Теплофизические свойства и фазовый состав влаги мерзлых вулканических шлаков и пеплов Камчатки

Кузнецова, Елена Павловна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Теплофизические свойства и фазовый состав влаги мерзлых вулканических шлаков и пеплов Камчатки
ВАК РФ 25.00.08, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Теплофизические свойства и фазовый состав влаги мерзлых вулканических шлаков и пеплов Камчатки"

На правах рукописи

005003532

КУЗНЕЦОВА ЕЛЕНА ПАВЛОВНА

ТЕ1ТЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ВЛАГИ МЕРЗЛЫХ ВУЛКАНИЧЕСКИХ ШЛАКОВ И ПЕПЛОВ КАМЧАТКИ

Специальность 25.00.08 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

- 1 ДЕК 2011

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-мннералогнческих наук

Москва 2011

005003532

Работа выполнена на кафедре геокриологии геологического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Научный руководитель: кандидат геолого-минералогических наук, доцент Мотенко Римма Григорьевна

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук, профессор Перлыитейн Георгин Захарович доктор географических наук, профессор Рогов Виктор Владимирович

Ведущая организация: ОАО Фундаментпроект

Защита диссертации состоится «16» декабря 2011 г. в 16:30 на заседании диссертационного совета Д 501.001.30 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова но адресу: г. Москва, Ленинские горы, ГЗ МГУ им. М.В. Ломоносова, геологический факультет, аудитория 415.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова (Главное здание МГУ, сектор «А», 6 этаж).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах просим направлять по адресу: 119991, г. Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, геологический факультет, ученому секретарю диссертационного отдела, профессору В.Н. Соколову.

Автореферат разослан «15» ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор геолого-минералогических наук, профессор

В.Н. Соколов

Введение

На территории России широкое распространение имеют многолетнемерзлые породы (ММП), образование и существование которых зависит от многих факторов, в том числе от широтного и высотного положение местности. На Камчатке большинство ММП развиты в горах, такую мерзлоту называют горной. Примером ММП, относящихся к этому типу, являются породы Ключевской группы вулканов.

Вулканы при извержениях выбрасывают большое количество пирокластического материала, который перекрывает существующие снежники, захоранивая их, а также перекрывают уже существующие мерзлые и промерзающие горные породы. Для проведения геокриологического прогноза территории, изучения закономерностей формирования температурного режима пород, глубины промерзания и протанвания, пространственной изменчивости и прогноза этих характеристик - необходимы сведения о теплофизических свойствах горных пород при положительных и отрицательных температурах. Специфику основных физических и механических свойств мерзлых пород и протекание мерзлотно-геологических процессов в криолитозоне предопределяет фазовый состав влаги. Кроме того, фазовый состав влаги оказывает влияние на свойства мерзлых пород, в том числе и на теплофизическне.

Теплофизические свойства дисперсных вулканических пород Камчатки изучены крайне слабо. Имеющиеся данные касаются в основном пород с жёсткими связями пли находящихся в талом состоянии. Для мёрзлых пород информации практически нет. Анализировать немногие имеющиеся данные сложно из-за отсутствия информации по влажности, плотности и возрасту отложений. Фазовый состав влаги практически не изучен.

Целью работы было исследование теплофизических свойств и фазового состава влаги в мерзлых вулканических шлаках и пеплах Камчатки различного состава и возраста, и установление закономерностей их изменения от температуры, влажности, плотности.

В задачи исследования входило:

1. Ознакомиться с современными представлениями о составе и свойствах вулканических шлаков и пеплов.

2. Составить и выполнить экспериментальную программу исследований, позволяющую не только получить новые данные по теплофизическим свойствам и

фазовому составу влаги в мерзлых вулканических шлаках и пеплах, но и выявить и объяснить закономерности формирования этих свойств.

3. Провести экспериментальные исследования теплопроводности, температуропроводности и теплоемкости вулканических шлаков и пеплов и установить зависимости этих параметров от температуры, влажности, плотности, гранулометрического, химического и минерального состава.

4. Провести экспериментальные исследования фазового состава влаги в диапазоне отрицательных температур, установить закономерности его изменения и выявить причины появления незамерзшей воды в мерзлых вулканических шлаках и неплах разного возраста и хнмико-минерального состава.

Фактический материал, методы исследования. Автором проведено около 300 экспериментов по изучению теплофизических свойств и фазового состава влаги в вулканических шлаках и пеплах Камчатки. Отбор образцов для лабораторных исследований проводился автором в течение полевых работ на Камчатке в составе экспедиций Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (ИФХиБПП РАН) в 2006 г. и Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН в 2009-2011 гг. Образцы из Исландии для лабораторного изучения были предоставлены сотрудниками кафедры инженерной и экологической геологии Ладыгиным В.М. н Фроловой Ю.В. Изучение теплофизических свойств вулканогенных отложений проводились как в полевых условиях, так и на кафедре геокриологии МГУ под руководством к.г.-м.н., доцента, с.н.с. Мотенко Р.Г. Гранулометрический состав определялся автором пипеточным методом на кафедре инженерной и экологической геологии. Исследование минерального состава и термические исследования пеплов проводились с помощью спектроскопии ИК-поглощения на фурье-спектрометре ФСМ-1201 и на дериватографе 0-15000 (Венгрия) сотрудниками кафедры минералогии Вигасиной М.Ф. и Мельчаковой Л.В. Рентгеноструктурный анализ вулканических пеплов проводился с.н.с. Крупской В.В. на кафедре инженерной и экологической геологии. Химический анализ вулканического стекла и внешние особенности частиц вулканического пепла были рассмотрены на растровом электронном микроскопе ".1ео1 ,Г5М-6480ЬУ" с энергоднсперсионным спектрометром «11\ТСА-Епе^у 350» в лаборатории локальных методов исследования вещества МГУ (аналитики: Япаскурт В.О. и Гусева Е.В., кафедра петрологии МГУ имени М.В.Ломоносова) с участием

автора. Силикатный анализ тефры выполнен в спектрально-химической лаборатории геологического факультета МГУ (зав. лаб., в.н.с. Лапицкий С.А.).

Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем:

1. Реализована экспериментальная программа, включающая широкий спектр методов, позволившая не только получить новые данные, но л объяснить установленные закономерности по тсплофизическпм свойствам и фазовому составу влаги в исследуемых дисперсных вулканических породах разного возраста, свойств и химико-минерального состава;

2. Впервые получены новые фактические данные исследования фазового состава влаги в мерзлых вулканических шлаках и пеплах разного состава н свойств в диапазоне отрицательных температур; установлена связь между содержанием незамерзшей воды и возрастом пеплов, влияние которого проявляется через преобразование вулканического стекла во времени, приводящее к появлению аморфных глиннстых минералов в его составе;

а) теплопроводность при фиксированных значениях степени влажности выше у пеплов, состав которых был определен как опал, чем у пеплов аллофанового состава;

б) установлено, что отношения ^Дг н ат!аы больше у пеплов, содержащих опал, чем у пеплов, содержащих аллофан;

в) выявлено, что теплопроводные характеристики для мерзлых вулканогенно-обломочных пород (шлаков и пеплов) значительно ниже, чем для песков осадочного генезиса.

Практическое значение. Полученные результаты исследований использовались при проведении геокриологического прогноза территории Камчатки и расчета глубин сезонного промерзания и протаивания. Также данные по теплофизическим свойства могут использоваться при инженерном применении вулканических шлаков и пеплов в качестве строительного материала. Часть экспериментальных результатов применяется в учебном процессе студентов при прохождении практического курса «Общая геокриология».

Положения, выносимые на защиту

1. Модифицированная методика изучения теплофизических свойств и фазового состава влаги вулканических шлаков и пешгов разного возраста позволяет не только получить новые данные, но и объяснить установленные закономерности с учетом химико-минерального и гранулометрического состава, водно-физических свойств и морфологических особенностей пород.

2. Фазовый состав влаги в мерзлых вулканических шлаках и пеплах разного возраста изменяется в зависимости от температуры, состава и свойств пород, и количество незамерзшей воды вне области интенсивных фазовых переходов может составлять 0-30%.

3. Величины коэффициентов тепло- и температуропроводности и теплоемкость мерзлых вулканических шлаков и пеплов разного возраста изменяются в зависимости от влажности, плотности, пористости и состава пород: а) коэффициент теплопроводности - от 0,14 до 1,3 Вт/(м'К), б) коэффициент температуропроводности -от 0,13 до 0,7-10"6 м2/с, в) теплоемкость - от 900 до 1500 Дж/(кг-К).

4. Появление аморфных глинистых минералов (аллофана, налагонита) в результате преобразования вулканического стекла во времени приводит к увеличению количества незамерзшей воды в мерзлых вулканических шлаках и пеплах и к уменьшению их теплопроводных характеристик.

Апробация работы и публикации

гляциологическом симпозиуме «Лед и снег в климатической системе» (Казань, 2010), ежегодном совещании по глинам (Севилья, 2010), межъевропейской конференции по глинам (Будапешт, 2010), первом Российском совещании «Глины 2011» (Москва, 2011), 4-ой конференции геокриологов России (Москва, 2011), Европейской конференции по глинам (Анталия, 2011), на 7-ом международном совещании по процессам в зонах субдукции Японской, Курнло-Камчатской и Алеутской островных дуг «JKASP-2011» (Петропавловск-Камчатский, 2011), ежегодной научной конференции «Ломоносовские чтения» (Москва, 2011).

Структура и объем

Работа состоит из введения, шести глав и выводов. Содержание работы изложено на 191 странице печатного текста, включая 16 таблиц, 87 рисунков. Библиографический список включает 198 источников отечественных и зарубежных авторов.

Благодарности. Автор выражает искреннюю и глубокую благодарность своему научному руководителю кандидату геолого-минералогических наук, доценгу Мотенко Р.Г. за всестороннюю помощь в процессе подготовки диссертации. Также выражает благодарность всему коллективу кафедры геокриология за внимание, рекомендации и советы при подготовке работы, в частности зав. кафедрой д.г.-м.н. Брушкову A.B., профессорам Гарагуле Л.С., Романовскому H.H., зав. лабораториями Зыкову Ю.Д. и Комарову H.A.

Автор благодарит Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения (ИФХиБПП РАН) в лице зав. лаборатории криологии почв д.г.-м.н. Гиличинского Д.А. и сотрудника к.г.-м.н. Абрамова A.A. за предоставленную возможность участия в международной экспедиции «Берингия» летом 2006 года, а также за совместные публикации.

Автор благодарит за помощь в выполнении экспериментальной программы и оказанные консультации сотрудников кафедры инженерной и экологической геологии: с.н.с. Ладыгина В.М., доцента Фролову 10.В., с.н.с. Крупскую В.В., доцента Николаеву С.К., ведущего инженера Фламину М.В. и инженера Коптеву-Дворникову М.А.; сотрудников кафедры минералогии: с.н.с. Вигасину М.Ф. и Мельчакову Л.В.; сотрудников кафедры петрологии: в.н.с. Япаскурта В.О. и ведущего инженера Гусеву Е.В.; студентов кафедры геокриологии Г'речищеву Э.С. и Алексютину Д.М.

