5.2. Влагоперенос и льдовыделение в мерзлых породах

Влагоперенос в мерзлых породах с общих термодинамических позиций может быть обусловлен градиентом каркасно-капиллярного, осмотического, температурного, электрического и других потенциалов — частных составляющих общего термодинамического потенциала незамерзшей воды, что вызывает появление в грунтовой системе градиента незамерзшей воды (grad WH3). Выражение для плотности стационарного потока незамерзшей воды в мерзлой породе имеет вид

Iw = — λwm grad μw (5.3)

где λwm — коэффициент влагопроводности мерзлой породы.

Пароперенос и режим течения парогазовой смеси в порах дисперсной породы определяются главным образом соотношением между длиной свободного пробега молекул (L = 0,5*10^-5 см) и размерами пор — капилляров породы r. Если r < 10^-5 см, то закономерности паропереноса будут подчиняться теории кнудсеновского течения (для газов - течение при котором столкновения молекул друг с другом крайне редки), характеризуясь молекулярным (эффузионным) механизмом переноса. В мерзлых породах эффузионный механизм паропереноса практически не работает, поскольку ультрапоры и наиболее узкие участки точечных капилляров дисперсных пород, где может быть развита эффузия пара, в большей своей части оказываются заполнены связанной (незамерзшей) водой. При r>10-5 см возникают диффузия и молярный пароперенос. Причем если r > 10-3 см, то преобладает вязкостный режим течения, т.е. перенос пара осуществляется молярным (объемным) путем. Плотность стационарного потока парогазовой смеси при этом определяется законом Пуазейля (ламинарное течение вязкой жидкости в тонкой цилиндрической трубке) и оказывается прямо пропор­циональной градиенту общего давления и обратно пропорциональной вязкости газа. Наибольшее значение молярный пароперенос приобретает в крупнообломочных породах, в пустотах и трещинах скальных пород, а также в карстовых полостях.

Влагоперенос и льдовыделение в мерзлых породах под действием градиента температуры. Создание и поддержание в мерзлой породе градиента температуры приводит к возникновению градиентов потенциалов связанной воды (grad μw) и парообразной влаги (grad μp), а также градиентов концентраций насыщенных водяных паров (grad dH). Эти потенциалы вызывают в свою очередь перемещение незамерзшей воды и пара из мест с большим в места с меньшим потенциалом влаги, т. е. от участков с более высокой в участки с более низкой отрицательной температурой.

При существовании grad t в мерзлой породе происходит только перемещение влаги, но и сегрегационное льдовыделение (при сезонном промерзании пылеватых и глинистых отложений ­– образование прослоев льда через определенный промежуток) и развитие ряда сложных физико-химических и физико-механических процессов. По мере продвижения влаги в сторону более низких отрицательных температур плотность потока влаги в мерзлой породе снижается что приводит к вымерзанию избыточного количества незамерзшей воды.

Сильное обезвоживание высокотемпературной части мерзлого слоя приводит к развитию интенсивных усадочных процессов вплоть до возникновения здесь сети усадочных трещин. Выше этой зоны вначале происходит зарождение отдельных микрошлиров льда, которые, постепенно утолщаясь и удлиняясь, сливались между собой, образовав сплошной сегрегационный прослой льда. Образец мерзлой породы при этом увеличился в размере на толщину этого ледяного прослоя, т. е. зафиксирована деформация пучения. В мерзлых образцах каолинитовой глины (по сравнению с образцами монтмориллонитовой глины) при близких значениях grad t наблюдается более быстрый рост ледяного прослоя, что объясняется существованием в каолинитовой глине больших градиентов незамерзшей воды и больших коэффициентов диффузии влаги, которые и обеспечивают более высокие значения плотности потока W_нз.

В целом же, в условиях «закрытой» системы (без подложки льда к образцу), миграция влаги идет за счет перераспределения лишь собственных запасов влаги мерзлого грунта носит затухающий характер.

