, зависимость процессов миграции от комплекса факторов природной среды. Экспериментальные исследования миграции химических элементов в мерзлых породах нашли отражение в работах И.А.Тюгюнова, М.М.Дербеневой, Э.Д.Ершова, Ю.ПЛебеденхо, Е.М.Чувилина, В.Е.Остроумова, Р.Я.Мшттап, Р. Ноекя^а, У.Ыасапо и др.. Ими были получены данные по развитию физико-химнческих процессов в мерзлых породах разного состава при взаимодействии с растворами, водорастворимых'солей, рассмотрены закономерности миграции

ч " ' * .

солей в зависимости от термодинамических условий.

Однако несмотря на полученные результаты ряд вопросов остался неисследованным. Прежде всего это касается роли льда в механизме переноса химических элементов в мерзлых породах, закономерностей миграции химических элементов во льдах и мерзлых породах различного состава и строения. Су-

ществуют лишь отдельные данные по количественным характеристикам ионно? проницаемости мерзлых пород и льдов.

В связи с этим, целью настоящей работы явилось экспериментальное исследование процессов миграции ионов химических элементов в мерзлых порода* и льдах. В соответствии с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:

- разработать методику экспериментальных исследований миграции ионов химических элементов во льдах и мерзлых породах. 4„

- исследовать механизм миграции ионов химических элементов в мерзлых породах, выяснить роль льда, как важной компоненты мерзлых пород, в переносе ионов.

- изучить закономерности миграции ионов химических элементов во льдах в зависимости от их состава и строения, а также от внешних условий: температуры, состава и концентрации контактных растворов.

- исследовать особенности миграции ионов химических элементов в мерзлых породах различной дисперсности, минерального состава, влагосодержания и криогенного строения.

- получить количественные характеристики процесса миграции ионов химических элементов в мерзлых породах и льдах.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана методика экспериментальных исследований миграции ионов химических элементов во льдах и мерзлых породах, включающая" определение количественных параметров переноса ионов и влаги, оценку ионной проницаемости на основе исследования физико-химических процессов, происходящих при взаимодействии яъдов и мерзлых пород с водными растворами солей.

2. Исследованы особенности механизма миграции ионся химических элементов во льдах и мерзлых породах различного состава и строения при разных температурах и концентрациях контактных растворов.

3. Вскрыты закономерности миграции ионов химических элементов во льдах различного строения к состава в условиях различных температур, состава и концентраций контактных растворов. Выявлена повышенная подвижность химических элементов во льду по сравнешсо с мерзлыми породами.

4. Получены иовые экспериментальные данные по закономерностям миграции ионов химических элементов в породах различного гранулометрического и минерального состава, влагосодер>:сяк;а и криогенного строения. Выявлена зависимость процессов массонереноса Ионов различных химических элементов от концентраций контактных растворов.

5. Получены количественные характеристики миграции ионов химических элементов в мерзлых породах и льдах в зав я сим осп; от их состава и строения, а также тыпорэтуоы а состава контактных раствор«.

Практическое значение работы.

Полученные в результате экспериментальных исследований количественные параметры ионной проницаемости мерзлых пород и льдов различного состава и строения могут быть использованы при изучении геохимических ореолов рассеяния вокруг месторождений полезных ископаемых, а также для прогноза распространения техногенных геохимических полей, формирующихся в результате интенсивного химического загрязнения промышленных районов крио-лнтозоны.

Ряд новых методических положений и выводов нашея применение в учебном процессе кафедры геокриологии геологического факультета МГУ.

Личный вклад автора. В ходе исследований автором был применен комплекс методов, необходимых для изучения процессов миграции химических элементов во льдах и мерзлых породах. Лично'проведено более 120 опытов по миграции химических элементов в мерзлых породах и льдах различного состава и строения длительностью от нескольких суток до года при различных температурных условиях. Автором выполнена обработка, анализ и обобщение полученных результатов.

Апробзиия работы. Основные положения диссертации были апробированы на Научном Совете по Криологии Земли РАН /Пушино, 1994 г./; на 7 международном симпозиуме по промерзающим грунтам /Нанси, Франция, 1994/; на III Минском международном форуме по тепломассообмену /Минск, 1996/; на 5 Китайской конференции по гляциологии и геокриологии /Ланчжоу, 1996); на Ломоносовских чтениях МГУ /Москва, 1996/, а также на первой конференции геокриологов России/Москва, 19961.

Публикации. За время работы по данной теме автором было опубликовано 5 научных статей. Одна статья находится в печати.

Структура и объем тззботы. Работа объемом/tfPстраниц машинописного текста содержит 44 рисунков, 3 таблиц и состоит из введения, шести глав, выводов и списка литературы, который включает 109 наименований.

В основу работы положены результаты экспериментальных исследований, выполненных в период обучения в очной аспирантуре кафедры геокриологии геологического факультета МГУ в 1993-1996 годах под руководством доктора геолого-минералогических наук, профессора Э.Д.Ершова и кандидата геолого-минералогических наук, доцента Е.М.Чувилина, которым автор глубоко признателен за постоянное внимание и всестороннюю помощь.

• • Автор выражает искреннюю благодарность доктору г.-м. наук Л.Т.Ромак, кандидатам наук В.Г.Чевереву, И.А.Комарову за полезные советы и внимание, а также Н.Ю.Кочетковой, Н.С.Налетовой, И.С.Смирнову за помощь, оказанную при проведении опытов и оформлении работы.

Определения содержания химических элементов в грунтах и льдах проводились атомно-абсорбционным, ректгеноспектральным методами, методом

пламенной фотометрии в лабораториях МОМГЭ, ИМГРЭ, а также в спектрохн-мической лаборатории геологического факультета МГУ, сотрудникам которых автор приносит искреннюю благодарность.

ГЛАВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА О МИГРАЦИЙ ИОНОВ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В МЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ И ЛЬДАХ.

s

К середине 20-го столетия многочисленными исследованиями специалистов-мерзлотоведов было доказано, что в мерзлых породах существует незамерз-шая вода и могут протекать разнообразные геохимические процессы, в том числе перенос вещества. Этот факт убедительно подтверждается существованием вторичных геохимических ореолов рассеяния в мерзлых породах вокруг рудных тел. Их изучением занимались Н.И.Сафронов, О.П.Иванов, В.Н.Макаров, В.М. Питулько, СЛ.Шварцев, Н.А.Шило, Н.П.Чибисов, И.П.Вииокуро», A.M. Иванов и др. Было установлено явление диффузионного переноса химических элементов в толще л еда! аса, перекрызающего рудное тело (В.М.Макаров). О миграции химических элементов антропогенного происхождения во льдах Антарх-тиды, Гренландии, Кавказа свидетельствуют данные гляциологов (H.Oesher, C.C.Langway, С.А.Евтеева, Н.М.Коркиной, Е.С. Филнциян и др.). Однако экспериментальных данных по диффузии химических элементов во льдах крайне мало, имеются лишь отдельные данные для монокристаллов льда.

Экспериментальное изучение миграции химических элементов в мерзлых породах началось с середины 60-х годов. Одной из первых была работа М.М. Дербеневой (1965). Ею было показано, что при существовании градиента концентраций б мерзлых породах возникает перенос химических элементов. Соли могут мигрировать двумя способами: с движущейся незамерзшей водой, а также за счет диффузии с лоровом растворе. P.R. Murrman (1975), P.Hoekstra (1968)., Y. Nacario (1971) были получены данные о миграции понов натрия в мерзлых бентонитовых пастах. Е.А.Кечаев, Э.В.Кан (1980), В.П.Романо? (1985) рассматривая миграцшо в мерзлых ласках, показали, что на интенсивность миграции оказывают влияние злехтроповерхяостные сзойства. В.Е.Остроумов (1989) исследовал миграцию ио'лов в мерзлых песке и суглинке в градиентном температурном тюле. С середины 80-х годов на кафедре геокриологии МГУ под руководством профессора Э.Д.Ершоза проводятся иссяедован«я физико-химических ироцессоз (с том числе .миграции ионсв) в мерзлых породах разного со ехав а при взаимодайстьии с солевыми растворами. На основами-; экспгриментальвых псслгдозаний вьгаеле-ьы основные механизмы переноса химических элементов в меозльс городах (Ю.П.Лсбеденко, 19S9). Рассмотрены некоторые закономерности миграции в зависимости с-т термедчкамлчеаагс условий (гО.ПЛебедснко, Е.М.Чуокшгн, В.Д.Ершов, Н-Л.Бгиедкктсва и до.).

Однако, несмотря на полученные результаты, проблема миграции химических элементов в мерзлых породах и льдах остается недостаточно изученной. Это прежде всего касается роли ледяной компоненты в переносе ионов в мерзлых породах. Неисследованными являются закономерности миграции ионов химических элементов.во льдах под действием градиента концентраций. Требуют специального рассмотрения особенности миграции химических элементов в мерзлых. породах различного состава, строения и льдистости. Практически отсутствуют данные по количественным характеристикам ионной проницаемости мерзлых пород и №доб. Исходя из этого была поставлена цель настоящей работы и определены ее основные задачи.

ГЛАВА II. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ МИГРАЦИИ ИОНОВ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В МЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ И ЛЬДАХ.

В основу методики изучения миграции ионов химических элементов в мерзлых породах и льдах был положен контактный метод взаимодействия пород и льдов с замороженными растворами солей. В работе ислопьзопались грунты нарушенного сложенил. Подготовка образцов грунта к экспериментам велась по специальной методике, разработанной на хафедре геокриологии, позволяющей получить однородные образцы. Ддя получения образцов с массивной криогенной текстурой, они подвергались низкотемпературному промораживанию при t=-60°C.'

Для получения образцов, имеющих шлировую криотекстуру,-глинистые грунты промораживались при температуре -!2СС в условиях открытой системы (с подтоком воды). Кроме того, образцы со шлирозой текстурой готовились путем переслаивания пластинок грунта толщиной « 1.5 см и льда толщиной 0.5 см.

В работе использовался искусственно приготовленный лед, для которого была разработана специальная .метод!пса подготовки образцов, позволяющая получить образцы- близнецы льда и воспроизводить результаты экспериментов. Для этого дистиллированная вода замораживалась в объеме 1 л при температуре -205С. Затем полученный лед дробится на осколки, которые отсорпгровывались по размерам при помощи стандартных ечт на различные фракции. Частицы льда определенной фракции засыпались в пластмассовые шиш игры высотой 16 см и диаметром 5.7 см и заливзлись охлажденной до +1- +2°С дистиллированной водок. v ' .',..• V ' .

Вода, находящаяся при температуре чуть выше 0°С замерзала не сразу. Она немного подплазляла-осколки льда, в результате чего они становились изо-метричными. Таким образом, создавалось однородное кристаллическое строение льда, используемого в опыте. Варьируя раз?/ер обломков я: да, получали лед с разным размером кристаллов: диаметр их изменялся от 1 мм до б мм.

Кроме чистого льда в опытах использовался лед, содержащий 2 весовых процента глинистых частиц. Состав частиц - монтмориллонитовьш и хаолини-товый.

В качестве контахтных растворов использовались водные растворы следующих солей: нитраты стронция, бария, никеля, кобальта, свинца, цинка, хрома, меди, сульфаты цинка н меди, а также хлорид натрия. Их концентрации варьировались от 0.01 до 0.8 нормалей.

В соответствии с поставленными задачами по изучению миграции химических элементов в мерзлых породах и льдах было проведено несколько серий экспериментов.

Первая серия экспериментов включала в себя постановку опытов, направленных на изучение закономерностей миграции ионов химических элементов во льду. Были использованы образцы искусственно приготовленного льда различного строения и состава. В качестве контактных растворов использовались нитраты стронция, бария, кобальта, свинца, меди, цинка, хлорид натрия концентрацией 0.1 н. Опыты проводились пря температуре -6°С, время взаимодействия изменялось от 3 до 30 суток. Влияние температурь; исследовалось на примере Зг(КОз)2> и Си(КЮ3)2 в качестве контактных растворов, диапазон температур варьировался от-«2° до -20°С.

Вторая серия экспериментов включала опыты по взаимодейсгвию мерзлых пород различной дисперсности, минерального состава, влагссодержания, криогенного строения с-замороженным раствором БгСКОз>_>, концентрация которого составляла 0.1 к. Бремя взаимодействия - 3 месяца.