Автор выражает благодарность Институту вулканологии и сейсмологии ДВО РАН в лице зам. директора к.г.н. Муравьева Я.Д. и сотрудницы д.г.н. Пономаревой В.В. за предоставленную возможность участия в полевых работах на Камчатке в 2009-20] 1 гг. и ценные консультации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Вулканические дисперсные породы

В главе приведен аналитический обзор литературных источников, касающихся дисперсных вулканических пород. Приводятся имеющиеся классификации и определения, относящиеся к вулканическим шлакам и пеплам. В работе принято определение пепла по Влодавцу В.И. (1984), что пепел - это наиболее мелкие частицы лавы, обломки отдельных минералов и иногда чуждых пород, выброшенных при извержении, с размером частиц до 2 мм; шлака по Будншсову В.А. (1978) - обрывки пористой и пузырчатой лавы разного размера - от нескольких миллиметров до 10 см. В главе также рассматриваются особенности распространения шлаков и пеплов на Камчатке и анализируются имеющиеся данные по их свойствам, составу, возрасту и особенностям изменения вулканического материала с образованием новых минералов. Основные отечественные и зарубежные публикации по этим вопросам представлены в работах Брайцевой O.A., Влодавца В.И., Гептнера А.Р., Гириной O.A., Гущенко И.И., Захарихиной J1.B., Кирьянова В.Ю., Куприной Н.П., Ладыгина В.М., Ливеровского Ю.А., Макеева А.О., Малеева Е.Ф., Маркина Б.П., Мелекесцева И.В., Певзнера В.О., Пономаревой В.В., Рожкова Г.Ф., Сулержицкого Л.Д., Таргульяна В.О., Фроловой Ю.В., Шобы С.А., Cas R.F., De Раере P., Fancher D., Farmer V.C., Fisher R.V., Gerard M., Houghton В.F., Jakobsson S.P., Kerr P.F., Ming D. W„ Okada K., Parfitt R.L., Ross C.S., Schmid R.. Stoops G., Theng B.K.G., Udagawa S., Van Olphen H., Wada S.-I., Wada K., Wentworth C. K., White J.D.L. и др.

Данные по теплофизическим свойствам и фазовому составу влаги вулканических пород встречаются в немногочисленных работах отечественных и зарубежных авторов: Абрамова A.A., Гаврильева Р. И., Гиличинского Д.А., Кирюхина A.B., Мотенко P.P., Наседкина В.В., Петрунина Г.И., Попова В.Г., Соскова A.B., Яновского Ф.А., Anderson D.M., Bani, A., Brock В., Connor C.B., Hans-Peter Ebert, Kotaro Fukui, Tice A.R. и др. Данные по теплофизическим свойствам в основном касаются пород с жесткими связями

или даны для талого состояния, для мерзлых вулканических дисперсных пород данных практически нет. Имеются единичные расчетные данные, касающиеся содержания незамерзшей воды в вулканическом пепле неизвестной природы.

Глава 2. Экспериментальные методы исследования, применяемые в работе В данном исследовании была принята экспериментальная программа, в которую входит широкий спектр экспериментальных методов, с помощью которых определялись теплофизические свойства, фазовый состав влаги, гранулометрический, химический, минеральный состав пеплов и шлаков и т.д.

Теплофизические свойства определялись стандартными методиками, отработанными на кафедре. В лабораторных условиях теплофизические характеристики определялись методом регулярного режима 1 рода в цикле нагревания и на измерителе ИТС-400, а в полевых - был отработан и применен зондовый метод на мобильном измерителе теплопроводности МИТ-1. Фазовый состав влаги в мерзлых образцах исследовался криоскопическим и контактным методами. Гранулометрический состав -пипеточным методом. Минеральный состав - методом ИК-спектрометрии и рентгеновской дифрактометрии. Термические исследования воды термогравиметрическим методом. Химический состав стекла исследовался на микрозондовом анализаторе, химический состав пепла был получен силикатным анализом. Внешние особенности частиц исследовались на оптическом и растровом электронном микроскопах. Исследование засоленности - методами водной вытяжки и солемера. Возраст вулканических пеплов - тефрохронологическим методом.

Глава 3. Краткая характеристика района исследования, объект исследования и методика приготовления образцов

Основным объектом исследования были вулканические шлаки и пеплы, отобранные в районе Ключевской группы вулканов на Камчатке. Также были исследованы вулканический пепел из Генеральского поднятия Центральной Камчатской депрессии, и шлаки и пепел из Исландии - для сопоставления полученных результатов по теплофизическим свойствам и фазовому составу влаги.

Геокриологические условия Камчатки рассмотрены в работах отечественных и зарубежных авторов: Абрамова А.А, Бобова Н.Г., Гиличинского Д.А., Гириной O.A., Ершова Э.Д., Замолотчиковой С.А., Новосельской Н.Б., Смирновой В.Н., Шевченко В.К. и др. Важно отметить, что на потухших вулканах Северной группы вулканов

Камчатки на высотах от 1000 до 1500 м возможно островное распространение мерзлых пород с температурами не ниже -ГС, а на более высоких отметках - прерывистое и даже сплошное со среднегодовыми температурами, понижающимися в интервале высот 1500 - 3000 м от -2 до -8°С, а на высоте 4000 м - до -12"С или даже ниже. Мощность мерзлых толщ здесь может составлять 150-200 м и более. Максимальные глубины сезонного промерзания и протаивания в горных районах Камчатки наблюдаются в пределах от 1,2 до 2,5 м и более.

Для лабораторного исследования были отобраны вулканические шлаки и пепльг, представляющие собой продукты извержения разных вулканов (Ксудач, Ключевской, Толбачик, Хангар, Шивелуч и др.). Вулканические шлаки являются продуктами Большого трещинного Толбачинского извержения (БТТИ) 1975-1976 гг. Некоторые из исследуемых пеплов относятся к разновозрастным маркирующим пепловым прослоям сильных и катастрофических извержений вулканов Камчатки (Ксудач, Шивелуч, Хангар), а некоторые - к толщам между маркирующими горизонтами, которые состоят как из продуктов менее мощных или дальних извержений, так и вторично переотложенных пеплов, образуя «слепую» минеральную толщу. Места отбора образцов: шлаковое плато Толбачинского перевала, высота 1630 м (обр. №1,3,5,7); район конусов БТТИ, высота 1330 м (обр. №2); конуса в районе вулк. Камень, высота 1000 м (обр. №2,4); долина ледника Бильчинок, высоты 290-750 м (обр. №11-18); склон вулк. Ключевской, высота 800 м (обр. №19-26); подножие вулк. Авачинский, высоты 950-1000 м (обр. №30,31); долина р. Камчатки, яр Крутой, высота 130 м (обр. №32). Глубины отбора - 0,2-2,5 м. Средний возраст исследованных камчатских образцов находится в диапазоне от 35 до 9000 лет, возраст пепла из яра Крутой - <32ь исландские шлаки и леплы - СЬ.

Исследование теплофизических свойств вулканических шлаков проводилось в диапазоне влажности от 0 до 45 % и плотности 1,1-1,5 г/см'. Плотность твердой фазы 2,74 г/см3.

Естественные влажности вулканических пеплов варьировали от 13 до 67%, плотности скелета - от 0,9 до 1,9 г/см3. Для всех исследуемых образцов плотность твердых частиц р5 = 2,1-2,8 г/см3 гигроскопическая влажность 'УУ^ = 0-7,3%. Пористость находится в диапазоне от 39 до 68%. Коэффициент пористости для всех исследуемых образцов изменяется от 0,64 до 2,2. Все образцы незаселенные, кроме пепла,

отобранного из толщи самых древних четвертичных пород Камчатки - «синих глин»

(О12). Содержание органики во всех исследуемых образцах 0-0,02.

По содержанию БЮг вулканическое стекло исследуемых шлаков относится к

базальтовому типу, а стекло исследуемых пеплов - к трем типам - андезитовому,

риолитовому и базальтовому.

Глава 4. Исследование гранулометрического, минерального состава и

анализ морфологических особенностей вулканических шлаков и пеплов

По гранулометрическому составу

камчатские вулканические шлаки относятся к

гравийным пескам, исландские шлаки - крупным

пескам, камчатские пеплы - к пескам пылеватым,

исландский пепел - к песку средней крупности

(ГОСТ 25100-95).

Рентгеноструктурный анализ в исследуемых

пеплах не показал содержания глинистых частиц.

Рис. 4.1. Спектры ИК-поглощения вулканических пеплов Камчатки: а - аморфное силикатное вещество («безводный опал») в обр. № 2 возрастом 35 лет (в таблетке с КВг). б - опал в обр. № 13 возрастом около 2500 лет (в суспензии с вазелиновым маслом), в - опал в обр. № 9 и 15 возрастом около 7000 лет (в суспензии с вазелиновым маслом), г - опал в обр. № 32 возрастом около 15000 лет (в суспензии с вазелиновым маслом), д - аморфное алюмосиликатное вещество («безводный аллофан») в образце возрастом около 35 лет (в суспензии с вазелиновым маслом), е - аллофан в обр. № 20 возрастом около 950-1400 лет (в суспензии с вазелиновым маслом).; ж - аллофан в обр. № 7 возрастом около 1500 лет (в таблетке с КВг),

з - аллофан в обр. № 3 возрастом около 2000 лет (в таблетке с КВг),

и - аллофан в обр. № 18 возрастом около 9000 лет (в суспензии с вазелиновым маслом). Точками на рисунке отмечены области спектра, где были удалены интенсивные полосы поглощения масла; + - отмечены полосы поглощения примесей, которые не поддались диагностике

К] ми<1

ттновое число.

иолнаиос число, ш

Рис. 4.2. Спектры ИК-поглощения вулканического пепла Исландии

Спектры ИК-поглощения позволили состав шлаков и пеплов, у которых стекло основного состава, диагностировать как аллофан, а состав образцов, у которых стекло кислого состава, - как опал (рис. 4.1). В спектрах ИК-поглощения исследованных образцов для каждого типа стекла отмечено увеличение содержания воды по мере увеличения возраста вмещающих пеплов. В составе исландского шлака и пепла, имеющих основное стекло, был диагностирован палагонит (рис. 4.2).

Исследование пеплов на растровом электронном микроскопе (РЭМ) выявило, что вулканические пеплы состоят в основном из кристаллов плагиоклаза, пироксена, магнетита, роговой обманки, вулканического стекла разного состава и обломков пород. Как видно на рис. 4.3, поверхность частиц пепла опалового состава, возраст которого около 35 лет, не несет никаких следов изменений исходного материала. У пепла аллофанового состава, возраст которого около 1500 лет, видны признаки начальных стадий преобразования, выражающиеся в физической дезинтеграции минералов.

Рис. 4.3. Внешние особенности частиц образцов вулканического пепла, возраст которых: а-в- около 35 лет, г-е- около 1500 лет

Анализ изображений в аншлифах показал, что у вулканических пеплов, возраст которых около 35 лет, вулканическое стекло ничем не замещено (рис. 4.4, а), а при

Глава 5. Закономерности изменения содержания незамерзшей воды в мерзлых вулканических шлаках и пеплах

Фазовый состав влаги мерзлых дисперсных пород зависит от многих факторов:

от их гранулометрического и минерального

состава, температуры, засоленности, генезиса,

возраста и др.

Было проведено исследование

содержания незамерзшей воды шлаков и

пеплов разного возраста и состава в диапазоне

температур от 0 до -10...- 15"С.

Рис. 5.1. Зависимость содержания незамерзшей воды для вулканических шлаков и вулканического песка: 1 - вулканический шлак 8 ^ °С (Камчатка), 2 - вулканический песок (Камчатка), 3

' - вулканический шлак (Исландия) _

Выявлено, что в исследуемых современных камчатских шлаках, возраст которых

| около 35 лет, практически нет незамерзшей воды в области ниже основных фазовых

Рис. 4.4. Электронные микрофотографии аншлифов вулканических пеплов: а - образец №4, возраст около 35 лет; б - образец № 5, возраст около 1500 лет; « - образец № 18, возраст около 9000 лет, г - образец №8, возраст около 15000 лет: С1 - вулканическое стекло

увеличении возраста начинается преобразование стекла, которое выражается в разрушении поверхности частиц (рис. 4.4, 6, в), а также появлением аллофановых (рис. 4.4, б) и палагонитовых (4.4, г) покрытий.

переходов, ее содержание составляет <1%. Для исследованного исландского шлака, возраст которого около 15000-150000 лет, взятого для сопоставления свойств с камчатским шлаком, содержание незамерзшей воды составляет 2-3 % для этого же температурного диапазона.