В условиях «открытой» системы (при наличии примороженного слоя льда у высокотемпературной части мерзлого образца), по сравнению с «закрытой», плотность миграционного потока W_нз под действием grad t существенно возрастает. Это приводит к формированию более мощного прослоя сегрегационного льда.

Приведенные выше экспериментальные данные получены в опытах длительностью менее месяца. В природных же условиях, где мерзлые породы характеризуются сложной криогенной текстурой с чередованием прослоев сегрегационного льда и минеральной породы, существующих не одну сотню и тысячу лет, по-видимому, также следует ожидать (при наличии достаточных grad t) роста одних прослоев льда за счет других. Иными словами, прослои льда, формирующиеся при более низкой отрицательной температуре, будут расти за счет высокотемпературных прослоев льда путем перераспределения льдистости. В результате возможно и изменение первоначальной криогенной текстуры мерзлых пород. Наиболее вероятен такой процесс в мерзлых породах сезоннопротаивающего и сезоннопромерзающего слоев, характеризующихся большими значениями grad t.

Влагоперенос в мерзлых породах при их взаимодействии с воздушной средой. При морозном иссушении дисперсных пород внешней движущей силой переноса незамерзшей воды является перепад давления водяных паров между воздушной средой Р_ср и поверхностью раздела «грунт — воздушная среда» Р_пов. По мере сублимации льда в мерзлой породе и выноса влаги в окружающую воздушную среду в породе формируется иссушенная зона, которая обнаруживается визуально по более светлой окраске. Граница фронта сублимации (мощность иссушенной зоны) в льдонасыщенных песках выражена наиболее четко и не размыта, как, например, это наблюдается в глинистых породах. Интенсивность сублимации льда в дисперсных породах не остается постоянной во времени, а закономерно снижается по мере углубления фронта сублимации. С увеличением содержания в грунтах глинистых и пылеватых частиц, минералов группы монтмориллонита, а также многовалентных катионов и степени засоления интенсивность сублимации возрастает. Это связано с увеличением W_H3 на фронте сублимации, а следовательно, grad W_нз и плотности потока незамерзшей воды. В песках, где незамерзшая вода практически отсутствует, перенос влаги осуществляется целиком за счет паропереноса. Наличие градиента влагосодержания в глинистых породах указывает на существенную роль в процессе внутреннего влагопереноса миграции незамерзшей воды к поверхности. Доля миграции незамерзшей воды в глинах может составлять существенную величину, достигая 50—70 % от общего потока влаги (пар + вода).

Скорость продвижения фронта сублимации в мерзлом грунте, фиксирующаяся визуально по изменению оттенка иссушенного грунта, а также по первому изгибу кривой распределения суммарной влажности по высоте образца, прямо пропорциональна величине I_с и обратно пропорциональна плотности скелета γ₀ и начальному суммарному влагосодержанию (W_нач = W_ест) породы.

Особенности влагопереноса и льдообразования в мерзлых породах под действием градиента механических напряжений, электрического поля и других внешних сил. В массивах мерзлых дисперсных пород в результате как естественно - исторического хода их развития, так и различных инженерных воздействий возникает и существует градиентное поле механичес к и х напряжений. Наличие перепада этих напряжений вызывает перемещение влаги в мерзлых породах из участков повышенного к участкам пониженного сжимающего давления, из участков с пониженным к участкам с повышенным растягивающим или сдвиговым напряжением. Среди механических напряжений, возникающих в мерзлых породах, широкое развитие имеют сдвиговые н апряжения. В плоскостях сдвига, где фиксируются максимальные напряжения между грунтовыми частицами и минимальные значения термодинамических потенциалов влаги μ_w, незамерзшая вода испытывает растягивающие напряжения, что и обеспечивает поступление сюда дополнительного ее количества под действием grad μ_w.

В удаленных от зоны сдвига слоях грунт подвергается обезвоживанию. В зоне сдвига наблюдаются перестройка криогенной текстуры и формирование микро- и макрошлиров льда.