Третья серят экспериментов была направлена на изучение влияния внешних условий: температуры, концентрации и состава контактных растворов на миграцию химических элементов в мерзлых породах. Температура опытов изменялась 2 диапазоне от -2°С до -20°С. В качестве контактного раствора использовался 0.1 н раствор Бт(№0}}г. Эксперименты продолжались в течение 3-7. месяцев. Влияние концентраций взаимодействующих растворов изучалось на примере следующих солей тяжелых металлов, являющихся техногенными загрязнителями: нитратов стронция, бария, никеля, цинка, хрома, меди, сульфата меди, а также хлорида натрия. Концентрации контактных растворов изменялись от 0.0! н до 0.8 н. Опить; длились 30 суток при температуре -б°С.

До и после опыта проводилось комплексное опробованио образцов грунта на влажность и химический состав, изучение структуры перового пространстве, а также криогенного макро- к микростроения с помощь» реплик, у льдое проводилось изучение структуры, а после опьгга - послойное определение содержа-ш.я.тяжелых металлов. По полученным данным рассчитывались плотность миграционного потока влаги (Ы) дщ> грунта, плотность миграционного потока ионе-, ;Ф) для грунтальда, а также эффективные хс.-ффициенты диффузии.

Эксперименты проводились на грунтах нарушенного сложения, отобранных т различных районов СНГ, в том числе в зоне развития многолетне-мерзлых пород, причем их выбор проводился тах, чтобы были представлены различные типы по гранулометрическому и минеральному составу. В проведении экспериментов использовались: элювиальные палеогеновые глины мономинерального состава (бентонитового и каолинитового), пролювиальный полиминеральный суглинок голоценового возраста, отобранный в районе Дудинки, гляцнально-морские полиминеральные супесь и песок четвертичных отложений Западной Сибири, морской верхнеюрский песок люберецкого месторождения.

ГЛАВА III. МЕХАНИЗМ МИГРАЦИИ ИОНОВ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В МЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ И ЛЬДАХ. ' ,

Существующие на сегодняшний день теоретические разработки, а также анализ экспериментальных данных позволяют сделать вывод, что основным механизмом миграции ионов химических элементов в мерзлых породах и льдах, взаимодействующих с замороженными солевыми растворами, является концентрационная диффузия. При этом возможность переноса ионов химических элементов в них связана прежде всего с наличием жидкой фазы воды.

В настоящее время экспериментальными исследованиями (ЯМР поверхности льда, дифракции рентгеновских лучей, элзшпсометрии и пр.) подтверждено существование на поверхности кристаллов льда разупорядоченного (квазижидкого) слоя молекул воды. Толщина этого слоя изменяется в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен ангстрем, причем при приближении к точке плавления она резко возрастает. Температура, при которой квазижидкий слой исчезает, может достигать -45?С (Mantovani etai, 1980).

-Многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют, что подвижность молекул поверхностного слоя льда оказывается значительно выше подвижности молекул в объеме льда и только на порядок ниже подвижности молекул в объеме воды. Так, коэффициент самодиффузии молекул в поверхностном слое льда (D,) при t=-5°C имеет порядок ICH см5/с, а для воды при t=0°C Ds=10"5 смг/с, что на порядок больше значения D, для переходного слоя. Коэффициент объемной диффузии во льду, полученный при использовании в качестве метки трития, при t= -10°С оказался равным D,= 1.5-10-' 'см:/с, что напять порядков меньше коэффициента поверхностной диффузии (Ушакова; 1975).

В полукристаллических льдах ионная проницаемость связана прежде всего с границами кристаллов, которые являются областями с высокой плотностью дислокаций и поверхностных дефектов, где существуют водные пленки. Толщина пленкн увеличивается в присутствии растворенных солей и других примесей (Маэно, 1988).

Экспериментальные исследования подтверждают существование незаме! шей воды в поликристаллических льдах. Согласно данным, полученным мегод< ЯМР (Хи Х^аоги а1, 1993) в образцах поликристаллического льда существу незамерзшая вода, причем ее количество определяется не только температурой, : и размером кристаллов. С уменьшением размеров кристаллов происходит увел ченис количества незамерзшей воды, что объясняется увеличением удельной п вфхности образцов.

Таким образом, миграция химических элементов во льдах осуществляется I границам кристаллов, где имеется повышенная концентрация структурных дефе тов и существуют водные пленки. Возможна также миграция через объем льда О структурным дефектам, дислокациям кристалла). Однако следует отмстить. чр диффузия через объем льда происходит очень медленно. Коэффициент объема« диффузии на 5 порядков ниже, чем коэффициент диффузии по поверхности кр сталлов льда (Ушакова, 1975). Поэтому вклад этого механизма в общий яерен ионов по- видимому весьма незначителен.

Мерзлые породы представляют собой многокомпонентные многофазш полидисперсные капиллярно-пористые сисгемы. Спецификой мерзлых пород я ляется существование в них л оды во всех трех фазовых состояниях: твердом (ле; жидком (незамерзшая вода), н газообразном (пар). Возможность переноса иош химических элементов в мерзлых породах связана прежде всего с наличием ж;щх< фазы йоды. В целом, объем и количество незамерзшей воды в мерзлых пород; складывается из объемов и количеств ее'каяилдярной составляющей,' плёночкой : поверхносш минеральных частиц и пленочной на поверхност". льда. Поэтоь основной средой для миграции ионов в мерзлых породах являются пленки нез мерзшей воды, которые существуют на поверхности минеральных частиц и гран цы кристаллов порспого льда.