Исландский шлак содержит небольшое количество палагонита (гидратированного стекла), который является первой фазой образования смектитов. Нахождение этого материала в шлаке повышает удельную активную поверхность частиц, а это, в свою очередь, приводит к увеличению содержания незамерзшей воды.

30 |

20 15

-•-9 -Х-10

-©-11 -0-12

-ЕМЗ » 20

1 —19 -1—21

23 ~Ш-25

-И-14

-«-15

А 16

-0-17

•«-18

Г, "С

Рис. 5.2. Зависимость содержании незамерзшей воды (Ж», %) от температуры (/, "С) для мёрзлых вулканических пеплов Камчатки {Л-В) и Исландии (Г). Участки отбора и возраст: А -высота 1000-1630 м, возраст 35-1500 лет; />' - высота 700-800 м, возраст 950-2500 лет; В -высота 290 м, возраст 6500-8000 лет; Г - возраст около 15000-150000 лет; на рисунках цифры под графиками соответствуют номерам образцов

В исследуемых вулканических неплах содержание незамерзшей воды изменяется от 0 до 27 % (рис. 5.2 и 5.3). Как видно из этих рисунков содержание незамерзшей воды для каждого из исследованных пеплов при температуре ниже основных фазовых переходов изменяется незначительно. Проанализируем данные для всех исследуемых пеплов для этого температурного интервала, например, при температуре ниже -6 "С.

На рисунке 5.2 для образцов, отобранных с высот 1000-1630 м и имеющих возраст 35-1500 лет, содержание изменяется от 0 до 11 % (рис. 5.2, А); для пеплов с высот 700-800 м и имеющих возраст от 950 до 2500 лет (рис. 5.2, Б), - от 0 до 2-3 %; для пеплов с высоты 290 м, возраст которых от 6500 до 9000 лет, - от 3 до 12 % (рис. 5.2, В). На рисунке 5.2, Г представлены данные, полученные для вулканического пепла из Исландии, и содержание незамерзшей воды в нем более 4%. В пепле, как и в исследованном шлаке, был найден пааагонит.

Самое большое количество незамерзшей воды (до 27%) (рис. 5.3) было найдено в пепле из толщи самых древних из четвертичных пород Камчатки - толщи «синих глин», возраст которых - вторая половина раннего плейстоцена (0)"). Он оказался засоленным (содержание солей 1,82%, тип засоления сульфатный). Появление засоленности в этом пепле может быть связано с тем, что во время извержения на поверхности пепловых частиц сорбируется значительное количество анионов и катионов из газовой сферы, поэтому свежевыпавший пепел обогащен сульфатами,

хлоридами и т.д. Эта пленка может

50 40 30

3: 20

10 о

*32 ■ 32' А 32"

полностью разрушиться через несколько

тысяч лет. Возможно, что в толще «синих

глин» произошла консервация

адсорбированной пленки. Но этот факт

требует дальнейшего исследования.

Рис. 5.3. Зависимость содержания незамерзшей воды (И',,,, %) от температуры (/, °С) для мёрзлых вулканического пепла (№32) и суг линков, отобранных выше (32') и ниже (32") слоя пепла на высоте ¡29 м и имеющих возраст

На рисунке 5.4 представлены данные по содержанию незамерзшей. гигроскопической и термической воды в вулканических пеплах разного возраста.

Содержание незамерзшеи воды для иеплов с риолитовым стеклом, содержащих опал, количество воды заметно меньше, чем для пеплов с андезитовым и базальтовым стеклом, содержащих аллофан, что свидетельствует о более высокой скорости преобразования последних. Значения для исландского пепла (№8), содержащего палагонит, находятся между значениями для опаловых и аллофановых пеплов.

Аллофан представляет собой полую сферу с дефектами в структуре стенок, дающие в результате микропоры в диаметре 0,3-2,0 нм. С наличием этих очень мелких пор связывается водоудерживающая способность аллофанов. Большинство иалагонитов состоят из складчато-слоистых и волокнистых частиц, похожих на смектитовые минералы. Опал характеризуется существованием сферических пучков сетчатоподобных сфер гидратированного кремния.

3000 6000 9000 12000 15000 возраст, лет

35 3000 6000 9000 12000 15000 возраст, лет >1 в4&7ОЗа9*13ВП5»17<И8ж8О20

Рис. 5.4. Содержание общего количества воды {У/,тп, %), гигроскопической влажности (И7;., %) и влажности за счет незамерзшей зоды ( в пеплах разного возраста; цифры под графиками соответствуют номерам образцов; черные точки - данные для пеплов, содержащих опал, серые - для

35 3000 6000 9000 12000 15000 пеплов, содержащих аллофан, образец №8-

исландский пепел, содержащий палагонит. возраст, лет Пунктиром обозначен предполагаемый

•1 а 4 д 7 в 3 а 9 »13 ш 15 • 17 018 ж 8 ©20 характер зависимостей

Глава 6. Закономерности изменения теплофизических свойств вулканических шлаков и пеплов

Рассмотрим результаты исследования теплофизических свойств вулканических ' шлаков и пеплов разного гранулометрического, минерального состава и возраста, 1 отобранных в районе Ключевской группы вулканов на Камчатке, и выявим закономерности их изменения от влажности, плотности и температуры.

Результаты экспериментальных исследований теплопроводных характеристик | талых и мерзлых вулканических шлаков и пеплов представлены на рисунках 6.1 -6.6. Из рис. 6.1 видно, что при увеличении влажности и плотности скелета грунтов коэффициент теплопроводности увеличивается. Сопоставить данные по теплопроводности возможно только для образцов, имеющих близкую плотность скелета грунта р,;, поэтому были проведены осредняющие кривые, объединяющие данные для образцов с одинаковыми значениями плотности. С ростом влажности IV (от 0 до 80 %) и плотности скелета р,/ (от 0,7 до 1,7 г/см3) X закономерно увеличивается от 0,13 до 1,0 Вт/(м-К) в талом и от 0,14 до 1,27 Вг/(м-К) в мерзлом состояниях. Для сухих образцов величины коэффициента теплопроводности находятся в пределах 0,13-0,17 Вт/(м-К).

А Б

♦ 1 Я2 АЗ Ж 4 «15 А16 Ф17 .+ 18

Л 5 Об □ 7 »9 -19 Ж20 121 О 3'

■10 >12 П13 а 14 41' о 2' а 4'

Рис. 6.1. Зависимости коэффициента теплопроводности (А.) от влажности (ИО для исследуемых вулканических шлаков (№Г-4') и пеплов (№ 1-21) в талом (А) и мерзлом (Б) состоянии. Линии - значения при одной плотности ра: / - 0,8-0,9 г/см ', 2 - 1 г/см , 3 - 1,1-1,2 г/см3, 4 - 1,3 г/см\ 5 - 1,5 г/см"\ 6 - 1,6 г/см\ 7 - 1,7 г/см3. Номера под графиками соответствуют номерам образцов. Пунктиром обозначен предполагаемый характер зависимостей

Значения коэффициентов теплопроводности для шлаков и пеплов при фиксированных значениях влажности и плотности близки, что объясняется низкими значениями теплопроводности шлаков, связанные с конкурирующим воздействием двух факторов: размера зерен и пористости частиц. Наличие в шлаках закрытой пористости понижает их теплопроводность, что компенсирует тот факт, что частицы шлака крупнее, чем частицы пепла.

Выявлена хорошая сходимость значений теплопроводности вулканических пеплов, полученных в полевых и лабораторных условиях (±10%).

0,2 0,4 0,6 5Г, доли ед.

0,2 0,4 0,6 0,8 5Г! доли ед.

0,2 0,4 0,6 Зг, доли ед.

0,2 0,4 0,6 0,8 5Г, доли ед.

Рис. 6.2. Зависимости коэффициентов теплопроводности (X) и температуропроводности (а) от степени влажности (5Г) и минерального состава для камчатских вулканических пеплов в талом (/4) и мерзлом (Ь) состоянии

Степень влажности 5,. (ГОСТ 25100-95) может служить обобщающим параметром при интерпретации результатов по теплопроводным свойствам горных пород (этот параметр включает в себя и плотность, и пористость, и влажность). На рис.6.2 представлены результаты обобщения данных по коэффициентам тепло- и температуропроводности талых и мерзлых вулканических шлаков и пеплов. Выше

легли значения для пеплов, в которых кислое стекло, и состав которых был определен как опал, ниже - для пеплов, в которых основное стекло, и состав был определен как аллофан.

Для практического использования коэффициенты теплопроводности можно рассчитать по формулам:

- для пеплов со стеклом кислого состава (содержат опал):

X, = 1,25-3,-2 + 0,75,- + 0,22 Я2 = 0,92,

А.м= 1,19-5,.+ 0,15 Я2 =0,95,

- для пеплов со стеклом основного состава (содержат аллофан):

к = 0,14-5,.2 + 0,56-5,- + 0,15 И2 = 0,9,

Хм = 0,89-5,. + 0,14 Я2 = 0,96.

Влияние пористости представлено на рисунке 6.3. При увеличении коэффициента пористости теплопроводность понижается как в талом, так и в мерзлом состоянии. При этом четко прослеживается зависимость коэффициента теплопроводности от степени заполнения пор влагой. При 5,. >0,8 значения коэффициента теплопроводности выше, а при 5,. = 0,4-0,6 - ниже. Самые низкие значения получены для шлаков при 5,. = 0,2-0,4.

А Б

1,2

к0'9 Ш 0,6

0,3 0,0

& 1 • -' О .1

•

О ~ ............О-.- - •* 9 :о д ■Щ* .....

: <§С |Дд

1'.....

1,2

£Г

Ш 0,6 Л 0,3 0,0

Д 1 • 2 О 3 в

в в> .....о-ф • ! °Ъ 1 |йд Л » •

^ОО * <% ..& Ж.

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 е, доли ед.

2,5

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 е, доли ед.

Рис. 6.3. Зависимости коэффициента теплопроводности (X) от коэффициента пористости (е) для исследуемых вулканических пород: 1 - шлаков, 2 и 3 - пеплов (2 - при Бг >0,8, 3 - при 5г = 0,4-0,6) в талом (А) и мерзлом (/>) состоянии

Все свойства мёрзлых грунтов определяются содержанием жидкой и твердой фазы. На рис. 6.4 даны зависимости коэффициента теплопроводности от содержания жидкой и твёрдой фазы. Кривые I и II аппроксимируют данные для пеплов опалового, а кривые Ш, IV, V- для аллофанового состава.

1,4

Рис. 6.4. Зависимость коэффициента теплопроводности мёрзлых вулканических пеплов (X«) от соотношения воды и льда \¥н.) (Г-У - см. текст)

У пеплов опалового состава, в

которых практически нет незамерзшеи

воды или её очень мало, соотношении

жидкой и твёрдой фазы изменяется от О до 0,08. Так, на кривой I находятся

0,0

о б значения для образцов пепла № 2, 4, 19, в которых незамерзшей воды практически

0,0

0,2

0,4

соотношение иезамер-зшей »оды и льда W„/(W-W.)

нет, а на кривой II (для образцов № 6, 9, 12, 17) - от 0,5 до 1,1 %. Для пеплов аллофанового состава соотношение WH/(W - Ww) находится в пределах 0,08-0,58. Кривая III осредняет значения для образцов № 10, 14, 15, 20, 21, в которых значение И7,,, около 0,8-3 %, кривая IV (образцы № 1, 5, 7) - 2-4 %, а кривая V - значения для образцов № 3 и 18, в которых больше всего незамерзшей воды - 10-11 %.

Для пеплов опалового состава даже небольшое увеличение соотношения жидкой и твёрдой фазы приводит к уменьшению коэффициента теплопроводности почти в 2 раза. Изменение коэффициента теплопроводности у пеплов аллофанового состава это имеет место при гораздо большем изменении этого соотношения.