Миграция влаги и льдообразование в мерзлых породах под действием градиента электрического поля. Механизм миграции влаги в этом случае представляется следующим. Электрическое поле, наложенное на образец мерзлого грунта, нарушает динамическое равновесие жидкой и твердой фазы воды и приводит к перемещению гидратированных катионов двойного электрического слоя к катоду. В этом же направлении движутся, и окружающие катионы слои связанной воды, увлекая за собой остальную жидкость.

Силы такого переноса вызывают перемещение в первую очередь наименее связанной воды от анода к катоду. Нарушающееся при этом равновесие твердой и жидкой фаз воды восстанавливается за счет того, что в анодной зоне некоторая часть льда переходит в воду и восполняет ее убыль. Поступившая в катодную зону незамерзшая вода оказывается избыточной, т. е. превышает равновесное содержание W_нз при данной температуре. Перераспределение влаги в мерзлом грунте под действием электрического поля оказывается весьма существенным. В катодной зоне (уже на шестые сутки опыта) при напряжении 2—3 В /см и средней температуре образца глины порядка —2°С грунт был вспучен, и в нем содержалось большое количество вновь образовавшихся ледяных шлиров. Этими экспериментальными данными была подтверждена также линейная зависимость скорости электрокинетического перемещения незамерзшей воды от напряжения электрического поля.

Влагоперенос и льдовыделение в мерзлых породах под действием осмотических сил (в безградиентном температурном поле). Этот процесс неразрывно связан с диффузией солей в мерзлой породе, с миграцией химических элементов в мерзлых толщах. Действительно, при взаимодействии мерзлых пород с солевыми растворами происходит одновременное развитие двух взаимообусловленных процессов: миграции ионов солей и незамерзшей воды. При этом может иметь место как нормальный, так и обратный осмос влаги. При нормальном осмосе миграция влаги в направлении, противоположном потоку ионов, приводит к осмотическому осушению, сопровождающемуся усадкой породы образца. Однако этот процесс имеет место лишь при взаимодействии мерзлых пород с высококонцентрированными растворами. Чаще всего в мерзлых породах происходит обратный осмос воды, т. е. миграция ее в одном направлении с потоком ионов. Связано это с тем, что общий термодинамический потенциал контактирующего раствора оказывается выше, чем у незамерзшей воды мерзлого образца.

Экспериментальные исследования показывают, что при контакте насыщенных растворов или кристаллов солей с мерзлыми образцами каолинитовой глины при температуре — 4°С происходит осмотический перенос незамерзшей воды из породы в контактирующую с ней соль. При этом кристаллы соли растворяются, переходя в раствор, а мерзлая порода вблизи контакта иссушается. По мере уменьшения концентрации контактирующего с мерзлой породой раствора нормальный: осмотический поток влаги уменьшается, достигая при некоторой критической концентрации нулевого значения. При критической концентрации раствора общий термодинамический потенциал воды в грунте равен осмотическому потенциалу воды в растворе и наступает состояние термодинамического равновесия. Критические значения концентрации контактирующего с породой раствора С_кр определяются составом, строением пород, а также внешними термодинамическими условиями. Величина С_кр возрастает с повышением дисперсности и понижением отрицательной температуры. Для песков, взаимодействующих с раствором NaCl, C_kp составляет менее 0,1 г*моль / л, для глин – более 5 г*моль / л.

ЛЕКЦИЯ 6. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПРОМЕРЗАЮЩИХ И ПРОТАИВАЮЩИХ