Злиянпе незамерзшей водь: на прот&каьие физико-химических процессов том числе, миграцию ноноз) в мерзлых породах столь существенно, что не позв ляет отождествлять ее со связанной водой в немерзлых породах. Так, з немерзль породах при влажности, меньшей максимальной гигроскопичности, перенос сол! происходит только за счет диффузии по поверхности минеральных частиц. П{ этом коэффициенты диффрии имеют порядок 10-и смг/с (Мельникова, Прохоро 1964)- В мерзлых породах при низких температурах количество незамерзшей вор (\УШ) может быть ниже влажности максимальной гигроскопичности (\\'иг). Так, да каолинитозой гшшы равна 4.5Уо, а при Т=-7°С \Ую=2Уо, то есть должна прои ходить только поверхностная даффузкя. Однако, полученный нами эффективна коэффициент диффузии илеет порядок 10-7 -10-* см2/с, что г.а два-три порядка пр вытает коэффициент поверхностной диффузии. Еще более показателен пример грубоднеперсными породами (песками). В мерзлых песках при температуре ниже !°С незэмерзшгя вода практически отсутствует. Однако .-..-.грация ионов х'-.мич схнх эле.ментов происходи весьма активно: за три месяца перенос ноног. отмеч*

1 - - 9

на расстояние около 7 см (рис. 5) и рассчитанные эффективные коэффициенты диффузии имеют порядок 10 й-10-' см-/с. Проводящей средой в данном случае может являться только поровый лед, перенос ионов происходит по границам кристаллов, где существуют водные пленки. Таким образом, роль поровсгб льда мерзлых пород в переносе ионов химических элементов, весьма существенна.

Спецификой мерзлой породы является наличие движущих сил миграции влаги. Однако миграционный поток влаги оказывает значительное влияние на перенос ионов химических элементов в тонкодисперсных породах лишь при высоких отрицательных (-0.5 - -1.5°С) температурах (Лебеденхо, 1989) и более характерен для ионов "легких" (На, Са, М§) элементов, чем для ионов тяжелых металлов.

Миграция ионов химических элементов в мерзлых породах осложняется сорбционными процессами. Их роль возрастает .с увеличением дисперсности мерзлых пород от песков, где процессы сорбции практически отсутствуют к глинам, имеющим высокую сорбционную емкость, существенно препятствующую переносу ионов химических элементов. Диффузия ионов во льдах, в отличие от грунтов, не осложняется процессами сорбции, осмотическими потоками, как в грунтах. В связи с этим, ионная проницаемость льдов выше, чем мерзлых пород.

ГЛАВА IV. ОСОБЕННОСТИ МИГРАЦИИ ИОНОВ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ВО ЛЬДУ.

Влияние строения льда на миграцию в нем ионов химических элементов может проявляться через плотность и пористость образцов, наличие различных включений (минеральных частиц, растворенных солей, воздуха), размер и ориентировку кристаллов.

Влияние структуры льда на перенос химических элементов исследовалось на примере образцов с различным размером кристаллов. Были использованы образцы со средним размером кристаллов 1 мм и 6 мм. Плотность образцов составляла 0.76 и 0.81 г/см'. Менее плотный образец содержал больше включений воздуха. Коэффициент пористости образцов льда равнялся соответственно 0.2 и 0.13. Образцы льда приводились в контакт с 0.1 н раствором БгОч'ОзЬ ка 7 суток. Температура опыта составляла -6°С.

Результаты опыта показали, что с увеличением размера кристаллов происходит снижение суммарного накопления ионов (рис. I)- Плотность миграционного потока ионов .уменьшается от 10.1:10-® мг-зкв/см2-св образце с размером кристаллов 1 мм до 3.2-Ю-9 мгэкв/см2-с в образце с размером кристаллов 6 мм. При увеличении размеров- кристаллов происходит уменьшение удельной поверхности образцов и снижение количества подвижной фазы воды, существующей на границах кристаллов. Так, по данным Хи Хзаоги И. а1. (1993) количество подвижной фазы вода в поликристаллическом льде при температуре -б°С с уве-

150 -

100 -

1 I 1 I 1 1 I г 1 О 2 4 6 8 10

Расстояние от контактного растьора, см

Рис. 1. Накопление ионов стронция во льдах с различным размером кристаллов (ф, взаимодействующих с 0.1 н раствором 5г(ЫО.-)2 при 1=-6°С в течение 7 сутох.

100 -1

80

60

40 -

20 -1

1 Лед

£ Лсд с каолинитовыми частицами (2 вес.%)

3 Лсд с монтмориллслитовьгми ■частицами (2 вес. %)

о

и

1 ! г I I I ! I I

0 г 4 6 К 1С 12 Расстояние от контактного раствора, см

Рис. 2. Накопление поноа натрия ?. чкгхом льду и во льдах, содержащих 1Я5;унсгь;г частицы каолинитоаого ы монтморияленитового состава, взаимодействующих с 0.1 к раствором НаС1 при 1~-6°С в течение 24 суток.

и

личением диаметра кристаллов от 1 мм до 7 мм уменьшается почти в 2.5 раза. Это приводит к уменьшению проводящей площади поперечного сечения образца и тем самым к уменьшению количества вещества, проходящего через среду в целом.

Кроме размера кристаллов на миграцию химических элементов во льду оказывает влияние наличие примесей, а также их состав. Присутствие примесей может как препятствовать переносу ионов, так и способствовать ему. Наличие во льду включений растворенных солей будет, по-видимому, увеличивать ионную проницаемость льдов, так как при этом происходит увеличение толщины водных пленок на поверхности кристаллов льда. Присутствие воздушных включений будет очевидно прерывать среду по которой идет перенос ионов (т.к. по воздуху переноса ионов не происходит) и снижать ионную проницаемость льдов.

С целью изучения влияния примесей была выполнена серия экспериментов по взаимодействию льда, содержащего глинистые частицы каолинитового и монтмориллонитового состава с раствором NaCl 0.1 нормальной концентрации. Содержание глинистых частиц составляло 2 весовых процента (рис. 2).

Присутствие глинистых частиц во льдах приводит к возрастанию общего количества жидкой фазы воды, что способствует интенсификации процессов переноса. Однако наличие глинистых частиц, имеющих отрицательный заряд приводит к развитию процессов адсорбции ионов натрия, что препятствует их переносу. Кроме того, присутствие примесей каолииитоврй и монтморнллонитовой глин во льду повышает фоновое содержание Na до 7 мг/л и 120 мг/л соответственно (в чистым льду - <0.5 мг/л), что уменьшает градиент концентраций на границе раствор-лед. Таким образом, влияние примесей на процесс миграции весьма сложно. Можно выделить как факторы, способствующие миграции, так и препятствующие ей. Результирующий эффект будет определяться их соотношением.