Теплопроводность и температуропроводность в мерзлом состоянии выше, чем в талом состоянии для всех исследуемых вулканических дисперсных пород; наибольшие значения Х^А^ = 1,9 и ам/ат = 2,7 получены для пеплов и шлаков, где практически нет незамерзшей воды.

Зависимости соотношения ЯУлт и aja, от влажности для вулканических пеплов представлены на рис. 6.5. Все значения осредняются тремя кривыми. Кривая I аппроксимирует данные для пеплов маркирующих горизонтов, которые имеют опаловый состав, кривые II и III - как для пеплов из маркирующих горизонтов, так и для пирокластики между маркирующими горизонтами, которые имеют аллофановый состав.

II!

Рис. 6.5. Зависимость отношения Хм/Хг и aJaT от влажности для вулканических пеплов разного состава (1- 111- см. текст)

Для вулканических пеплов при увеличении влажности наблюдается увеличение соотношений Хм/Х, и а,/ам, при этом значения этих соотношений выше для пеплов. содержащих опал, выше, чем для пеплов, содержащих аплофан.

Теплопроводные характеристики для мерзлых вулканогенно-обломочных пород (шлаков и пеплов) значительно ниже, чем для песков осадочного генезиса (рис. 6.6), что объясняется появлением в них незамерзшей воды, формой частиц, а также меньшими значениями теплопроводности аморфных компонентов породы, значения X которых уменьшаются с понижением температуры.

Рис. 6.6. Зависимость коэффициента

4 !

теплопроводности грунтов различного состава от (1 степени влажности в мерзлом состоянии: 1 -песок кварцевый, фракция 0,25-0,65 мм), 2 -песок пылеватый кварцевый, 3 - песок полиминеральный, фракция 0,1 -0,5 мм, 4 - песок пылеватый поли минеральный, 5 и 6 - пепел вулканический

Изучение теплоемкости показало, что теплоемкость скелета исследуемых образцов увеличивается при повышении температуры, но в интервале от -20 до +20 °С изменяется незначительно. Для этого интервала теплоемкость скелета для вулканических пеплов имеет значение 750-1000+50

0,2 0,4 0,6 0,8 Sr, доли ед.

ДжУ(кг-К), для вулканических шлаков - 800+50 Дж/(кг-К). Значення удельных теплоемкостей для вулканических пеплов с увеличением W от 13 до 80% увеличиваются от 1000 до 2200 Дж/(кг-К) в талом и от 900 до 1500 Дж/(кг-К) в мерзлом состояниях, для вулканических шлаков при увеличении W до 40% - 1100-1800 и 9001200 Дж/(кг-К) для талого и мерзлого состояния, соответственно.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Составлена и выполнена экспериментальная программа, включающая широкий спектр методов, позволившая не только получить новые данные, но и объяснить установленные закономерности по теплофизическим свойствам и фазовому составу влаги в исследуемых дисперсных вулканических породах разного возраста, свойств и химико-минерального состава. Объектом исследования служили вулканические шлаки и пеплы, отобранные на Камчатке (район Ключевской группы вулканов и средняя часть Центральной Камчатской депрессии), которые являются продуктами извержения разных вулканов, и основной возраст которых варьировал от 35 до 9000 лет.

2. Проведено экспериментальное исследование теплофизических свойств и фазового состава влаги в мерзлых вулканических шлаках и пеплах разного возраста, состава и свойств, отобранных на Камчатке (а также для сопоставления полученных результатов - в Исландии), и получены новые экспериментальные данные. На основании результатов исследования можно сделать следующие выводы:

- впервые получены закономерности изменения содержания незамерзшей воды в мерзлых вулканических дисперсных породах в диапазоне отрицательных температур и установлена связь Ww с возрастом и химико-минеральным составом исследуемых пород;

- влияние возраста проявляется через преобразование вулканического стекла во времени и появление аморфных глинистых минералов в его составе, имеющих высокую удельную поверхность; в камчатском шлаке (возраст около 35 лет) практически нет незамерзшей воды, в пеплах, содержащих опал, количество незамерзшей воды Ww меняется от 0 до 2-3 % при увеличении возраста от 35 до 8300 лет; в пеплах, содержащих аллофаи, - Ww изменяется от 2 до 12% при увеличении возраста от 1500 до 9000 лет; в исландском шлаке и пепле (возраст около 15000-150000), содержащих палагонит, содержание незамерзшей воды - 3 и 5% , соответственно;

Примечание: - данные по содержанию незамерзшей воды даны для интервала температур ниже основных фазовых переходов (<-3"С)

- самое большое количество незамерзшей воды (около 27% ), выявлено в пепле из толщи самых древних четвертичных пород Камчатки - «синих глин» (Qi2) - что связано с его засоленностью;

- для пеплов с андезитовым и базальтовым стеклом с увеличением возраста содержание незамерзшей воды увеличивается быстрее и в большем объеме, чем для пеплов с риолитовым стеклом, у которых и скорость процесса изменения, и количество незамерзшей воды меньше из-за большего количества SiO> в его составе.

3. Впервые установлены закономерности изменения коэффициентов тепло- и температуропроводности вулканических шлаков и пеплов разного возраста, гранулометрического и химико-минерального состава для талого и мерзлого состояния от влажности, плотности, содержания незамерзшей воды и льда. Выявлено;

в воздушно-сухом состоянии значения коэффициентов тепло- и температуропроводности для всех вулканических пород равны 0,15-0,18 Вт/(м-К) и 0,13-0,19-10"6 м2/с, соответственно;

- значения коэффициентов теплопроводности для шлаков и пеплов при фиксированных значениях влажности и плотности близки, что объясняется пониженными значениями теплопроводности более пористых шлаков;

- значения теплопроводности при фиксированных значениях степени влажности выше у пеплов, состав которых был определен как опал, чем у пеплов аллофанового состава;

- теплопроводность и температуропроводность в мерзлом состоянии выше, чем в талом состоянии, для всех исследуемых вулканических дисперсных пород (XM>Xf); наибольшее значение XJk¡ - 1,9 и ajav = 2,7 получены для пеплов и шлаков, где практически нет незамерзшей воды; отношение и aja,, с увеличением влажности увеличивается быстрее в пеплах, содержащих опал, чем у пеплов аллофанового состава;

- теплопроводные характеристики для мерзлых вулканогенно-обломочных пород (шлаков и пеплов) значительно ниже, чем для песков осадочного генезиса, что объясняется появлением в них незамерзшей воды, формой частиц, а также меньшими значениями коэффициентов теплопроводности аморфных компонентов породы, величина которых уменьшается с понижением температуры;

- значения теплоемкости скелета исследуемых шлаков и пеплов изменяются в интервале 750-1000 Дж/(кг-К) (при 0"С); при увеличении W от 13 до 80% значения

удельных теплоемкостей для шлаков и пеплов находятся в интервале от 1000 до 2200 Дж/(кг-К) в талом и от 900 до 1500 Дж/(кг-К) в мерзлом состояниях.

Публикации по теме диссертации

В журналах, рекомендованных ВАК:

1. Кузнецова Е.П. Исследование незамерзшей воды в вулканических пеплах Камчатки / Кузнецова Е.П., Мотенко Р.Г., Вкгасина М.Ф., Мельчакова J1.B. // Вестник МГУ. Серия Геология. 2011. №1. С. 62-67.

2. Кузнецова Е.П. Роль содержания льда и незамерзшей воды при оценке теплопроводности вулканических пеплов (Камчатка) / Мотенко Р.Г., Кузнецова Е.П. // Лед и снег. 2011. №2. С. 99-104.

Тезисы и доклады конференций:

1. Тихонова (Кузнецова) Е.П. Экспериментальные исследования коэффициента теплопроводности вулканических шлаков Камчатки // Тезисы докладов Региональной конференции молодых ученых и специалистов «Вопросы региональной геокриологии и географин». Якутск, нзд-во Института мерзлотоведения СО РАН, 2006. С.50-51

2. Тихонова (Кузнецова) Е.Г1. Теплопроводность и фазовый состав влаги мерзлых вулканических шлаков и пеплов / Мотенко Р.Г., Тихонова (Кузнецова) Е.П. // Актуальные проблемы механики, прочности и теплопроводности при низких температурах. / ТМЗГ-2006, Материалы X научно-технической конференции, под ред. В.В.Улигина - С.Пб: С-ПбГУН и ПТ, 2006. С. 68-74.

3. Тихонова (Кузнецова) Е.П. Экспериментальные исследования теплофизическнх свойств вулканических шлаков // Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2006». 2006. С. 10-11.

4. Тихонова (Кузнецова) Е.П. Фазовый состав влаги мерзлых вулканических пеплов н шлаков / Мотенко Р.Г., Тихонова (Кузнецова) Е.П., Ладыгин В.М., Фролова ГО.В. И Проблемы инженерного мерзлотоведения / Материалы VII Международного симпозиума в г. Чите. Якутск, 2007. С. 135-138.

5. Tikhonova (Kuznetsova) Е. Mountain permafrost in areas of modern volcanic activity: Kluchevskaya volcano group (Kamchatka) / Abramov A., Gilichinsky D., Motenko R„ Tikhonova (Kuznetsova) E. //ECU letters, N 00243. 2007.

6. Тихонова (Кузнецова) Е.П. Фазовый состав влаги в мерзлых вулканических пеплах Камчатки (Ключевская группа вулканов) // XV Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2008», 2008. С. 5.

7. Tikhonova (Kuznetsova) E. Experimental study of thermal properties for frozen pyroclastic volcanic deposits (Kamchatka, Kluchevskaya volcano group) / Motenko R., Tikhonova (Kuznetsova) E., Abramov A, // Proceeding of the 9lh international conference of permafrost (edited by D. Kane and K. Hinkel), Fairbanks, Alaska, USA, 2008. P. 1251-1254.

8. Кузнецова Е.П. ИК-спектроскопия и термическое исследование вулканических пеплов разного возраста / Кузнецова Е.П., Мотенко Р.Г., Вигасина М.Ф., Мельчакова JI.B. // Ежегодный семинар по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии / Вестник отделения наук о Земле РАН. 2009. №1 (27). С. 83.

9. Kuznetsova Е.Р. Allophane as the product of volcanic glass alteration of different ages / Kuznetsova E.P., Motenko R.G., Vigasina L.V., Melchakova L.V. II Clays, clay minerals and layered materials, Moscow, 2009. P. 128.

10. Kuznetsova E.P. Thermal properties and phase composition of water for frozen saponites / Motenko R.G., Karpenko F.S., Kuznetsova E.P., Aleksyutina D.M. // Clays, clay minerals and layered materials, Moscow, 2009. P. 210-211.

11. Kuznetsova E.P. Formation of phase composition of water in the frozen volcanic ashes (Kluchevskaya volcano group, Kamchatka) / Motenko R.G., Kuznetsova E.P. // Proceedings of the 8lh international symposium on permafrost engineering, China, 2009. P. 518-521.

12. Kuznetsova E.P. Estimate of unfrozen water content for frozen volcanic ashes of different ages / Motenko R.G., Kuznetsova E.P. // Futuroclays meeting. Newcastle, 2009. P. 26-27.

13. Кузнецова Е.П. Роль содержания льда и незамерзшей воды при оценке теплопроводности мерзлых вулканических пеплов (Камчатка) / Мотенко Р.Г., Кузнецова Е.П. // Материалы Гляциологического симпозиума «Лед и снег в климатической системе» 31 мая - 4 июня 2010, Казань (тезисы на диске).

14. Kuznetsova E.P. Allophane and palagonite as the product of volcanic glass alteration of different ages I Motenko R.G., Kuznetsova E.P. // 2010 SEA-CSSJ-CMS Trilateral Meeting on Clays. Seville, Spain, 2010. P. 142.

15. Kuznetsova E.P. The influence of allophane and palagonite appearance on the unfrozen water content in the frozen volcanic ashes / Motenko R.G., Kuznetsova E.P., Vigasina L.V., Melchakova L.V. H ACTA Mineralogica-Petrographica, abstract series, IMA2010 and MECC20J0 conferences, volume 6 (edited by L. Zaharia, A. Kis, В. Тора, С. Papp, Т. G. Weiszburg). Budapest, Hungary, 2010. P. 625.