ГОРНЫХ ПОРОДАХ

6.1. Химические реакции и процессы в промерзающих

и протаивающих породах

В дисперсных породах при промерзании, протаивании и в мерзлом состоянии практически идут те же химические реакции, что и в немерзлых породах. Это реакции растворения, гидратации, гидролиза, замещения, окисления — восстановления, ионного обмена и др. Протекание их в криолитозоне характеризуется рядом специфических черт. Так, реакции растворения характеризуются пониженной интенсивностью, поскольку с понижением температуры растворимость различных солей существенно уменьшается. По-видимому, из-за невысоких температур в криолитозоне широко распространены продукты химического взаимодействия между растворенными веществами молекулами воды: гидраты и кристаллогидраты. Реакции катионного обмена, вероятно, имеют преобладающее значение для мерзлых пород, поскольку незамерзшая вода представляет собой весьма концентрированный раствор, ионы которого активно взаимодействуют с ионами минеральной поверхности пород. Для криолитозоны характерны отчетливо выраженная специфичность в проявлении геохимических процессов. Свободная вода оказывает существенное влияние на сезонномерзлые породы только в теплый период года. Основная же роль принадлежит связанной (незамерзшей) воде, находящейся во взаимодействии и динамическом равновесии со льдом и горной породой.

Грунтовые воды, как правило, характеризуются повышенным содержанием углекислоты, так как с понижением температуры резко возрастают растворимость газов (в том числе и СО₂) в водных растворах и содержание органического вещества, (в почвах Большеземельской тундры содержание свободной Н₂СО₃ достигает 200 мг/л, а иона НСО₃ - 650 мг/л). От рН среды зависят характер протекания многих химических реакций и поведение компонентов горных пород. Кислая среда более агрессивна, химически активна, она интенсивно разлагает силикаты, в ней сильнее, по сравнению с нормальной и щелочной - идут реакции гидролиза.

Специфика развития геохимических процессов в мерзлых породах связана также с содержанием атомарного водорода (восстановителя) и кислорода (окислителя). При фазовых превращениях воды в лед выделение водорода может достигать значительных величин, (при переходе 1 м³ воды в лед выделяется 120 г/моль атомарного водорода). В криолитозоне, для которой характерна большая влажность пород, доступ кислорода в породы затруднен. Поэтому кислородная поверхность, характеризующая, распространение свободного кислорода по глубине земной коры, на севере поднимается вверх, достигая в заболоченных местах поверхности земли. В итоге в мерзлых породах криолитозоны должна преобладать восстановительная обстановка, что приводит к повышению содержания двухвалентного железа Fe²⁺ и формированию его закисных соединений (сидерита, пирита и др.). Отличительную особенность в криолитозоне имеют процессы образования органического вещества. Превращение растительных и животных остатков в органическое вещество вследствие замедленности биологических и биохимических реакций здесь протекает недостаточно интенсивно. В результате процесс разложения остатков (гумусообразование) завершается на менее зрелой стадии. Это приводит к формированию не гуминовых (конечная стадия разложения), а фульвокислот, отличающихся светлой окраской. В тундровых почвах содержание, фульвокислот может достигать 70%, а на гуминовые приходится лишь 10—15% гумусовых веществ. Фульвокислоты, так же как и гуминовые, представляют собой группу близких между собой высокомолекулярных соединений, состав которых отличается от гуминовых кислот меньшим содержанием углерода и азота и большим – кислорода и водорода. Емкость обмена, подвижность и химическая активность их больше, чем гуминовых кислот. Благодаря высокой кислотности фульвокислоты разрушающе действуют на минералы и равномерно пропитывают почву. Более вязкие и менее подвижные гуминовые кислоты в почве способствуют формированию комковатой, ореховатой структуры.

Химические процессы при однократном промерзаний пород. При промерзании рыхлых отложений в первую очередь происходит образование твердой фазы воды — льда, который является новым минеральным образованием. Гравитационная, капиллярная и слабосвязанная пресная вода кристаллизуется при близких к 0°С отрицательных температурах. Пленочная вода, как правило, замерзает в широком диапазоне отрицательных температур, соленые воды с минерализацией более 30 г/л кристаллизуются лишь при температурах, близких к —1,5 —2⁰С, а рассолы могут не замерзать при —20 ⁰С и ниже. При этом замерзание воды обычно сопровождается резко, выраженной дифференциацией солей между твердой и жидкой фазами воды. Часть солей, растворенных в воде, оказывается вовлеченной в лед, часть наименее растворимых солей выпадает в осадок, а часть легкорастворимых солей отжимается в нижележащие слои воды, что приводит к увеличению минерализации этих вод.

