Акустические свойства мерзлых пород

. При внешних динамических воздействиях в МП распространяются упругие колебания( продольные, поперечные, поверхностные и др). Применяют аку­стический (ультразвуковой) методдля изучения упругих свойств МП. Параметры: ско­рости распространения упругих волн: v_p — продольных(наиболее изучена), v_s — по­перечных, v_R — поверхностных. Другие Акустические параметры, в том числе показа­тели поглощения волн, спектральные характеристики, исследова­ны слабо.

При переходе пород в мерзлое состояние v увелич-ся, (из-за фаз. превращений при промерзании и появлением нового компонента льда.)V льда больше(v_р = 3500—4000 м/с), чем v воды (v_р==1450 м/с). На скоростные характеристики МП влияет форма льдовыделения и все факто­ры, определяющие количество и форму выделения льда и содер­жание незамерзшей воды: минеральный и гранулометри­ческий состав, пористость, W, минерализация поровой влаги, t и др.Высокими скорости у мерзл. скальн. пород (минеральный ске­лет- один из самых высокоскоростных компонентов МП) :v_p=5000—7000 м/с у ГП основного состава, для кислых v_p=4000— 6000 м/с, у осадочных еще меньше. Трещиноватость и по­ристость значительно понижают значения v_p, так как для газо­вого компонента v_p=340 м/с.

Рис. 9.5. Температурные зависимости скоростей продольных волн о_р: а — для скальных пород различного состав а: — базальт монолитный; 3 — то же, кавернозный; 2— гранит монолитный; 4 — песчаник водонасыщенный; 5 — то же, сухой ; б — для дисперсных лород различного состава: 1 — песок; 2 — суглинок; 3 — глина ; в — при различной скорости глубокого охлаждения: 1 — при быстром; 2 — при медленном охлаждении; г — при изменении содержания не­замерзшей воды; д — при различной степе­ни засоления: 3 — NaCl; е — для слоистых криотекстур: 1—вдоль слоистости; 2 — поперек слоистости

При промерзании воздушно-сухих пород с небольшими W, v_p так же, как и v_s, суще­ственно не меняется (рис. 9.5, а). При промерзании влажных по­род значения v_p(v_s) возрастают более резко в интервале от 0 до -2°С и далее слабо меняются (до —20:-30°С)

Для скальных пород соблюдается следующее: v_p талых монолитных пород >v_P мерзлых трещиноватых>v_P талых, трещиноватых.

В дисперсных породах измене­ние v_p при промерзании зависят от состава пород (рис.9.5, б)( max у крупнообомочных и песчаных).

Температурная зависимость v_P в мерзлых глинах характеризу­ется небольшим скачком скорости l0-20% при переходе через 0 и значительным возрастанием ее при дальнейшем понижении t.

Для дисперсных увеличение влажности приводит к увеличению v_P. Для глин характерны бо­лее резкое возрастание v_p для песков, и более низкие значения v_P. Возрастание v_P волн с повышением степени заполнения пор связано с уменьшением содержания газовой компо­ненты и цементацией породы льдом.

Увеличение степени минерализации (рис. 9.5, д). песков вызывает смещение температуры, при которой происходит резкое возрастание v_{p от нуля вниз.}

Криогенной строение МП: слоистость ведет к анизотропии, v_pвдоль >= v_p вкрест слоистости.

Про v_s b v_r :изучены меньше, в целом характер зависимости-как у v_p; v_s\v_r= 0,5.

По этим трем скоростям можно посчитать Ed(Мод Юнга), коэф пуассона, мод сдвига,мод объемного расширения. Модули упругости возрастают с понижением t. Значения модулей, определяемых акустическим методом, и статическихнеравны между собой.

Рис. 9.7. Связь между акустическими параметрами и прочностными характеристиками МП1- глины; 2 — пески; 3 — суглинки

Билет № 11

1. Процессы массопереноса и льдовыделения в промерзающих породах различного состава и строения при различных термодинамических условиях.

Процесс промерзания-протаивания дисперсной породы вызывает резкое нарушение термодинамического равновесия системы и проявляется в динамическом сосуществовании мерзлой, промерзающей и талой зон и возникновения подвижной границы раздела фаз, т.е. фронта промерзания-протаивания. Все это возможно только при наличии градиента температур, и сопровождается фазовыми переходами и миграцией влаги из талой зоны в мерзлую.

Мерзлая зона протаивающей и промерзающей породы будет определять миграцию влаги. Связано это с тем, что градиент отрицательных температур приводи к созданию и развитию градиентов потенциала влаги и давления (grad μ, grad P) , и по жидкой и парообразной фазам (grad W_­нз­, grad d_{­п­) .} ­Градиенты вызывают движение жидкой и парообразной фаз влаги от большего к меньшему.

Градиент температуры в мерзлой зоне промерзающих-протаивающих пород обеспечивает возникновение градиента термодинамического потенциала влаги, а значит массоперенос в мерзлой зоне. Это вызывает перемещение некоторого количества влаги из талой части в мерзлую, и приводит к формированию градиентов и развитию процессов миграции.

Льдонакопление и сегрегационное льдовыделение (т.е. зарождение и рост прослоев льда, происходят не на самой границе промерзания-оттаивания, т.е. выше это границы в мерзлой части породы, определяется теплофизическими и физико-механическими условиями. Наиболее интенсивное льдонакопление фиксируется на участках крутого изгиба кривых μ_­w и W_­нз­=f(x). Поскольку происходит резкое изменение движущих сил миграции, а так же плотности миграционного потока влаги.

1. Теплофизические свойства мерзлых пород.

Тепловые свойства пород определяют процессы переноса тепла в многолетне- и сезонномерзлых породах, которые являются первопричиной формирования различного рода энергомассообменных процессов( криогенное пучение, осадка, термокарст и др)

Теплоперенос в породах осуществляется тремя способами: излучением, конвекцией и кондуктивным путем.

В дисперсных породах перенос путем излучения не превышает процента от величины суммарного теплопотока.

Конвективный перенос тепла определяется переносом массы путем фильтрации, инфильтрации, диффузии или миграции.

В дисперсных породах с различным фазовым составом (газ, жидкость, твердое тело) природа кондуктивной теплопроводности различна. В газах тепло передается от частицы к частицы через соударение и изменение кинетической энергии. Жидкости – за счет броуновского движения. В твердых телах при повышении температуры усиливаются колебательные движения атомов или молекул в узлах решетки. С понижением температуры теплопроводность кристаллических тел увеличивается, а аморфных твердых тел, воды и газа уменьшается.

Теплофизические свойства пород при кондуктивной передаче оцениваются 3 основными характеристиками:

· Теплоемкость – количество тепла, которое необходимо сообщить единице массы или объема породы, чтобы изменить ее температуру на один градус. Различают удельную теплоемкость (С) (Дж/(кг*К), кал/кг*^оС) и объемную теплоемкость (Ср) (Дж/м³*К). Существует также эффективная теплоемкость (С­_эф­), в которое учитывается не только обычное тепло, но и скрытая теплота фазового перехода. Теплоемкость мин.скелета – 0,71-0,88; льда – 2,09; воды – 4,19; газа – 1,02; торф – 0,8-2,1 кДж/кг*К. Теплоемкость является аддитивной величиной и представляет собой сумму произведений удельных теплоемкостей каждой составляющей породы на величину их массы.

· Коэффициент теплопроводности (λ, Вт/м*К) характеризует породу в отношении способности переносить тепловую энергию, численно равен потоку тепла, проходящего через единицу площади породы в единицу времени при температурном градиенте, равном 1. λ=Ср*а.

· Коэффициент температуропроводности (а, м²/с) оценивает породу в отношении инверсионности развития температурного поля.

Тепловые свойства зависят от состава, строения и состояния пород, их генетиеских особенностей и термодинамических условий существования.

Билет