16. Kuznetsova E.P. Allophane and palagonite as the product of volcanic glass alteration of different ages / Kuznetsova E.P., Motenko R.G., Vigasina L.V., Melchakova L.V. // Geochimica et Cosmochimica Acta, volume 74, issue 11, supplement 1, Knoxville, Tennessee. 2010. P. 551.

17. Kuznetsova E. The influence of ice and unfrozen water content on the thermal conductivity of frozen volcanic ashes (Kamchatka) / Kuznetsova E., Motenko R. // Geophysical Research Abstracts, Vol. 13, EGU2011-340. 2011.

18. Кузнецова Е.П. Связь минерального состава и скорости преобразования вулканического стекла / Кузнецова Е.П., Мотенко Р.Г., Вигасина М.Ф., Мельчакова Л.В. // Материалы первого Российского совещания «Глины 201 Ь>. 2011. С.75-76.

19. Кузнецова Е.П. Теплопроводные характеристики вулканических пеплов Камчатки / Кузнецова Е.П., Мотенко Р.Г. // Материалы IV конференции геокриологов России. Кн. 1. М.: изд-во МГУ, 2011. С. 91-97.

20. Kuznetsova Е. The influence of allophane appearance on the thermal conductivity of frozen volcanic ashes (Kamchatka) / Kuznetsova E., Motenko R. // Euroclay2011, Antalya, Turkey. 2011. P. 95-96.

21. Kuznetsova E. Physical and chemical properties of volcanic ashes of different ages (Kamchatka) / Kuznetsova E., Muravyov Ya., Motenko R. // Materials of 7th biennial workshop on Japan-Kamchatka-Alaska subduction processes JKASP-2011. P. 269-270.

22. Kuznetsova E. The changing of deposit properties during volcanic ashes ageing (Kamchatka) / Motenko R., Kuznetsova E. // Abstracts of the International congress "Natural cataclysms and global problems of the modern civilization". Istambul. 2011. P. 88-89.

23. Кузнецова Е.П. Теплофизические свойства вулканических шлаков и пеплов Камчатки / Кузнецова Е.П., Мотенко Р.Г. // Материалы ежегодной конференции «Ломоносовские чтения». 2011.

Подписано в печать 10 ноября 2011 г.

Формат 60x90/16

Объём 1,5 п.л.

Тираж 120 экз.

Заказ №141111402

Оттиражировано на ризографе в ООО «УниверПринт»

ИНН/КПП 7728572912X772801001

Адрес: г. Москва, улица Ивана Бабушкина, д. 19/1.

Тел. 740-76-47, 989-15-83.

http://www.imiverprmt.ru

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Кузнецова, Елена Павловна

Введение.

Глава 1. Вулканические дисперсные породы

1.1. Классификации вулканических дисперсных пород.

1.2. Распределение вулканических пеплов на территории Камчатки.

1.3. Понятие вулканическая почва и почвенно-пирокластический чехол.

1.4. Гранулометрический и минеральный состав пеплов Камчатки и методы датирования крупнейших эксплозивных извержений.

1.5. Продукты изменения пирокластики.

1.6. Физико-химические, физические и физико-механические свойства вулканических пеплов и шлаков Камчатки.

1.7. Теплофизические свойства и фазовый состав влаги вулканических шлаков и пеплов.

Глава 2. Экспериментальные методы исследования, применяемые в работе.

2.1. Методы исследования теплофизических свойств дисперсных горных пород.

2.2. Методы определения фазового состава влаги мерзлых пород.

2.3. Методы исследования структурно-текстурных особенностей пирокластики.

2.4. Методы исследования минерального состава и термические исследования воды.

2.5. Методы датирования крупнейших эксплозивных извержений Камчатки тефрохронологическим методом.

Глава 3. Краткая характеристика района исследования, объект исследования и методика приготовления образцов.

3.1. Район исследования.

3.2. Краткая характеристика отложений Камчатки.

3.3. Краткая характеристика вулканических шлаков.

3.4. Краткая характеристика вулканических пеплов.

3.5. Методика приготовления образцов.

Глава 4. Результаты исследования гранулометрического, минерального состава и анализ морфологических особенностей вулканических шлаков и пеплов.92 4.1. Исследование гранулометрического состава.

4.2. Исследование минерального состава.

4.3. Исследование морфологических особенностей вулканических пеплов.

Глава 5. Закономерности изменения содержания незамерзшей воды в мерзлых вулканических шлаках и пеплах.

5.1. Закономерности изменения содержания незамерзшей воды в вулканических шлаках.

5.2. Закономерности изменения содержания незамерзшей воды в вулканических пеплах.

Глава 6. Закономерности изменения теплофизических свойств вулканических шлаков и пеплов.

6.1. Результаты экспериментальных исследований теплопроводных характеристик вулканических шлаков и пеплов.

6.2. Результаты экспериментальных исследований теплоемкости вулканических шлаков и пеплов.

6.3. Результаты полевых исследований теплопроводности.

Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Теплофизические свойства и фазовый состав влаги мерзлых вулканических шлаков и пеплов Камчатки"

Вулканы при извержениях выбрасывают большое количество пирокластического материала, который перекрывает существующие снежники, захоранивая их, а также перекрывают уже существующие мерзлые и промерзающие горные породы. Для проведения геокриологического прогноза территории, изучения закономерностей формирования температурного режима пород, глубины промерзания и протаивания, пространственной изменчивости и прогноза этих характеристик - необходимы сведения о теплофизических свойствах горных пород при положительных и отрицательных температурах. Специфику основных физических и механических свойств мерзлых пород и протекание мерзлотно-геологических процессов в криолитозоне предопределяет фазовый состав влаги. Кроме того, фазовый состав влаги оказывает влияние на свойства мерзлых пород, в том числе и на теплофизические.

Теплофизические свойства дисперсных вулканических пород Камчатки изучены крайне слабо Имеющиеся данные касаются в основном пород с жёсткими связями или находящихся в талом состоянии. Для мёрзлых пород информации практически нет. Анализировать немногие имеющиеся данные сложно из-за отсутствия информации по влажности, плотности и возрасту отложений. Фазовый состав влаги практически не изучен.

В задачи исследования входило:

1. Ознакомиться с современными представлениями о составе и свойствах вулканических шлаков и пеплов.

2. Составить и выполнить экспериментальную программу исследований, позволяющую не только получить новые данные по теплофизическим свойствам и фазовому составу влаги в мерзлых вулканических шлаках и пеплах, но и выявить и объяснить закономерности формирования этих свойств.

4. Провести экспериментальные исследования фазового состава влаги в диапазоне отрицательных температур, установить закономерности его изменения и выявить причины появления незамерзшей воды в мерзлых вулканических шлаках и пеплах разного возраста и химико-минерального состава.

Фактический материал, методы исследования. Автором проведено около 300 экспериментов по изучению теплофизических свойств и фазового состава влаги в вулканических шлаках и пеплах Камчатки. Отбор образцов для лабораторных исследований проводился автором в течение полевых работ на Камчатке в составе экспедиций Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (ИФХиБПП РАН) в 2006 г. и Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН в 2009-2011 гг. Образцы из Исландии для лабораторного изучения были предоставлены сотрудниками кафедры инженерной и экологической геологии Ладыгиным В.М. и Фроловой Ю.В. Изучение теплофизических свойств вулканогенных отложений проводились как в полевых условиях, так и на кафедре геокриологии МГУ под руководством к.г.-м.н., доцента, с.н.с. Мотенко Р.Г. Гранулометрический состав определялся автором пипеточным методом на кафедре инженерной и экологической геологии. Исследование минерального состава и термические исследования пеплов проводились с помощью спектроскопии ИК-поглощения на фурье-спектрометре ФСМ-1201 и на дериватографе СМ500Э (Венгрия) сотрудниками кафедры минералогии Вигасиной М.Ф. и Мельчаковой Л.В. Рентгеноструктурный анализ вулканических пеплов проводился с.н.с. Крупской В.В. на кафедре инженерной и экологической геологии. Химический анализ вулканического стекла и внешние особенности частиц вулканического пепла были рассмотрены на растровом электронном микроскопе 'Мео1 18М-6480ЬУ" с энергодисперсионным спектрометром «ШСА-Епе^у 350» в лаборатории локальных методов исследования вещества МГУ (аналитики: Япаскурт В.О. и Гусева Е.В., кафедра петрологии МГУ имени М.В.Ломоносова) с участием автора. Силикатный анализ тефры выполнен в спектрально-химической лаборатории геологического факультета МГУ (зав. лаб., в.н.с. Лапицкий С.А.).

Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем:

1. Реализована экспериментальная программа, включающая широкий спектр методов, позволившая не только получить новые данные, но и объяснить установленные закономерности по теплофизическим свойствам и фазовому составу влаги в исследуемых дисперсных вулканических породах разного возраста, свойств и химико-минерального состава;

2. Впервые получены новые фактические данные исследования фазового состава влаги в мерзлых вулканических шлаках и пеплах разного состава и свойств в диапазоне отрицательных температур; установлена связь между содержанием незамерзшей воды и возрастом пеплов, влияние которого проявляется через преобразование вулканического стекла во времени, приводящее к появлению аморфных глинистых минералов в его составе;

3. Установлены закономерности изменения теплофизических характеристик от влажности, плотности и пористости для талых и мерзлых вулканических шлаков и пеплов разного возраста, состава и свойств: а) теплопроводность при фиксированных значениях степени влажности выше у пеплов, состав которых был определен как опал, чем у пеплов аллофанового состава; б) установлено, что отношения Х^Дг и а^ам больше у пеплов, содержащих опал, чем у пеплов, содержащих аллофан; в) выявлено, что теплопроводные характеристики для мерзлых вулканогенно-обломочных пород (шлаков и пеплов) значительно ниже, чем для песков осадочного генезиса.

Положения, выносимые на защиту

1. Модифицированная методика изучения теплофизических свойств и фазового состава влаги вулканических шлаков и пеплов разного возраста позволяет не только получить новые данные, но и объяснить установленные закономерности с учетом химико-минерального и гранулометрического состава, водно-физических свойств и морфологических особенностей пород.

3. Величины коэффициентов тепло- и температуропроводности и теплоемкость мерзлых вулканических шлаков и пеплов разного возраста изменяются в зависимости от влажности, плотности, пористости и состава пород: а) коэффициент -теплопроводности - от 0,14 до 1,3 Вт/(м К), б) коэффициент температуропроводности г л

- от 0,13 до 0,7-10" м /с, в) теплоемкость - от 900 до 1500 Дж/(кг-К).

4. Появление аморфных глинистых минералов (аллофана, палагонита) в результате преобразования вулканического стекла во времени приводит к увеличению количества незамерзшей воды в мерзлых вулканических шлаках и пеплах и к уменьшению их теплопроводных характеристик.

Апробация работы и публикации

Всего по теме диссертации опубликовано 25 работ, из них 2 статьи из Перечня ведущих рецензируемых научных журналов ВАК. Основные результаты работы докладывались на международных конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2006; 2008), региональной конференции молодых ученых и специалистов «Вопросы региональной геокриологии и географии» (Якутск, 2006), 10-ой научно-технической конференции ТМЗГ-2006 (Санкт-Петербург, 2006), 7-ом и 8-ом Международных симпозиумах по проблемам инженерного мерзлотоведения (Чита, 2007; Сиань, Китай, 2009), съездах Европейского Геофизического Союза (Вена, 2007; 2011), 9"ои международной конференции по мерзлотоведению (Фейрбенкс, 2008), ежегодном семинаре по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии (Москва, 2009), международных конференциях «Глины, глинистые минералы и слоистые материалы» (Звенигород, 2009) и «Будущее глин» (Ньюкасл, 2009), гляциологическом симпозиуме «Лед и снег в климатической системе» (Казань, 2010), ежегодном совещании по глинам (Севилья, 2010), межъевропейской конференции по глинам (Будапешт, 2010), первом Российском совещании «Глины 2011» (Москва, 2011), 4-ой конференции геокриологов России (Москва, 2011), Европейской конференции по глинам (Анталия, 2011), на 7-ом международном совещании по процессам в зонах субдукции Японской, Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг «JKASP-2011» (Петропавловск-Камчатский, 2011), ежегодной научной конференции «Ломоносовские чтения» (Москва, 2011).