Ниже границы промерзания воды оказываются сильно минерализованными за счет отжатия из промерзшей толщи легкорастворимых солей (хлоридов кальция, магния, натрия и гидрокарбонатов натрия). В результате такого криогенного концентрирования отжимаемых вод образуются весьма высокоминерализованные (концентрация их может достигать 200 г/л и более) подмерзлотные (а иногда и межмерзлотные) воды (криопэги).

Наряду с этим для области развития мерзлых пород характерно образование газов в гидратной форме - газогидратов. Основа кристаллической решетки газогидрата построена из молекул воды. Молекулы газа — гидратообразователя размещены во внутренних полостях кристаллической решетки. Сама по себе такая кристаллическая решетка воды (без молекул газа) термодинамически неустойчива и в обособленном виде существовать не может. В природных условиях наиболее часто эту структуру кристаллической решетки заполняют молекулы метана, этана, сероводорода и углекислоты. При внедрении газа в решетку воды происходит затвердевание, и вода из жидкого состояния переходит в твердое. Теплота фазовых переходов для газогидратов составляет около 0,5 кДж/г. При тепловом облучении и взаимодействии с водой газогидрат с шипением разлагается, интенсивно выделяя газовые пузырьки.

Химические процессы в мерзлых породах. В период существования пород в мерзлом состоянии (многолетнемерзлом или сезонномерзлом) объемная фаза воды отсутствует. Причины этого заключаются в недооценке роли незамерзшей воды. Было установлено наличие существенных реакций катионного обмена между породой и связанной водой, доказана возможность обмена катионов непосредственно между смоченными твердыми частицами грунта через адсорбированные пленки воды, обнаружено значительное превышение концентрации веществ в пленочной воде по сравнению с водой пор. В мерзлых породах в связи с отсутствием свободной влаги отвод химических компонентов из незамерзшей воды, казалось бы, не должен происходить. Однако процессы массопереноса в них протекают достаточно интенсивно, так как в незамерзшей воде происходит диффузия ионов, что приводит к выравниванию концентрации растворенных веществ. Наряду с этим в мерзлых породах наблюдается течение пленок незамерзшей воды, что также обеспечивает конвективный перенос ионов и растворимых веществ с мигрирующей водой.

Химические процессы при многократном промерзании - протаивании пород. В отличие от многолетнемерзлых пород химические реакции в сезоннопротаивающих породах протекают значительно интенсивнее и характеризуются явной периодичностью. Пульсационный характер взаимодействия породы с водой (связанной и свободной) и фазовые переходы воды в лед и обратно должны приводить к резкой интенсификации процесса химического выветривания сезонномерзлых пород. В слое сезонномерзлых пород (уже на самой первой стадии их выветривания) возникает интенсивное химическое преобразование под действием процессов гидролиза, выщелачивания, окисления, гидратации и миграции коллоидов и происходит четко выраженное новообразование глинистых и других минералов. Исследования (М.А.Глазовской) в условиях Антарктиды показали, что в 10—15-сантиметровом поверхностном слое пород при хорошем доступе кислорода также идут окислительные процессы и накапливаются оксиды МnО и Fe₂O₃, которые и определяют охристо-ржавый или оранжево-красный цвет железистых и марганцевистых выделений на обломках пород. Ниже по слою встречаются уже продукты вымывания, и наблюдается явление карбонатизации. Здесь аккумулируются более подвижные продукты выветривания: углекислый кальций и кальций, не вскипающий при реакции с НСl.