Изучение влияния примеси глинистых частиц на миграцию химических элементов во льдах показало, что в данном случае наличие примесей снижает интенсивность переноса ионов натрия. Плотность миграционного потока ионов уменьшается при переходе от чистого льда ко льдам, содержащим каолинитовые и монтмориллонитовые частицы от 3.8-10-® мгзкв/см2-с до 2.4-10-® мгэкв/см3-с и 1.3-10-' мг-экв/см2-с соответственно. Во льду с примесью монтмориллонитовой глины содержание натрия соответствует фоновому значению уже на расстоянии 4 см от контактного-раствора.-Во льду с примесью каолинитовой глины перенос натрия произошел на расстояние 8.5 см от зоны контакта. В чистом льду повышенное содержание натрия фиксируется по всей длине образца (рис. 2). Рассчитанные эффективные коэффициенты диффузии показывают, что чистый лед оказался более проницаемым для .чонов, чем лед, содержащий примеси глинистых частиц, причем проницаемость льда с включениями монтмориллонита наи-

о, 5

о

и

--1-НН-1-г

О 2 4 6 8 10 12 Расстояние от контактного раствора, см

Рис, 3. Накопление ионов стронция во льдах, взаимодействующих с 0.1 н раствором ЗгСМОз): при различных температурах.

I

I 3

0 2 4 6 8 10 12

Расстояние от кантазсшого раствора, см

Рис. 4. Накопление ионов различных химических элсментоз во льдтх при взаимодействии их с растворам;: солей 0.1 н концентрации при 1=-биС и течение ! 4- суток.

меньшая. Эффективные коэффициенты диффузии натрия в чистом льду, и льдах, содержащих частицы хаолинита и монтмориллонита равны соответственно 1.1 • 10-5 см-/с, 0.7-10-3 см2/с, 0.06-10-5 тУс.

Кроме внутренних факторов на процесс миграции ионов химических элементов во льду существенное влияние оказывают внешние условия: температура опыта, концентрация и состав контактных растворов.

С понижением температуры происходит уменьшение количества подвижной фазы воды, существующей на поверхности кристаллов льда. Так, по данным Xu Xiaozu et. al. (1993) при понижении температуры от -2°С до -20°С количество подвижной фазы воды в образцах поликристаллического льда (D=3-7 мм) уменьшается от 2.5% до 0.05%. Поскольку границы кристаллов льда являются основной средой переноса ионов химических элементов, то с понижением температуры проницаемость льдов падает.

Влияние температуры на миграцию химических элементов во льду было рассмотрено на примере образцов, контактировавших с нитратом стронция 0.1 нормальной концентрации. Опыты проводились при температурах -2°С, -6°С (продолжительность опыта 3 суток), и -20°С (продолжительность опыта 21 сутки).

Результаты экспериментов показали, что с понижением температуры интенсивность миграции ионов во льду падаег (рис. 3). Плотность миграционного потока ионов снижается от 1.35-10-8 мгэкв/см2-сек при t=-2°C до 0.74-10"3 мг:эка/см2-.сек при t=-ó°CJflo 0.01-10-8 мг-экв/см2-сек. при t=-20°C. Расстояние, на которое происходит перенос ионоз, с понижением температуры также уменьшается. Так, при t=-2°C ионы стронция фиксируются на расстоянии 9 см от контактного раствора, при í=-6cC - на расстоянии 7 см. При более низкой температуре это расстояние сокращается до 3.5 см (рис.3). Значения эффективных коэффициентов диффузии, рассчитанные по результатам опытов также снижаются при понижении температуры: эффективный коэффициент диффузии, при температуре -2°С рарен 2.2-i О5 cmVc; при температуре -6°С и -20°С эти значения снижается до 0.8-10-3 см2/с и 0.06-10 5 смЧс соответственно. Таким образом ионная проницаемость льда падает с понижением температуры.

Влияние исходной концентрации взаимодействующих растворов на интенсивность процессов массопереноса во льдах изучалось на примере растворов Си(МОз)2. Исходные концентрации замороженных растворов составляли 0.05, 0.1, 0.2, 0.4 н. Время взаимодействия - 14 суток. Опыты проводились при температуре -6°С.

Проведенные эксперименты показали, что с повышением исходной кон-центргци:« контактных растворов интенсивность массопереноса возрастала. Плотность миграционных потоков ионов увеличивалась от 0.6-10-' мг-экв/см;-с при с=0.05 н до 8.6-10-' мг-экв/см2-с при с=0.4 н. При этом суммарное накопление

увеличивалось за счет роста концентрации ионов в контактной с раствором зоне. Так, содержание меди в зоне контакта увеличивалось от 27 мг/л при с=0.05 н до 56, 120, 400 мг/л соответственно при с=0.1, 0.2, 0.4 н. Перенос ионов ео всех случаях был отмечен на расстояние около 7-8 см от гзаимодействующего раствора.

Особенности миграции ионов различных химических элементов во льду были рассмотрены на примере растворов следующих солей: нитратов свинца, кобальта, стронция, бария, меди, сульфата цинка, а также хлорида натрия. Растворы имели концентрацию 0.1 нормаль. Опыты проводились при температуре --6°С (рис. 4). ■

Проведенные исследования показали, что накопление различных ионов во льдах неодинаково. Значения плотности миграционных потоков ионов различаются в 5-10 раз. Выявить определенной закономерности между интенсивностью миграции и характеристиками ионов не удалось, так как величина миграционного потока ионов определяется не только подвижностью ионов, но и фазовым состоянием контактных растворов.

Подвижность химических элементов во льду будет определяться во-первых, радиусом пщратированных ионов. Чем меньше ион, тем больше его подвижность. Во-вторых, свойствами и характеристиками среды переноса, которые не остаются постоянными в течение опыта, т.к. при миграции ионов происходит подплавление льда и увеличение толщины водной пленки на поверхности кристаллов льда, что облегчает дальнейшую миграцию ионов. Однако воздействие различных ионов на структуру и свойства водной пленки неодинаково, что не позволило выявить однозначной связи между характеристиками ионов (зарядом, массой, радиусом...) и их подвижностью. Значения эффективных коэффициентов диффузии, рассчитанные на основе полученных данных, составляют ряд: №>Ва>5г>РЬ>2л>Со>Си.

