Текстурообразование в промерзающих и протаивающих породах
Билет № 1
Характеристики фаз и компонент, слагающих мерзлые породы
Мёрзлые породаы являются сложными многокомпонентными и многофазными системами, в них можно выделить следующие составляющие:
1.органоминеральный скелет, 2. лед, 3.незамершая вода 4. воздушная/газовая и 5.газогидрат.
Все перечисленные составляющие находятся в мерзлой породе во взаимодействии друг с другом и взаимообусловленно изменяются под влиянием внешних условий. Особо динамичной при этом оказывается грунтовая влага, которая при малейшем нарушении термодинамических условий существенно способна на фазовые переходы.
1.Особенности органо-минерального скелета( по лекции) :
-преобладание низних температур
-преобладание физического выветривания
-фазовые переходы
-миграция и сигрегационное льдовыделение
-физико-химические процессы(коагуляция, обезвоживание, диспергация..)
-химические процессы( понижение t => повышение растворимости CO2=> изменение pH)
-выпадение новых минералов (образование криогенных минралов)
При рассмотрении минеральной части мп обычно выделяют 4 групп минералов:
1) первичные не растворимые в воде (кварц, пш, слюдыы, роговые обманки и др.; присутствуют в виде обломков различного размера, образовавшихся в результате физического выветривания, не растворимы в воде); 2) вторичные нерастворимые в воде( присутствуют в породах в тонкодисперсном состоянии и представлены глинистыми минералами, которые отличаются высокой дисперсностью, большой удельной поверхностью и гидрофильностью);
3) вторичные растворимые ( гидрокарбонат Са и Мg, сернокислый Са, а также хлористыми и сернокислыми солями Na; по мере понижения t выпадают сначала карбонаты, а потом сульфаты); 4) органические и органо-минеральные соединения ( соли гуминовых кислот, хелаты, аргиллиты (в условиях метаморфизма и торф, торфяные грунты)
2.вода, лед, газогидраты ( братья и сестры, вспоминаем фазовые диаграммы воды и газогидрата)
теплота на оттаивание 334кДж/кг, теплота на сублимацию 2830кДж/кг, теплота на испарение 2260кДж/кг, фазовый переход гидрата 450-470кДж/кг
пучение воды – 9%, гидрата 20-26%.
Лед — кристаллическое тело, имеет около 15 модификаций, но самая распространенная — гексагональная.
Гидрат — кристаллическое тело, образование водой и газов и определенных термобарических условиях, имеет кубическую структуру. Газовый гидрат находится в равновесии при t=-81
Включения во льду:
Газы во льду:
-гипергенные( в зонах дробления)
-гипогенные( из атмосферы или замерзшей воды)
-воздушные включения разнообразной морфологии( могут быть внутри, либо между кристаллами)
-газовые включение под давлением могут быть до 15МПа
-по составу газы разлиные (СН4, N2, CO2,H2..)
Жидкие включения во льду:
-соль
-объемное таяние(ледники южного типа)
-лед имеет меньшую концентрацию, чем исходных замерзающий раствор.
Органические в-ва во льду:
-могут быть различными, например, торф ( лед принимает бурый цвет..)
Текстурообразование в промерзающих и протаивающих породах
При промерзании дисперсных пород в результате обезвоживания талой части породы за счет миграции влаги в мерзлую его часть происходит существенное преобразование структуры, плотности и прочности грунтов. Интенсивно развивающиеся при этом процессы диспергации и коагуляции , ориентации грунтовых частиц и агрегатов и укрупление структурных отдельностей породы самым существенным образом влияют на процессы влагопереноса в талой части породы. Формирование различных по размерам и форме агрегатов породы приводит к образованию разнообразных “дефектных зон”, которые приурочены к границам образующихся при структурообразовании агрегатов, отдельные границы таких агрегатов в процессе последующего развития напряжений усадки и набухания — распучивания в промерзающем грунте могут стать зонами концентрации существенных напряжений
Развитие процеса усадки и набухания—распучивания в промерзающих грунтах, с одной стороны, приводит к возникновению объемно-градиентных напряжений, в значительной мере способствующих преодолению сцепления грунта и зарождению сегрегационного прослоя льда, а с другой стороны, процесс усадки совместно с процессом структурообразования в определенной степени может предопределять( через формирование дефектных зон и зон концентрации напряжений) конфигурацию или тип будущей криогенной текстуры.