Структура и объем

Благодарности. Автор выражает искреннюю и глубокую благодарность своему научному руководителю кандидату геолого-минералогических наук, доценту Мотенко Р.Г. за всестороннюю помощь в процессе подготовки диссертации. Также выражает благодарность всему коллективу кафедры геокриология за внимание, рекомендации и советы при подготовке работы, в частности зав. кафедрой д.г.-м.н. Брушкову A.B., профессорам Гарагуле Л.С., Романовскому H.H., зав. лабораториями Зыкову Ю.Д. и Комарову И.А.

М.А.; сотрудников кафедры минералогии: с.н.с. Вигасину М.Ф. и Мельчакову Л.В.; сотрудников кафедры петрологии: в.н.с. Япаскурта В.О. и ведущего инженера Гусеву Е.В.; студентов кафедры геокриологии Гречищеву Э.С. и Алексютину Д.М.

Заключение Диссертация по теме "Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение", Кузнецова, Елена Павловна

выводы

1. Составлена и выполнена экспериментальная программа, включающая широкий спектр методов, позволившая не только получить новые данные, но и объяснить установленные закономерности по теплофизическим свойствам и фазовому составу влаги в исследуемых дисперсных вулканических породах разного возраста, свойств и химико-минерального состава. Объектом исследования служили вулканические шлаки и пеплы, отобранные на Камчатке (район Ключевской группы вулканов и средняя часть Центральной Камчатской депрессии), которые являются продуктами извержения разных вулканов, и возраст которых в основном варьировал от 35 до 9000 лет.

- впервые получены закономерности изменения содержания незамерзшей воды в мерзлых вулканических дисперсных породах в диапазоне отрицательных температур и установлена связь с возрастом и химико-минеральным составом исследуемых пород;

- влияние возраста проявляется через преобразование вулканического стекла во времени и появление аморфных глинистых минералов в его составе, имеющих высокую удельную поверхность; в камчатском шлаке (возраст около 35 лет) практически нет незамерзшей воды, в пеплах, содержащих опал, количество незамерзшей воды меняется от 0 до 2-3 %* при увеличении возраста от 35 до 8300 лет; в пеплах, содержащих аллофан, - изменяется от 2 до 12%* при увеличении возраста от 1500 до 9000 лет; в исландском шлаке и пепле (возраст около 15000*

150000), содержащих палагонит, содержание незамерзшей воды - 3 и 5%, соответственно;

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Кузнецова, Елена Павловна, Москва

1. Абрамов A.A., Гиличинский Д. А., Мотенко Р.Г. Новые данные о геокриологических условиях Ключевской группы вулканов (Камчатка) // Материалы третьей конференции геокриологов России. Т. 3. М.: Изд-во МГУ, 2005. С. 5-10.

2. Абрамов A.A., Гиличинский Д.А. Геокриологические условия района Ключевской группы вулканов (Камчатка) // Криосфера Земли, 2008. Т. XII, №1. С. 2940.

3. Андреев В. И. Мерзлые толщи в районе Толбачинского извержения // Вопросы географии Камчатки, выпуск 8, Дальневосточное книжное издательство, Камчатское отделение, 1982. С. 98-99.

4. Бетехтин А.Г. Минералогия. М.: Геологическая литература, 1950. 545 с.

5. Брайцева O.A., Мелекесцев И.В., Евтеева И.С., Лупикина Е.Г. Стратиграфия четвертичных отложений и оледенения Камчатки. М.: «Наука», 1968. 226 с.

6. Брайцева О. А., Сулержицкий Л. Д., Егорова И. А. Тефростратиграфия и радиоуглеродное датирование // Вулканический центр: строение, динамика, вещество (Карымская структура). М.,1980. С.90-100.

7. Брайцева O.A., Кирьянов В.Ю., Сулержицкий Л.Д. Маркирующие прослои голоценовой тефры Восточной вулканической зоны Камчатки // Вулканология и сейсмология, 1985. №5. С. 80-96.

8. Брайцева O.A., Сулержицкий Л.Д., Мелекесцев И.В., Литасова С.Н., Пономарева В.В. Применение радиоуглеродного датирования в практике тефрохронологических исследований // Новые данные по геохронологии четвертичного периода. М.: Наука, 1987. С. 179-187.

9. Брайцева O.A., Мелекесцев И.В., Сулержицкий Л.Д. Новые данные о возрасте плейстоценовых отложений Центральной Камчатской депрессии // Стратиграфия. Геологическая корреляция. 2005. Т. 13. №1. С. 106-115.

10. Бобов Н.Г. Торфяные бугры Камчатки // Труды Ин-та мерзлотоведения АН СССР. 1960. № 16. С. 60-71.

11. Бобов Н.Г., Новосельская Н.Б. О мерзлых породах Камчатки // Региональные геокриологические исследования. Новосибирск, 1975. С. 230.

12. Бровков Г.Н. Факторы и особенности постседиментационных преобразований пепловой пирокластики. В кн.: Вулканогенно-осадочный литогенез (краткие тезисы IV Всесоюзного семинара) / отв. редакторы: Е.К. Мархинин, Г.М. Фремд. Южно-Сахалинск, 1974. С. 37-39.

13. Будников В. А., Мархинин Е.К., Овсянников A.A. Количество, распространение и петрохимические особенности пирокластики БТТИ // Геологические и геофизические данные о БТТИ. М: «Наука», 1978. С. 32-43.

14. Быстров В.А., Корытова И.В., Кутобаева Н.И. Исследование на примере Интинской ТЭЦ теплофизических свойств золошлакового материала печорского угля // Известия ВНИИГ. 1984. Т. 165. С. 59-65.

15. Ватин Н.И., Петросов Д.В., Калачев А.И., Лахтинен П. Применение зол и золошлаковых отходов в строительстве // Инженерно-строительный журнал, 2011. №4. С. 16-21.

16. Волженский A.B., Буров Ю.С., Виноградов Б.Н., Гладких К.В. Бетоны и изделия из шлаковых и зольных материалов. М.: Стройиздат, 1969. 392 с.

17. Влодавец В.И. Справочник по вулканологии. М: Наука, 1984. 340 с.

18. Гаврильев Р.И. Теплофизические свойства горных пород и напочвенных покровов криолитозоны. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1998.280 с.

19. Гаврильев Р.И. Теплофизические свойства компонентов природной среды в криолитозоне. Справочное пособие. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2004. 146 с.

20. Геокриологическая карта СССР. Масштаб 1:2 500 000 / Под ред. Э.Д. Ершова. Карт. Предприятие; Винница. Украина. 1997.

21. Гептнер А.Р. Палагонит и палагонизация // Литология и полезные ископаемые. 1977. №5. С. 113-130.

22. Гептнер А.Р., Пономарева B.B. Применение минералогочиского анализа для корреляции пеплов вулкана Шивелуч // Бюллетень вулканологических станций. 1979. №56. С. 126-130.

23. Герасимов И.П., Ильина Л.П. Современный вулканизм и почвообразование на Камчатке // Изв. СО АН СССР. 1960. № 10. С. 84-93.

24. Гирина O.A. Современные пиркластические отложения вулканов Камчатки и их инженерно-геологические особенности. Автореф. дисс. . канд. геол.-мин. наук. М., 1994. 23 с.

25. Гирина O.A. Пирокластические отложения современных извержений андезитовых вулканов Камчатки и их инженерно-геологические особенности. Владивосток, Дальнаука, 1998. 174 с.

26. ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация. М.: Изд-во стандартов, 1996. 35 с.

27. ГОСТ 12536-79. Грунты. Методы лабораторного определения гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава. М.: Изд-во стандартов, 1979. 18 с.

28. Грунтоведение / под редакцией В.Т. Трофимова. М.: МГУ и «Наука», 2005. 1024 с.

29. Гущенко И.И. Пеплы Северной Камчатки и условия их образования. М: «Наука», 1965. 144 с.

30. Действующие вулканы Камчатки / отв. ред. С. А. Федотов. М.:Наука, 1991. С. 214-415.

31. Ермаков В.А., Трубицын С.М. О кольцевых обрушениях в кратере Ключевского вулкана // Бюллетень вулканологических станций, 1966. № 40. С.25-36.

32. Ершов Э.Д., Данилов И.Д., Чеверев В.Г. Петрография мерзлых пород, М.: изд-во МГУ, 1987.312 с.

33. Ершов Э.Д., Гирина O.A. Криогенные типы вулканических отложений // Вести. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 1997. №6. С. 41-47.

34. Замолотчикова С. А. Камчатка / Геокриология СССР. Восточная Сибирь и Дальний Восток. М.: Недра, 1989. С. 339-351.

35. Замолотчикова С.А., Смирнова В.Н. Температура пород Камчатки // Мерзлотные исследования, выпуск XVIII. М.: изд-во Моск. ун-та, 1979. С.102-118.

36. Замолотчикова С.А., Смирнова В.Н. Мощность многолетнемерзлых горных пород Камчатки // Мерзлотные исследования, М.: изд-во Моск. ун-та, 1982. Вып. XX. С. 97-108.

37. Захарихина JI.B. Некоторые вопросы эволюции вулканических почв Камчатки // Вестник КРАУНЦ. Серия науки о Земле. 2005. №5. С. 127-144.

38. Захарихина JI.B. Особенности почвообразования и геохимии почв в условиях активного вулканизма (на примере Камчатки). Автореф. дисс. . докт. биол. наук. Новосибирск, 2009. 33с.

39. Злочевская Р.И. Связанная вода в глинистых грунтах. М.: Изд-во МГУ, 1969, 176 с.

40. Золошлаковые материалы и золоотвалы / под ред. В.А. Мелентьева, М.: Энергия, 1978. 294 с.

41. Зонн C.B., Карпачевский JI.O., Стефин В.В. Лесные почвы Камчатки. М.: Изд-во АН СССР, 1963.254 с.

42. Камчатка, Курильские и Командорские острова / Под ред. Ю.В. Лучицкого. М.: Наука, 1974. 439 с.

43. Карпачевский Л.О., Алябина И.О., Захарихина Л.В. Макеев А.О., Маречек М.С., Радюкин А.Ю., Шоба С.А., Таргульян В.О. Почвы Камчатки. М.: ГЕОС, 2009. 224 с.

44. Кирьянов В.Ю. О возможности корреляции пепловых горизонтов в плейстоценовых отложениях Центральной Камчатской депрессии // Вулканология и сейсмология, 1981. №6. С. 30-38.

45. Кирьянов В.Ю. Гравитационная эоловая дифференциация пеплов вулкана Шивелуч (Камчатка) // Вулканология и сейсмология. 1983. N 6. С.30-39.

46. Кирьянов В.Ю., Рожков Г.Ф. Гранулометрический состав тефры крупнейших эксплозивных извержений вулканов Камчатки в голоцене // Вулканология и сейсмология. 1989. N 3. С. 16-29.

47. Комаров И.А. Термодинамика и тепломассообмен в дисперсных мерзлых породах. М.: Научный мир, 2003. 608 с.

48. Кондратьев Г.М. Регулярный тепловой режим. М.: Гостехиздат, 1954. 408 с.

49. Конищев В.Н., Рогов В.В., Щурина Г.Н. Влияние криогенных процессов на глинистые минералы // Вестник МГУ. Серия 5. География. 1974. №4. С. 40-46.