Приведенные выше результаты обнаруживают достаточно близкое сходство с данными, полученными для холодных тундровых и таежных почв, среди которых преобладают неглеевые (подзолистые, Аl - Fe-гумусовые) мерзлотные почвы и реже встречаются глеевые слабо дренированные. Химические элементы в неглеевых почвах по миграционной способности (В.О. Таргульян) располагает в следующий ряд: Si>Fe>Ti>Al. Силикатные формы, образующиеся в результате реакций гидролиза, оказываются сравнительно подвижными в кислой среде и выносятся из почвенного профиля. Железо, титан и алюминий в кислой среде оказываются слаборастворимыми, поэтому они обычно остаются в почвенном профиле в виде оксидов (Fe₂O₃, ТiO₂, Аl₂О₃) и гидроксидов (Аl(ОН)₃, Fe(OH)O). При этом в криолитозоне в ходе гумификации образуется одна из наиболее агрессивных и подвижных форм гумуса — фульвокислота, которая при движении вниз с почвенным раствором разрушает гидроксиды и минералы силикатов, образуя различного рода органо-минеральные соединения (оксалаты (соли и эфиры щавелевой кислоты), хелаты (комплексные соединения, образующиеся при взаимодействии ионов металлов с полидентными, т.е. имеющие несколько центров, лигандами), фульваты (водорастворимые электролиты, которые вырабатываются почвенными организмами) и адсорбированные органо-минеральные соединения).

Фульваты и оксалаты, как наиболее подвижные соединения, выносятся из почвенного профиля, а хелаты и адсорбированные органо-минеральные соединения быстро теряют свою подвижность и задерживаются в иллювиальном горизонте (почвенный горизонт, в котором накапливаются вещества, вынесенные из верхних горизонтов). При этом образуются окрашенные в коричневые тона А1 — Fe-гумусовые пылевато-глинистые горизонты. Одновременно с этим могут образовываться и собственно гумусовые горизонты и горизонты А1 — Fe-гумусовые с соединениями титана. Таким образом, в этих иллювиальных горизонтах происходит накопление соединений титана, алюминия, железа (Ti — Al — Fe) и гумуса, т. е. по (В.О. Таргульяну), осуществляется характерный для почвообразования в криолитозоне процесс «тиальферризации». Несколько иными оказываются химические и физико-химические процессы, протекающие в глеевых (плохо дренируемых и переувлажненных) почвах, широко развитых на севере европейской части РФ и в пределах сибирских (приморских) низменностей. Эти почвы обычно характеризуются преобладанием тонкодисперсного (пылеватого) материала, восстановительной обстановкой и кислой реакцией среды. Четко выраженные иллювиальные горизонты в профиле глеевых почв обычно отсутствуют. В профиле глеевых и глеево-подзолистых почв, развитых, например, на тяжелых суглинках, происходит уменьшение содержания Fe₂O₃ и А1₂О₃ при одновременном относительном обогащении профиля кремнеземом. Повышенная подвижность железа при этом связана с переходом его в восстановительных условиях в закисную форму Fe(OH)₂ которая не выпадает в осадок из раствора до значения рН ≈ 5—6. Особое значение для понимания развития геохимических процессов в криолитозоне, и особенно в циклически промерзающих — протаивающих породах, имеет химическая дифференциация продуктов выветривания, тесно связанная с миграционной способностью химических элементов. Натрий, калий, кальций, магний, сульфат и хлор-ионы оказываются в пределах криолитозоны весьма высокоподвижными и мигрируют во всех водах в растворенных формах. Силикатная форма кремния мигрирует преимущественно в виде моно и поликремниевых кислот, которые выносятся в растворенном состоянии почвенными водами. Некоторое количество кремниевых кислот (до 40 %) может переноситься в гелеобразной и коллоидной формах в комплексе с органическим веществом. Несиликатная форма кремния SiO₂ в области криолитозоны характеризуется практической неподвижностью. До 70—90 % алюминия в пределах криолитозоны мигрирует в коллоидной форме и в форме комплексных соединений с гумусовыми кислотами. Железо (Fe²⁺ и Fe³⁺) вне криолитозоны характеризуется весьма слабой подвижностью. В холодных гумидных условиях 90—98% общего содержания железа мигрирует в коллоидных формах. В северных условиях значительно более подвижными становятся также и некоторые микрокомпоненты (Ti, Zn, Cu, Ni и др.), которые переносятся обычно не в виде простых ионов, а в коллоидной форме либо в форме комплексных ионов.