ГЛАВА V. ЗАКОНОМЕРНОСТИ МИГРАЦИИ ИОНОВ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В МЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ.

Особенности миграции ионов химических элементов в мерзлых породах определяются комплексом факторов, и в первую очередь, характеристиками самой породы: дисперсностью, химико-минеральным составом, влагосодержани-. ем, криогенным строением.

Экспериментальные исследования показали, что при взаимодействии мерзлых пород различной дисперсности с солевыми растворами происходит перенос ионов из внешнего раствора в породу, который сопровождается влагопе-реносом и структурно-текстурными изменениями. При переходе от грубодис-персиых пород (песков) к тонкодисперсным (суглинкам) концентрация ионов в

3500

-Ь 3000

н

2 2500

1 2000

1500

»

и- 1000

о и 500

1 ■ ■1" ■ - ■ —ь—пссск —О—сунесь —А— суПИШоК

\

\

\\

Л

"К- —а— *

О 2 4 6 8 10

^ Расстояше огкоитахпюго раствора, см

супесь

суглинок

Рис. 5. а.) Распределение нонов стронция по высоте образцов пород различной дисперсности, взаимодействующих с 0.1 н раствором Бг(НОз)2 в течение 3 месяцев при температуре -7°С.

б.) Параметры массопереноса а породах различно» дисперсности: Ф'- миграционный поток ионов, 1\у - миграционный поток влаги, Оэф - эффективный коэффициент диффузии

а.

и 2000 1 1800 .1600 | 1400 5 1200 §4000 ■ § 800 я 600

е- 4оо § 200 и п

* I I ■ ■ - —

_«_\у=47% -0-\У=42% —4—\\'=35%

—щ

V —

0„ 2 4 6 Н 10 12 14 РоссГсишс от контактного раствора, см

б.

\У=47%

\У=35%

О

Рис. б. а.) Распределение ионов стронция по высоте образцоп каолшштовой глины взаимодействующих с 0.1 и раствором Бг(ЫОз); п течение 3 месяцев при температуре -7°С.

б.) Параметры массопереноса в породах различной влажности Ф - миграционный поток ионов, Рэф • эффективный коэффициент диффузии

зоне контакта образца с источником засоления увеличивается (рис. ?а), также увеличивается суммарное накопление ионов, характеризуемое плотностью миграционного потока ионов Ф (рис. 56). Однако расстояние на которое происходит перенос ионов уменьшается. Таким образом, ионная проницаемость мерз -лых пород падает с увеличением дисперсности. Рассчитанные эффективные ко-. эффициенты диффузии имеют наибольшие значения в песке, наименьшие - в суглинке (рис. 56). Это объясняеться слабой сорбцией химических элементов в грубо'дисперсных породах. Основную роль в переносе ионов играет диффузия по границам кристаллов порового льда, а ионная проницаемость льда, как показано в главе 4, весьма значительна. Тонкодисперсные породы имеют более высокую влагопроводящую пористость, т.к. содержат незамерзшую воду и перенос ионов может происходить не только за счет диффузии, но и вместе с миграционным потоком влага. Однако сорбционные процессы в тонкодисперсных породах препятствуют переносу ионов и, таким образом, снижают их ионную проницаемость, несмотря на то, что влагопроводные свойства пород увеличиваются с увеличением дисперсности.

Изучение влияния минерального состава проводилось на примере двух мономинеральных глин: монтмориллонитовой и каолинитовой. Результаты исследований показали, что характер распределения ионов по высоте образцов резко различен. В монтмориллонитовой глине основная часть ионов (>95 %) фиксировалась в зоне контакта с раствором соли (на расстоянии от 0 до 1 см). То есть переноса ионов при данных уаювиях практически не происходило, что обусловлено высокой сорбционной емкостью монтмориллонитовой глины. В каолинитовой шине - максимальное содержание стронция также зафиксировано в нижней части образца однако его концентрация в 5 раз меньше, чем в монтмориллонитовой глине. Повышенное, по сравнению с фоновым значением, содержание стронция фиксировалось на расстоянии 5-6 см от источника засоления. Миграционные потоки ионов в монтмориллонитовой и каолинитовой глине имеют близкие значения: 1.28-1 (И и 1.18-[О-8 мг-экв/см2-с, т.е. благодаря различиям в характере распределения ионов по высоте образцов, величины суммарного накопления ионов оказались близкими. Величина миграционного потока влаги в каолинитовой глине больше, чем в монтмориллонитовой, что объясняется ее более высокими влагопроводными свойствами.

Исследование влияния влагосодержания мерзлых пород, проведенные на образцах каолинитовой глины, показало, что с увеличением влажности (льдистости) мерзлых пород увеличивается суммарное накопление ионов, глубина их проникновения в образец и ионная проницаемость мерзлой породы, характеризуемая эффективными коэффициентами диффузии (рис. 6), что связано с повышением количества порового льда, который наряду с незамерзшей водой является средой для переноса ионов.

На перенос ионов в мерзлых породах сильное влияние охазывает степень заполнения пор влагой, С уменьшением степени заполнения пор мерзлой каоли-нитовой глины влагой от I до 0.2 суммарное накопление ионов, а также глубина их проникновения падает (рис. 7). Это объясняется уменьшением количества по-рового льда и прерыванием сплошности среды по которой происходит миграция ионов.

Интенсивность переноса химических элементов и ионная проницаемость мерзлых пород во многом определяются их криогенным строением. Наличие шлировых криогенных текстур приводит к анизотропии ионной проницаемости. Результаты исследований, проведенных на образцах каолинитозой глины с горизонтальными шлирами льда, которые получены при одностороннем промерзании, а также при искусственном переслаивании пластинок грунта и льда, показали, что присутствие прослоев льда, ориентированных перпендикулярно миграционному потоку приводит к существенному уменьшению переноса ионов. Так, при взаимодействии каолинитовой глины с 0.6 н раствором 5г(ЬЮз)г в течение 30 суток содержание стронция в контакной зоне образцов со слоистой и массивной криотекстурой равно соответственно 7450 мкг/г и 7200 мкг/г. Концентрация стронция в ледяном прослое составляла 180 мкг/г, а в вышележащем слое грунта (на расстоянии 2.8 см от контактного раствора) - 60 мкг/г. В образце с массивной криотекстурой содержание стронция на этом расстоянии равно 4100 мкг/г. Такое различие можно объяснить высокими сорбционными свойствами грунта, что препятсТзуюг переходу конов в ледяной прослой. В результате падает градиект з:оицентрацкй на границе лед - грунт, а значит и движущие силы переноса монов, что приводит к значительному снижению миграционного потока.