50. Конищев В.Н. Формирование состава дисперсных пород в криолитозоне. Новосибирск: Наука, 1981. 195 с.

51. Конищев В.Н. Соотношение криогенных и некриогенных факторов гипергенеза в области вечной мерзлоты // Вестник МГУ. Серия 5. География. М., изд-во МГУ, 1988. №1. С. 8- 14.

52. Конищев В.Н., Рогов В.В., Поклонный С.А., Матковская М.А. Физико-химические типы криогенеза // В кн. Верхний горизонт толщи мерзлых пород. М., 1991. С. 9-14.

53. Конищев В.Н., Рогов В.В. Влияние криогенеза на глинистые минералы // Криосфера Земли. 2008. Т. XII. №1. С. 51-58.

54. Короновский Н.В., Общая геология. М.: изд-во МГУ, 2002. 448 с.

55. Корытова И.В. Исследование физических и теплофизических свойств мерзлого золошлакового материала печорского угля. JL: Известия ВНИИГ, 1986. С. 58-65.

56. Кочегура В. В., Зубов А. Г., Брайцева О. А. Магнитостратиграфия голоценовых почвенно-пирокластических образований Камчатки // Вулканология и сейсмология. 1986. №6. С. 3-18.

57. Кочерьян В.М. Влияние кедрового стланика на вулканические почвы Камчатки. Автореферат дис. канд. биол. Наук. М., 1991.23 с.

58. Кригер Н.И. Лёсс, его свойства и связь с географической средой. М.: Наука, 1965.296 с.

59. Кузнецова Е.П., Мотенко Р.Г., Вигасина М.Ф., Мельчакова Л.В. Связь минерального состава и скорости преобразования вулканического стекла // Мат-лы первого Российского совещания «Глины 2011». 201 la. С.75-76.

60. Кузнецова Е.П., Мотенко Р.Г. Теплопроводные характеристики вулканических пеплоа Камчатки // Мат-лы IV конф. геокриологов России. Кн. 1. М.: изд-во МГУ, 2011. С. 91-97.

61. Кузнецова Е.П., Р.Г. Мотенко, М.Ф. Вигасина, JI.B. Мельчакова. Исследование незамерзшей воды в вулканических пеплах Камчатки // Вестник МГУ. Серия Геология. 20116. №1. С. 62-67.

62. Кузнецова Е.П., Мотенко Р.Г. Минеральный состав как фактор влияния на теплопроводные свойства мерзлых вулканических пеплов Камчатки // Мат-лы 10 международной конференции по мерзлоте. Салехард, 2012 (в печати).

63. Куприна Н.П. Стратиграфия четвертичных отложений Центральной Камчатской депрессии и некоторые вопросы палеогеографии антропогена Камчатки. -Изв. АН СССР. Сер. Геол., 1966. №1. С. 125 139.

64. Курс общей геологии. Ленинград, Недра, 1976. 536 с.

65. Ливеровский Ю.А. Почвы равнин Камчатского полуострова. М., 1959. 130 с.

66. Ливеровский Ю.А. О вулканических пепловых почвах Камчатки // Почвоведение. 1971. № 6. С. 3-11.

67. Макеев А.О., Алябина И.О., Брайцева O.A. и др. Новые подходы к изучению почвенного покрова Камчатки. Роль почв в биосфере. Тр. Ин-та почвоведения. М.: Изд. Ин-та почвоведения, 2003. Вып. 2. С. 6-49.

68. Малеев Е.Ф. Вулканиты: Справочник. М.: Недра, 1980. 240 с.

69. Малинин О.И. Вулканические почвы лиственничных лесов. Автореф. дис. канд. биол. наук: 03.00.27. М., 1981. 28 с.

70. Маречек М.С. Пространственные закономерности вулканического педоседиментогенеза на территории Камчатки (компьютерная модель). Автореф. дисс. .канд. биол. наук. М., 2007. 23 с.

71. Маркин Б. П. Просадки в пепловых толщах Камчатки // Инженерная геология. 1980. №1. С. 61-75.

72. Маркин Б. П. Прочностные свойства пепловых грунтов Камчатки // Инженерная геология. 1983. №2. С. 39-47.

73. Мелекесцев И.В., Краевая Т.С., Брайцева О.А. Почвенно-пирокластический чехол и его значение для тефрохронологии на Камчатке // Вулканические фации Камчатки. М.: Наука, 1969. С. 61-71.

74. Методы геокриологических исследований, под ред. Ершова Э.Д. М.:изд-во МГУ, 2004.512 с.

75. Мотенко Р.Г. Теплофизические свойства и фазовый состав влаги мерзлых засоленных дисперсных пород. Дисс. канд. геол.-мин. наук,. М., 1997. 195 с.

76. Мотенко Р.Г., Тихонова (Кузнецова) Е.П., Ладыгин В.М., Фролова Ю.В. Фазовый состав влаги мерзлых вулканических пеплов и шлаков // Проблемы инженерного мерзлотоведения / Материалы VII Международного симпозиума в г. Чите. Якутск, 2007. С. 135-138.

77. Мотенко Р.Г., Кузнецова Е.П. Роль содержания льда и незамерзшей воды при оценке теплопроводности вулканических пеплов (Камчатка) // Лед и снег. 2011. №2, с. 99-104.

78. Наседкин В. В., Соловьева Т. Н., Гараев А. М., Магер А. В. Вулканический шлак и пемза. М: Наука, 1987. 128 с.

79. Певзнер М.М., Пономарева В.В., Сулержицкий Л.Д. Голоценовые почвенно-пирокластические чехлы Центральной Камчатской депрессии: возраст, строение, особенности осадконакопления // Вулканология и сейсмология. 2006. №1. С. 24-38.

80. Петрография и петрология магматических, метаморфических и метасоматических горных пород / под ред. B.C. Попова, O.A. Богатикова. М.: Логос, 2001.

81. Пийп Б.И. Ключевская сопка и её извержения в 1944-45 г. и прошлом // Труды лаб. вулканологии, вып. 11, 1956. С. 54-57.

82. Плюснина И.И. Инфракрасные спектры минералов. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1977. 175 с.

83. Пономарева В.В. Крупнейшие эксплозивные вулканические извержения и применение их тефры для датирования и корреляции форм рельефа и отложений. Автореферат дисс. докт. географ, наук. Москва, 2010. 53 с.

84. Справочник физических констант горных пород / под ред. С. Кларка мл. Изд-во «Мир», Москва, 1969. 544 с.

85. Соколов И.А., Таргульян В.О. Характеристика почвообразования на Камчатке // Тр. конф. почвоведов Сибири и Дальнего Востока. Новосибирск: Изд-во АН СССР, 1964. С. 200-210.

86. Соколов И.А. Современное почвообразование на Камчатке в зоне слабых пеплопадов//Почвоведение. № 10. 1972. С. 13-25.

87. Соколов И.А. Вулканизм и почвообразование. М.: Наука, 1973. 224 с.

88. Соколов И.А. О базовой классификации почв // Почвоведение. 1978. № 8. С. 58-64.

89. Сосков A.B. Влияние структуры и состава осадочных горных пород на их теплофизические свойства. Автореферат дисс. . канд. физ-мат. наук. Москва, 2000. 23 с.

90. Состав и свойства золы и шлака ТЭС. Справочное пособие / под ред. В.А. Мелентьева, JL: Энергоатомиздат, 1985. 288 с.

91. Таргульян В.О. Почвообразование и выветривание в холодных гумидных областях (на массивно-кристаллических и песчаных полимиктовых породах). М., 1971.267 с.

92. Теплофизические свойства горных пород / Под ред. Э.Д. Ершова. М.: Изд-во МГУ, 1984. 204 с.

93. Тихонова (Кузнецова) Е.П. Экспериментальные исследования теплофизических свойств вулканических шлаков / Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2006». М.: МГУ, 20066. С. 1011.

94. Тихонова (Кузнецова) Е.П. Фазовый состав влаги в мерзлых вулканических пеплах Камчатки (Ключевская группа вулканов) / XV Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2008». М.: МГУ, 2008. С. 5.

95. Топор Н.Д., Огородова Л.П., Мельчакова Л.В. Термический анализ минералов и неорганических соединений. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1987. 188 с.

96. Фазовый состав влаги в мерзлых породах, под ред. Ершова Э.Д. М.: МГУ, 1979. 192 с.

97. Цытович H.A. Механика мерзлых грунтов. М., 1973. 447 с.

98. Чистяков A.A., Макарова Н.В., Макаров В.И. Четвертичная геология. М.: Геос, 2000. 304 с.

99. Чеверев В.Г. Природа криогенных свойств грунтов. М.: Научный мир, 2004. 234 с.

100. Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. М. Изд-во физико-математической литературы, 1962.456 с.

101. Шевченко В.К. Камчатка // Основы геокриологии. Региональная и историческая геокриология мира (под ред. Ершова Э.Д.). М.: Изд-во МГУ, 1998. С. 380-388.

102. Щемелинин В.В. Исследование теплофизических характеристик грунтовых и негрунтовых материалов. Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, т.231. С.-Петербург, 1996. С. 212-221.

103. Яновский Ф.А. Изучение теплопроводности горных пород Камчатки // Вулканологические исследования на Камчатке (тезисы докладов конференции молодых ученых-вулканологов). 1988. С. 133-137.

104. Яновский Ф.А. О теплопроводности вулканогенно-осадочных пород Камчатки // Вулканология и сейсмология. 1989. №5. С. 77-84.

105. Abramov A., Gruber S., Gilichinsky D. Mountain permafrost on active volcanoes: field data and statistical mapping, Kluchevskaya volcano group, Kamchatka, Russia // Permafrost and periglacial processes, 2008. №19. P. 261-277.

106. Bindeman I.N., Ponomareva V.V., Bailey J.C., Valley J.W. Kamchatka Peninsula: a1 ftprovince with high-dl80 magma sources and large О/ О depletion of the upper crust. Geochimica et Cosmochimica Acta, 68/4, 2004. P. 841-865.

107. Braitseva O.A., Sulerzhitsky L.D., Litasova S.N., Melekestsev I. V., Ponomareva V. V. Radiocarbon dating and tephrochronology in Kamchatka. Radiocarbon, 35/3. 1993. P. 463-476.

108. Braitseva O. A., Melekestsev I. V., Ponomareva V. V., Sulerzhitsky L. D. The ages of calderas, large explosive craters and active volcanoes in the Kuril-Kamchatka region, Russia//Bulletin ofVolcanology. 1995. V. 57. № 6. P. 383-102.

109. Braitseva O.A., Ponomareva V.V., Sulerzhitsky L.D. et al. Holocene Key-Marker Tephra Layers in Kamchatka, Russia // Quaternary research. 1997. №7. P. 125-139.

110. Bridnley G.W. and D. Fancher. Kaolinite defect structures; possible relation to allophanes. Proc. Int. Clay Conf. 1969, №2. P.29-34.

111. Bleeker P., Parfitt R. L. Volcanic ash and its clay mineralogy at Cape Hoskins, New Britain, Papua New Guinea // Geoderma. 1974. N11. P. 123-135.

112. Brock B., Rivera A., Casassa G., Bown F., Acuna C. The surface energy balance of an active ice-covered volcano: Villarrica Volcani, Southen Chile // Annals of Glaciology. 2007. N45. P. 104-114.

113. Cas R.F., Wright J.V. Volcanic successions: Modern and ancient. London, Allen & Unwin, 1987. 528 p.

114. Clauser C., Huenges E. Thermal conductivity of rocks and minerals // Rock physics and phase relations. A handbook of physical constants. AGU Reference shelf 3. 1995. P. 105-126.

115. Connor C.B., Lichtner P.C., Conway F.M., Hill B.E., Ovsyannikov A.A., Federchenko I., Doubik Yu., Shapan V.N., Taran Yu.A. Cooling of an igneous dike 20 yr after instrusion // Geology, 1997. N25. P. 711-714.