Тепловое условие шлирового льдовыделения: Qм-Qт=dQ, где Qм и Qт — количество тепла, проходящее соответственно через поверхность охлаждения в промерзшей зоне грунта и из талой зоны в мерзлую.
Зарождение микрослоев льда начинается вблизи фронта промерзания и достигает своего максимального развития вблизи границы смены направления деформаций, где обыкновенно фиксируется начало интенсивного льдовыделения. Эта граница предствляется практически границу равенства значений напряжений усадки и набухания-распучивания.
(много бла-бла.. вкратце — формирование ледяных прослоев связано с теплофизикой и напряжениями)
условие роста горизонтальных прослоев, параллельных фронту промерзания:
Рскалывающее+Ртонких пленок>Pсцепление прослоя льда+Рбытовое
условие роста вертикальных прослоев:
Русдаки-Рнабухания+распучивания>Pсцепление на разрыв
Сравнивая условия зарождения горизонтальных и вертикальных прослоев льда отмечаем: 1) вероятность зарождения прослоев льда, параллельных фронту промерзания, больше, потому что в этом случае действует сумма напряжений Рсклинавющее и расклинивающее давление пленочной воды(Ртонких пленок)
Формирование ледяных шлиров, перпендикулярных фронту промерзания, определяется разность напряжений давлений. Поэтому в мп чаще приходится наблюдать горизонтально расположенные ледяные прослои.
2) Область зарождения и роста по высоте промерзающего грунта горизонтальных прослоев больше, а следовательно, больше время их формирования.
3)вертикальных прослои льда будут зарождать при более низких отрицательных температурах, приближаясь к границе смены направления деформаций, то есть к плоскости равенства Русадки=Рнабух+распучивание.
Наложенные криогенные текстуры возникают в относительно однородных породах под влиянием процесса промерзания и не связаны с особенностью первичного сложения немерзлых грунтов. Среди наложенного типа криотекстур выделяется 3 вида: массивная, слоистая, сетчатую(блоковую).
1) Массивная криогенная текстура( ледяные шлиры визуально не прослеживаются) формируется когда при промерзании не может быть преодолено сопротивление грунта на разрыв, либо не выполняется теплофизическое условие криотекстурообразования (быстрое промерзание водо/неводонасыщ. Дисперсных пород).
2) Наложенная слоистая криотекстура( наличие протяженно-ориентированных и более-менее параллельных ледяных прослоев)
Формируется при соблюдении теплофизического и физико-механического условия формирования параллельных фронту промерзания сегрегационных прослоев льда.
3)Наложенная сетчатая криотекстура( ледяные шлиры образуют в плане сетку или решетку) образуется при обязательном выполнении теплофизического условия и физико-механических условия вертикального и горизонтального льдообразования.
Унаследованные криотекстуры(для их формирования также необходимо выполнение теплофизического и физико-мехнических условий формирования сегрегационного льда):
1)дефектно-прочностные текстуры( приурочены к зонам механического смятия, сдвигов, развивается по ослабленным участкам грунта)
2)контактно-напряженные( развивается по зонам контактов различных по тепло- и массообменным свойствам дисперсных пород)
3) текстуры, обусловленные наличием инородных включений
Криогенное текстурообразование в мерзлой части протаивающих гп
1) Массивная, существовавшая в мп до их оттаивания остается неизменной
2) Слоистая криотекстура в мерзлой части протаивающих пород формировалась при медленной скорости протаивания
3) Образования сетчатой при увеличении скорости протаивания по сравнению со слоистой
Унаследованные криотекстуры в мп при оттаивании, их образование аналогично, как и для промерзающих.
Билет № 2
- Взаимодействие фаз и компонент в мерзлых породах.
Грунты как многокомпонентная система.
Мёрзлые и вечномёрзлые грунты являются природными многофазными образованиями, состоящими из различных по своим свойствам компонентов, находящихся в различном фазовом состоянии, поэтому допущение об их однокомпонентности имеет смысл лишь в случае отсутствия в данном объёме грунта перераспределения во времени отдельных фаз грунта.
Таким образом, механика мёрзлых грунтов есть механика четырёхфазной системы, содержащей :твёрдые минеральные частицы; идеально-пластичные включения льда(лёд-цемент и лёд прослойков);воду в связанном и жидком состояниях; газовые компоненты: пары и газы.
Все перечисленные компоненты находятся в физико-химическом и механическом взаимодействии, интенсивность и формы которого зависят от температуры.
Твёрдые минеральные частицы оказывают существенное влияние на свойства мерзлых грунтов характеристики, которых зависят от размеров и формы минеральных частиц, физико-химической природы их поверхности, определяемой их минеральным составом и составом поглощённых катионов.
Существенно влияет на свойства грунтов форма частиц. Например, при плоской форме зёрен давление в точках контакта частиц практически равно внешнему давлению от нагрузки, тогда как при остроугольной форме- может достигать огромной величины. И интенсивность протекания физико-химических поверхностных явлений зависит от удельной поверхности частиц грунта, которая может достигать в глинистых грунтах 80 и более м2 /г.
Лёд , являясь обязательной компонентой мёрзлых грунтов в противоположность твёрдым минеральным частицам представляет собой мономинеральную криогидратную породу с весьма своеобразными физико-механическими свойствами. Кроме льда в грунтах могут содержаться и другие криогидратные минералы, например, углекислый натрий Na2 Co3 ,хлористый магний MgCl2 . Льдом называют все твёрдые модификации воды, независимо от их кристаллического или аморфного состояния. Различают несколько модификаций льда, образующихся при отрицательных температурах и соответствующих давлениях: три кристаллических модификации: 1,2,3,аморфную модификацию, образующуюся при «глубоком» замораживании и кристаллическую воду, существующую при высоких давлениях и положительных температурах. В мёрзлых грунтах содержится лёд 1-й модификации (существующий при температурах до –100°С и при обычных давлениях),он является важнейшей компонентой мёрзлых грунтов. Он имеет высокую анизотропию свойств, например, механические свойства его кристаллов в направлении перпендикулярном главной оптической оси подчиняются законам реологической механики, в параллельном же направлении–напротив, после упругих деформаций наступает хрупкое разрушение. Кроме того, электро- молекулярные связи льда значительно превосходят электро- молекулярные связи свободной воды, что и обусловливает адсорбцию свободной воды поверхностью льда.
Льдонасыщенность и характер распределения льда в разрезе многолетнемёрзлых пород во многом определяются условиями их промерзания. Лёд, распределённый в мёрзлой породе в виде различных по величине, в целом относительно небольших, но видимых глазом линз, пропластков, слоёв, зёрен и включений другой формы, а также заполняющий поры в породе(лёд-цемент), определяет криогенную текстуру.
Классификация генетических типов подземных льдов приведена в табл.1.6. Таблица 1.6
Генетические типы подземных льдов.
типы подтипы
Конституционные льды
Пещерно- жильные льды
Жильные льды
Пещерные льды
Погребённые льды
Конжеляционные льды
Осадочно-метаморфические
В зависимости от заполнения пор льдом различают (Шумский,1957) следующие виды льда цемента: контактный , находящийся в местах контакта частиц скелета; плёночный , обволакивающий поверхность частиц, оставляя часть пор незаполненными; поровый , заполняющий поры целиком; и базальный , образующий основную массу породы и разобщающий частицы минерального скелета.
Вода в жидкой фазе в мёрзлых грунтах, по крайней мере до температуры –70°С содержится в том или ином количестве. Вода бывает в двух состояниях: прочносвязанная поверхностью минеральных частиц, когда в следствие огромных электро- молекулярных сил, вода не в состоянии перейти в гексагональную кристаллическую решётку льда, даже при очень низких температурах..
Рыхлосвязанная вода переменного фазового состава, замерзающая при температурах ниже 0°С. Понижение температуры замерзания воды происходит в следствие того, что между слоем прочносвязанной и более «тёплой воды»существует энергетическая связь, что обусловливает более низкую температуру её кристаллизации.
Газообразные компоненты в мёрзлых грунтах могут играть в отдельных случаях существенную роль, так как они перемещаются от мест с большей упругостью к местам с меньшей упругостью, и в водо-насыщенных грунтах могут явиться причиной перераспределения влажности. Кроме того, газообразные компоненты претерпевают значительное сокращение в процессе понижения температуры, образуя вакуум обуславливающий миграцию влаги.
- Теплофизические свойства мерзлых пород.
. В немерзлых породах коэффициент пористости изредка превосходит 1.5-2.0; в мерзлых − добивается значений 3.0 -4.0, а часто и выше.
Теплофизические характеристики пород оцениваются 3-мя основными чертами: теплоемкостью, теплопроводимостью и температуропроводностью.
Теплоемкость грунта либо горных пород, охарактеризовывает их способность аккумулировать тепло. Различают удельную и объемную теплоемкость. Удельная теплоемкость грунта С численно равна количеству тепла, нужного для конфигурации температуры единицы его массы на 1 градус; единицей измерения является Дж/кг×К (ккал/кг×град либо кал/г×град). Большая теплоемкость Со численно равна количеству тепла, нужного для конфигурации температуры единицы размера грунта на 1 градус; измеряется в Дж/м3×К (ккал/м3×град). Значения удельной и большой теплоемкостей грунта соединены соотношением:
Со = С× ρ Дж/м3× К,
где ρ – плотность (большой вес) грунта (мерзлой породы) в кг/м3.
Для мерзлого грунта различают еще его свою и эффективную теплоемкость. Собственная теплоемкость мерзлого грунта численно равна количеству тепла, нужного для конфигурации на 1 град. единицы массы либо размера грунта. При сообщении тепла грунту принимается, что в нем соотношение воды и льда не изменяется.
Действенная теплоемкость мерзлого грунта численно равна количеству тепла, нужного для конфигурации температуры единицы размера либо массы грунта на 1 град. и фазового состава поровой воды в нем, т.е. учитывается к тому же сокрытая теплота фазового перехода. Действенная теплоемкость зависит от температуры мерзлого грунта.
Значения теплоемкости скальных пород и минералов отлично исследованы экспериментально. Удельная теплоемкость компонентов дисперсных пород (минерального скелета, льда, воды и газа) меняется в узеньких спектрах, кДж/кг×К (кал/г×град): Сск = 0,71-0,88 (0,17-0,21); Сл = 2,09 (0,5); Св = 4,19 (1.0); Сг = 1.02 (0,24).
Свойство горной породы либо грунта проводить тепло характеризуется величиной коэффициента теплопроводимости l. Этот коэффициент является показателем пропорциональности меж величиной удельного теплового потока и градиентом температуры в грунте. Коэффициент теплопроводимости выражается в Вт/м×К = Дж/с×м×К (ккал/м×час×град.).
Теплопроводимость воды, льда и воздуха линейно зависит от температуры. Так, к примеру, коэффициент теплопроводимости воды при температуре 4оС составляет 0,54, а при 20 град. – 0,60 Вт/м×К; l воздуха при 0 град равен 0,024, а при минус 23 – 0,022 Вт/м×К., т.е. с увеличением температуры значения растут. Теплопроводимость льда находится в пределах 2,22-2,35 Вт/мК (в зависимости от плотности) и возрастает на 5×10 -3 Вт/мК с снижением температуры на 1 град. К.
Посреди горных пород меньшей теплопроводимостью владеют угли: 0.10-0.20, сухие пески и крупнообломочные породы: 0.25-0.35 Вт/мК. Неплохим теплоизолятором является торф в воздушно-сухом состоянии. У мокроватых талых пород теплопроводимость растет в пару раз: пески – 1.7-2.6, глины – 1.2-1.6 Вт/мК. Те же породы в мерзлом состоянии имеют теплопроводимость на 20-30% выше за счет высочайшей теплопроводимости льда. Теплопроводимость сцементированных осадочных пород находится в большей степени в интервале значений от 1.0 – 3.0, пореже до 5.0 Вт/мК.
Температуропроводность (a) мерзлых горных пород, как и остальных тел, выражается коэффициентом температуропроводности а, характеризующим способность тела изменять свою температуру в данной точке под действием температуры в примыкающей точке этого же тела. С теплопроводимостью и теплоемкостью он связан соотношением a = .
Температуропроводность мерзлых пород, в особенности песочных, при большой влажности традиционно выше, чем «a» этих же пород в талом состоянии.
Билет № 3
- Термодинамика и энергия связи в мерзлых породах.
. Вся вода в грунтах,кроме свободной, удерживается за счет свободной поверхностной энергии минерального скелета породы(Еп).При взаимодействии с водой часть этой энергии затрачивается на связывание ионов двойного электрического слоя и грунтовой влаги(Ев). Еп-Ев=Ен неизрасходованная свободная поверхностная энергия грунтовой системы.Основная движущая сила влагопереноса по жидкой фазе - gradЕн,используют gradЕв — градиент энергии связи грунтовой влаги(Ев- полный термодинамический потенциал).Ев отнесенный к ед.массы называют хим.и изобарно-изотерм.потенциалом µw'.Измеряют относительный термодинамический потенциал µw=µw'(абсолютный хим.потенциал воды в грунтовой системе)-µ0(абсолютный химический потенциал свободной воды).µw имеет отрицательный знак. Μw – работа,которую нужно совершить ,чтобы обратимо и изотермически перевести 1г воды из объема свободной воды в грунтовую влагу. Μw= -Pw/p. Полный термодинамический потенциал состоит из суммы каркасного,осмотического,гравитационного,гидростатического,электрического и магнитного потенциалов влаги. С увеличением Т растет потенциал влаги.Дифференциальная влагоемкость Сw=(dWоб(влагосодержание)/dµw) количество воды,необходимой для изменения значения потенциала на 1.Большое значение Woб обуславливает возрастание µ и низкую Сw,потом Wоб уменьшается,µ резко возрастает, Сw немного уменьшается.В зависимости от дисперсности(при фиксированно w) энергия связи влаги с мин.пов.грунта изменяется на порядок(обратная зависимость).Хим.-мин.состав грунтов(гидрослюдистая-монтмориллонитовая глина характеризуется меньшим µ,чем каолинитовая глина)
Основной вопрос термодинамики грунтовой влаги — вопрос равновесия различных категорий влаги в дисперсных породах.Ввели Рр-расклинивающее давление тонких пленок — перепад давления при переходе через плоскую межфазную поверхность от жидкости,находящейся в тонком слое к объемной воде,граничащей с ним(от связной к свободной)В стыковой влаге перепад давления при переходе от паровой фазы к жидкой связан с кривизной менисков. В пленочной влаге кроме кривизны поверхности раздела влияет еще и минеральная подложка. Если в некотором элементе стыковой влаги давление понизится,чему отвечает уменьшение кривизны вогнутых менисков(возрастание влажности),то упругость паров в этом месте повысится и будет происходить перегонка пара в сторону менисков с меньшими радиусами кривизны,туда же,куда и жидкость.