ГЛАВА VI. ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ УСЛОВИЙ НА МИГРАЦИЮ ИОНОВ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В МЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ.

На миграцию химических элементов в мерзлых породах существенное воздействие оказывают внешние условия опыта: температура, концентрация и состав контактных растворов. Понижение температуры приводит к падению интенсивности процессов массопереноса. Величины плотности потоков ионов, характеризующие их суммарное накопление при понижении температуры от -2° до -20°С уменьшаются практически на порядок. Расстояние на которое произошел •■ перекос ионов снижается от 9 см npnt=-2°C до 1.5-2 см при t=-20°C (рис. 8). Интенсивность влагопереноса также падает с понижением температуры. Это связано с вымерзанием незамерзшей воды, и как следствие уменьшением влаго- и ио-нопроводящей пористости пород. Следует отметить^ что с изменением темпера-

* в-

1800 1600 ыоо 1200 1000 800 600 400 200 О

*

л

\ -*-С=1 ■ -0-0=0.6

\

1

— 1

... .»ч 1 ,

„01 2 3 4 5 . й Расстояние огкоюпкшого расшорл, см

|| -

—

■Я ,

С=1

0=0,Й

0=0.2

Рис. 7. а.) Распределение ионов стронция по высоте образцов пород каолшштовой глины с разной степенью заполнения пор влагой (О, взаимодействующих с 0.1 и раствором Бг(ЫО))2 ) в течение 1 месяца при температуре -7°С.

б.

1=-2

1=.7

»=-20

Рис. 8. а.) Распределение ионов стронция по высоте образцов каолшштовой глины <

взаимодействующих с 0.1 н раствором 5с(ЬЮ])1 в течение 3 месяцев при различных температурах.

б.) Параметры массопереноса в образцах каолинитовой глины ч

Ф - миграционный поток ионов, IV/ - миграционный поток влаги, Оэф - эффективный коэффициент диффузии

туры происходят фазовые изменения в контактном растворе, которые также влияют на перенос ионов из внешнего раствора в породу.

При изучении массопереноса в широком диапазоне концентраций контактных растворов ранее был зафиксирован экстремальный характер зависимос-.ти потоков, влаги и ионов от концентрации (Лебеденхо, .1989). Максимальные значения миграционных потоков влаги и ионов были достигнуты при некотором критическом значении концентрации (С кр.), соответствующем переходу контактного раствора из твердого (замороженного) состояния в жидкое. При увеличении исходных концентраций контактных растворов от 0 до Скр. происходил рост интенсивности массопереноса за счет увеличения относительного количества жидкой фазы в замороженном растворе и, следовательно, площади взаимодействия.

Влияние концентраций взаимодействующих растворов изучалось на примере следующих солей: Бг^ОзЪ, Ва(М03):, N¡(N03)2, 2п(Ш3)2> Сг(К03)3, Си(Ш3)2, СиБ04, а также КаС1. Концентрации контактных растворов изменялись от 0.01 н до 0.8 и. При температуре опыта (-6°С) все растворы находились в замороженном (твердом) состоянии. Поэтому при взаимодействии образцов каолини-товой глины с растворами этих солей в исследованном диапазоне концентраций характерно увеличение потоков ионов и влаги с ростом исходной концентрации контактных растворов. При этом можно отметить, следующее: в то время как значения миграционных потоков ионов увеличивались в сотни раз, значения по-токов'влаги возрастали в 2-10 раз. Это указывает на большую роль диффузионной составляющей в общем потоке ионов. Поскольку концентрации контактных растворов были меньше критических для данной температуры, максимальные значения потоков ионов и влаги не было достигнуто.

По интенсивности миграции ионов различных химических элементов, которую характеризует поток, с учетом данных, полученных на кафедре геокриологии ранее, можно составить следующий ряд:

Ма>Си>Сг>5г>С<1>2п>№>Н§>РЬ>Ва>К>Ре. Интенсивность миграции ионов химичесхих элементов определяется с одной стороны фазовым состоянием раствора, т.е. концентрацией и количеством жидкой фазы, с другой стороны - проницаемостью грунта, которая зависит от сорбционной емкости, а также подвижностью самого иона, которая определяется от его свойствами (размер, масса, заряд, способность к комплексообразованию, растворимость и др.). Можно отметить, что соли, имеющие низкие значения миграционных потоков ионов: Н§(КОз)з, РЬ(МОз);, Ва(Идз)2, КЫОз, Ре(ЫОз)з характеризуются высокими (>-6°) температурами эвтектики. '

20

Выводы

Полученные автором результаты иселедованиГ5 миграции ионов химических элементов в мерзлых породах и льдах, отражающие научную новизну, теоретическую и практическую значимость работы, сводятся к следующему;

1. Для решения поставленных задач была разработана методика экспериментальных исследований миграции ионов химических элементов во льдах и мерзлых породах под действием градиентов концентраций при взаимодействии льдов и мерзлых пород с растворами солей. Методика включала расчет количественных параметроз ионной проницаемости мерзлых пород и льдоз.

2. Уточнен и детализирован механизм миграции ионов химических элементов б мерзлых породах и льдах. Показано, что основным механизмом миграции ионов является концентрационная диффузия. Установлена существенная роль порового льда мерзлых пород в переносе ионов химических элементов. Средой для переноса ионов химических элементов служат: в мерзлых породах пленки незамерзшей воды, существующие на поверхности минеральных частиц и кристаллов порового льда; во льдах - границы кристаллов, где существует подвижная фаза воды. Кроме того перенос ионов во льдах может происходить по дефектам структуры: вакансиям, дислокациям и др. Отмечено, что миграция ионов химических элементов в мерзлых породах осложняется сорбшюнкыми процессами. Их роль возрастает с увеличением дисперсности мерзлых пород от песков, где процессы сорбции практически отсутствуют к шинам, имеющим высокую сорбционную емкость, существенно препятствующую переносу ионов химических элементов. Показано, что спецификой мерзлой породы является наличие движущих сия миграции влаги. Выявлено, что миграционный поток влаги оказывает значительное влияние на перенос ионоз химических элементов в тонкодисперсных породах лишь при высоких отрицательных температурах (-0.5 - -1.5°С) и более характерен для ионов "легких" (На, Са, Мз) элементов, чем д ля ионов тяжелых металлов.

3. Получены новые экспериментальные данные по миграции .ионов химических элементов во льдах под действием градиента концентрации. Показано, что она зависит от строения льда, наличия и состава примесей, а также от внеш: них условий: температуры, состава и концентрации контактных растворов.

- Более интенсивно миграция номов, характеризуемая плотностью миграционного потока, происходит во льдах с меньшим размером кристаллов, что связано с большей площадью проводящего сечения в них. ' '

- Примесь минеральных частиц приводит к снижению интенсивности миграции ионов и уменьшению расстояния, на которое происходит перенос ионов. Причем, льды, содержащие частицы монтмориллонитовой глины характеризуются более низкими значениями миграционных потоков ионов, чем льды,

содержащие включения частиц каолинитового состава, что связано по-видимому с более активными сорбционными процессами, препятствующими переносу.

- Понижение температуры приводит к падению плотности миграционных потоков ионов во льдах, что объясняется уменьшением количества подвижной фазы воды, являющейся средой переноса.

- Выявлено, что интенсивность миграции ионов различных химических элементов во льдах различается в.5-10 раз. При этом однозначной зависимости между характеристиками ионов (зарядом, радиусом ...) и интенсивностью миграции не прослеживается.

4. Вскрыты закономерности миграции ионов химических элементов в грунтах различной дисперсности, минерального состава, влагосодержания, степени заполнения пор влагой, криогенного строения:

- Увеличение дисперсности в ряду песок-супесь-суглинок приводит к увеличению плотности миграционных потоков ионов и одновременному снижению расстояния на которое происходит перенос ионов.

- Минеральный состав оказывает существенное влияние на характер миграции ионоз химических элементов в мерзлых тонкодиспресных породах. Так, в монтмориллонитовой глине, в отличие от каолинитовой преобладающая часть ионов фиксируется в зоне контакта с раствором, что объясняется высокой сорб-ционкой емкостью монтмориллонитовой глины. -

- Уменьшение степени заполнения пор мерзлой породы влагой приводит к существенному падению интенсивности миграции ионов, что обусловлено увеличением объема пор, занятых воздухом, по которому переноса ионов не происходит.

- Во влагонасыщенг.ых мерзлых породах увеличение льдистости приводит к повышению интенсивности миграции ионов, что связано с увеличением количества порового льда, который наряду с пленками незамерзшей воды является проводящей средой.

- Ионная проницаемость мерзлых пород зависит от их криогенного строения. Наличие ледяных прослоев, ориентированных перпендикулярно направлению миграции обуславливает анизотропию ионной проницаемости среды. Существование шлировых криогенных текстур приводит к значительному уменьшению переноса ионов химических элементов.

- Получены новые экспериментальные данные по интенсивности миграции ноноз различных химических элементов.в зависимости от исходной концентрации контактных растворов. В Исследованном диапазоне концентраций отмечен рост потоков ионов и злаш, что связано с фазовыми изменениями, происходящими в контактных растворах.

5. Получены количественные параметры ионной проницаемости - эффективные коэффициенты диффузии - мерзлых пород и льдов различного состава и строений при различных температурных условиях и составе контактных растворов. При этом установлено, что ионная проницаемость льдов выше ионной проницаемости мерзлых пород, что связано с особенностями механизма переноса, а также с отсутствием во льдах сорбционных процессов, препятствующих миграции ионов химических элементов.

- С уменьшением размеров кристаллов ионная проницаемость льда увеличивается, что связано с увеличением удельной поверхности образцов н площади их проводящего сечения.

- Примесь минеральных частиц во льду уменьшает его ионную проницаемость, при этом ионная проницаемость льдов, содержащих монтмориллонито-вые частицы ниже, чем ионная проницаемость льдов с включением каолинито-вых частиц, что объясняется большей сорбционной способностью монтмориллонита.

- Ионная проницаемость мерзлых пород уменьшается с увеличением дисперсности мерзлых пород, а также при переходе от каолинитовой к монтморил-лонитовой шине, что обусловлено прежде всего возрастанием в этом ряду емкости обмена породи их сорбционных характеристик.

- Значения эффективных коэффициентов диффузии уменьшаются с понижением льдисгосгн мерзлых пород, а также с уменьшением степени заполнения пор влагой, что объясняется уменьшением количества порового льда, по которому происходит перенос ионов.

- С понижением температуры эффективные коэффициенты диффузии мерзлых пород и льдов уменьшаются, что связано с вымерзанием незамерзшей воды и снижением влаго- и ионопроводящей пористости.

Основные положения диссертации отражены в работах:

1. Heavy metal ions trancfer in frozen soils. Proceedings of the 7-th International Symposium on Ground Freezeng, Nancy, France, 24-28 October 1994, pp. 365-360, (with E.D.Ershov, E.M.Chuvilin).

2. Поведение ионов химических элементов в промерзающих дисперсных породах. Тепломассообмен - ММФ-96, Минск, 1996, т.7, с. 16-20, (совместно с Э.Д.Ершовым, Е.М.Чувилиным, Н.С.Налетовой).

3. Миграция химических элементов в мерзлых породах. Первая конференция геокриологов России, 1996, Москва, кн. 2, с. 116-129. (Совместно с Е.М. Чу-вилииым).

4. Ионная проницаемость мерзлых пород и льдов. Ежегодная научная конференция Ломоносовские чтения, 1996, с. 141-142. (совместно с Е.М. Чуви-линым, Н.Ю.Кочетковой).

5. Evaluating the ionic permability of frozen soils and ice. Fifth Chinece Conference on Glacyology and Georyology on August 18-22 1996, at Lanzhou, China, p. . (with E.M.Chuvilin. N.Y.Kochetkova).

6. The study of the ionic permeability of frozen soils and ice. 1997 (with E.M. Chuvilin), (in print).

f