116. Creton B., Bougeard, D., Smirnov, K.S., Guilment, J., Poncelet, O. Structural model and computer modeling study of allophane. J. Phys. Chem., 2008. N 112. P. 358-364.

117. De Paepe P., Stoops G. A classification of tephra in volcanic soils. A tool for soil scientists // Volcanic soils resources in Europe. Rala report. 2004. N214. P. 56-57.

118. Ebert H.-P., Hemberger F., Fricke J. Thermophysical properties of volcanic rock material // High temperatures High pressures, 2002. Vol. 34. P. 561-568.

119. Egawa T., Watanabe Y. Electromicrographs of the clay minerals in Japanese soils. Bull. Nat. Inst. Agric. Science. Tokio, Japane, 1964,NB14. P. 173-182.

120. Fisher R. V. Proposed classification of volcaniclastic sediments and rocks: Geol. Coc. America Bull., 1961. Vol. 72. P. 1409-1414.

121. Fisher R. V. Rocks composed of volcanic fragments and their classification: Earth-Science Reviews, 1966. Vol. 1. P. 287-298, doi: 10.1016/0012-8252(66)90010-9.

122. Fisher R. V., Schminke H. U. Pyroclastic rocks // Springer-Verlag. Berlin et al., 1984.472 p.

123. Furnes H. Chemical-changes during progressive subaerial palagonitization of a subglacial olivine tholeiite hyaloclastite a microprobe study// Chemical Geology. 1984. № 43(3-4). P. 271-285.

124. Gerard M., Caquineau S., Pinheiro J., Stoops G. Weathering and allophone neoformation in soils developed on volcanic ash in the Azores // European Journal of Soil Science, 2007. №58. P. 496-515.

125. Gill J.B. Orogenic andesite and plate tectonics. Berlin.: Springer-Verlag, 1981. 358p.

126. Glossary of geology and related sciences. Am. Geol. Inst., Washington, D.C., 1960. 325 p.

127. Henmi T., Wada K. Morphology and composition of allophane. American Mineralogist, 1976. N61. P. 379-390.

128. Iimura K. The chemical bonding of atoms in allophone, the "structural formula" of allophone // Proc. International Clay Conference. Tokyo, 1969. P. 161-172.

129. Jakobsson S.P. On the consolidation and palagonitization of the tephra of the Surtsey volcanic island, Iceland // Surtsey Prog. Rep. 1972. N 6. P. 1-8.

130. Jercinovic M.J, Murakami T., Ewing R.C. Alteration of basaltic glasses from north-central British Columbia, Canada. Geochim. Cosmochim. Acta. 1990. N54. P. 2679-2696.

131. Kirkman J.H., McHardy W.J. A comparative study of the morphology, chemical composition and weathering of rhyolitic and andesitic glass // Clay minerals. 1980. N15. P. 165-173.

132. Kuznetsova E.P., Motenko R.G., Vigasina L.V., Melchakova L.V. Allophane and palagonite as the product of volcanic glass alteration of different ages // Clays, clay minerals and layered materials, Moscow, 2009. P. 128.

133. Kuznetsova E., Motenko R. The influence of ice and unfrozen water content on the thermal conductivity of frozen volcanic ashes (Kamchatka) // Geophysical Research Abstracts, Vol. 13, EGU2011-340, 201 la.

134. Kuznetsova E., Motenko R. The influence of allophane appearance on the thermal conductivity of frozen volcanic ashes (Kamchatka) // Euroclay2011, Antalya, Turkey. 2011b. P. 95-96.

135. Kuznetsova E., Motenko R., Muravyov Ya. Physical and chemical properties of volcanic ashes of different ages (Kamchatka) // Materials of 7th biennial workshop on Japan-Kamchatka-Alaska subduction processes JKASP-2011. 2011. P. 269-267.

136. Ming D. W. et al. Geochemical and mineralogical indicators for aqueous processes in the Columbia Hills of Gusev crater, Mars, J. Geophys. Res., Ill, E02S12. 2006. doi: 10.1029/2005JE002560.

137. Motenko R.G., Kuznetsova E.P. Formation of phase composition of water in the frozen volcanic ashes (Kluchevskaya volcano group, Kamchatka). Proceedings of the eighth international symposium on permafrost engineering, China, 2009a. P. 518-521.

138. Motenko R.G., Kuznetsova E.P. Estimate of unfrozen water content for frozen volcanic ashes of different ages // Futuroclays meeting. Newcastle, 2009b. P. 26-27.

139. Nanzyo M. Unique properties of volcanic ash soils / Global environmental research. 2002. Vol. 6, issue 2. P. 99-112.

140. Neall V.E. Volcanic soils. // Land use, land cover and soils science / editored by Willy H. Verheye. Vol. VII, 2009. (www. eoloss.net)

141. Nürnberg D, Tiedemann,R Environmental change in the Sea of Okhotsk during the last 1.1 million years // Paleoceanography. 2004. N19, PA4011.

142. Okada K., Morikawa S., Iway S., Ohira Y. and Ossaka J. A structure model of allophone // Clay Sci. 1975. №4. P. 291-303.

143. Parfitt R.L., Henmi T. Structure of some allophone from New Zeland // Clay and clay minerals. 1980. Vol. 28. P. 285-294.

144. Parfitt R.L., Furkert R.J., Henmi T. Identification and structure of two types of allophone from volcanic ash soils and tephra // Clay and clay minerals. 1980. Vol. 28, №5. P. 328-334.

145. Parfitt R.L. Allophane in New Zeland // A review. Australian Journal of Soil Research. 1990. №28. P. 343-360.

146. Parfitt R.L. Allophane and imogolite: role in soil biochemical processes. Clay minerals. 2009. №44. P.135-155.

147. Paterson E. Specific surface area and pore structure of allophone soil clays // Clay minerals. 1977. N12. P. 1-9.

148. Peacock M.A. The petrology of Iceland, part I. The basic tuffs // Trans. Roy. Soc. 1926. Vol. 55. Part I. N3.

149. Peng Wenshi. IR-specra of minerals. Bejing: «Science», 1982.

150. Ponomareva V.V., Pevzner M.M., Melekestsev I.V. Large debris avalanches and associated eruptions on the Holocene eruptive history of Shiveluch volcano, Kamchatka, Russia. Bull Volcanol., 59/7. 1998. P. 490-505.

151. Ross C.S., Kerr P.F. Halloysite and allophane. U.S. Geological Survey Professional Papers. 1934. №185-189. P. 135-148.

152. Schmid R. Descriptive nomenclature and classification of pyroclastic rocks and fragments: Recommendations of the IUGS Subcommission on the Systematics of Igneous Rocks: Geology. Vol. 9. 1981. P. 41-43.

153. Shoji S., Masui J. Amorphous clay minerals of recent volcanic ash soils in Hokkaido (I): Soil Sci. Plant Nutr. (Toyko). 1969. №15. P. 161-168.

154. Shoji S., Masui J. Opaline silica of recent volcanic ash soils in Japan // J. Soil Sci. 1971. N22. P.101-108.

155. Shoji S., Saigusa M. Amorphous clay materials of Towada Andosoils: Soil Sci. Plant Nutr. (Tokyo). 1977. N 23. P. 437- 455.

156. Shoji S., Nanzyo M., Dahlgren R. Volcanic ash soils: genesis, properties, and utilization. Elsevier, 1993. 288 p.

157. Smith, Deane K. Nomenclature of the Forms of Crystalline and Non-Crystalline Silica, OSHA. 2007. http://www.osha.gov/SLTC/silicacrystalline/smithdk/nomenc.html.

158. Smith M.W., Tice A.R. Measurement of the frozen water content of soils. Comparison of NMR and TDR methods. CRREL Report 88-18, 1988. 41 p.

159. Solomina O., Pavlov I., Curtis A., Jacoby G., Ponomareva V., Pevzner M. Constraining recent Shiveluch volcano eruptions (Kamchatka, Russia) by means of dendrochronology // Natural Hazards and Earth System Sciences. 2008. Vol. 8, P. 10831097.

160. Sone T., Kazakov N. Mountain permafrost on the north slope of Mt. Ushkovsky, Central Kamchatka, Russia // Z. Geomorph. N. F. 2003. Vol. 130. P. 167-177.

161. Sone T., K. Yamagata, Y. Otsuki, Y. Sawada, M. Vyatkina. Distribution of permafrost on the west slope of Mt. Ichinsky, Kamchatka, Russia // Bulletin of Glaciological Research. 2006. N 23. P. 69-75.

162. Stoops G., Gerard M., Arnalds O. A micromorphological study of andosol genesis in Iceland // in Kapur, S., A. Mermut and G. Stoops (eds). New Trends in Micromorphology. Springer, Heidelberg, 2008. P. 67-90.

163. Tice A.R., Anderson D.M., Bani, A. The prediction of unfrozen water contents in frozen soils from liquid limit determinations // CRREL Report. 1976. P. 76-89.

164. Theng B.K.G., Russell M., Churchman G.J., and Parfitt R.L. Surface properties of allophone, halloysite and imogolite // Clay and Clay minerals. 1982. Vol. 30. № 2. P. 143149.

165. Thorseth I.H., Furnes H., Tumyr O. A textural and chemical study of Iceland palagonite of varied composition and its bearing on the mechanism of the glass-palagonite transformation // Cheochim. Cosmochim. Acta. 1991. N55. P. 731-749.

166. Tokashiki, Y., Wada, K. Weathering implications of the mineralogy of clay fractions of two Ando soils, Kyushu // Geoderma. 1975. N14. P. 47-62.

167. Udagawa S., Nacada T., Nakahira M. (1969) Molecular structure of allophane as revealed by its thermal transformation // Proc. Int. Clay Conf. 1969. №1. P. 151-159.

168. Van Breemen N., Buurman P. Soil formation (2d edition). USA, 2003. P. 285-306.

169. Van Olphen H. Amorphous clay minerals // Science. 1971. N 171. P. 90-91.

170. Wada K. A structural scheme of soil allophone // American mineralogist. N52. 1967. P. 690-708.

171. Wada S-I., Wada K. Density and structure of allophone // Clay Minerals. 1977. №12. P. 289-298.

172. Wada K. Allophane and imogolite // In: J.B. Dixon and S.B. Weed (ed.). Minerals in Soil Environments, 2nd Edition. 1989. Ch. 21. P. 1051-1087.

173. Waltershausen S. Uber die vulkanischen Gesteine in Sizilien und Island und ihre submarine Umbildung. In der Dietrischen, Gottingen, 1853.

174. Watanabe T., Sudo T. Study on small-angle scattering of some clay minerals // Proc. Int. Clay Conf. Tokio, 1969. N 1. P. 173-181.

175. Wentworth C. K., Williams H. The classification and terminology of the pyroclastic rocks //Natl. Acad. Sci.-Natl.Research Council. 1932. Vol. 89. P. 19-53.

176. White J.D.L., Houghton B.F. Primary volcaniclastic rocks // Geology. 2006. N34. P. 677-680.

177. Zaretskaya N.E., Ponomareva V.V., Sulerzhitsky L.D., Dirksen O.V. Radiocarbon dating of the Kurile Lake caldera eruption (South Kamchatka, Russia), Geochronometria. 2001. N20. P. 95-102.

178. Zaretskaya N.E., Ponomareva V.V., Sulerzhitsky L.D. Radiocarbon dating of large Holocene volcanic events within South Kamchatka (Russian Far East) // Radiocarbon. 2007. N49/2. P. 1065-1078.

179. Zhou Z., Fyfe W., Tazaki K., Van der Gaast S.J. The structural characteristics of palagonite from DSDP site 335 // Canadian Mineralogist. 1992. Vol. 30. P. 75-81.

Информация о работе

Кузнецова, Елена Павловна
кандидата геолого-минералогических наук
Москва, 2011
ВАК 25.00.08

Диссертация

Теплофизические свойства и фазовый состав влаги мерзлых вулканических шлаков и пеплов Камчатки - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы