Особенности переноса ионов химических элементов в мерзлых породах

Различают несколько механизмов переноса ионов химических элементов. Их соотношение определяется комплексом условий: внешних (температура, внеш­нее давление, концентрация засоляющего раствора, его состав) и внутренних (дисперсность, химико-минеральный состав, плотность и др.). Одним из основных механизмов переноса является концентрационная диффузии, которая развивается при разности концентраций во внешнем растворе и в грунте. Диффузия может ид- ■ и по пленкам незамерзшей воды, по границам кристаллов льда, а также возможно через объем льда. Спецификой процессов массопереноса в мерзлых породах яв­ляется наличие движущих сил миграции влаги за счет разности потенциалов воды в растворе и в грунте. При интенсивной миграции влаги из засоляющего раствора и мерзлую породу происходит перенос ионов за счет конвекции (Лебеденко, 1989). Наиболее благоприятные условия для развития концентрационной диффузии - на­личие пленок незамерзшей воды, максимальная толщина которых фиксируется в тонкодисперсных породах при высоких отрицательных температурах. Н грубодис­персных песчаных породах также происходит перенос ионов за счет диффузии не­смотря на полное отсутствие незамерзшей воды. Проводящей средой в этом случае является поровый лсд. Кроме того, перенос ионов в грубодисперсных породах не осложняется сорбционными процессами из-за малой сорбционной емкости. В об­ласти низких отрицательных температур, когда происходит вымерзание пленок незамерзшей воды значительную роль начинает играть поверхностная проводи­мость ионов. Движущими силами поверхностной проводимости ионов являются: градиент электрокинетивеского потенциала, возникший в результате разницы концентраций ионов на поверхности скелета породы, в поровом и внешнем рас­творе; адсорбционные силы, обусловленные взаимодействием с поверхностью час­тиц, электростатические, связанные с распределением электрического заряда по поверхностям отрицательно заряженных минералов и положительно заряженного порового льда др. (Лебеденко, 1989).

Соотношение механизмов переноса ионов определяется концентрацией и составом взаимодействующего раствора, а также зависит от внешнего давления. С увеличением концентрации раствора движущие силы массопереноса возрастают. Это приводит к увеличению интенсивности миграции влаги и ионов из раствора в грунт. Но одновременно увеличиваются и значения осмотического потенциала влаги, направленного от меньших концентраций к большим, т.е. из породы в рас­твор. Поэтому при высоких концентрациях раствора осмотическая составляющая сил миграции превышает действие поверхностных сил и водный поток направлен из породы в раствор. Таким образом, существует оптимальная концентрация внешнего раствора при которой конвективная составляющая потока ионов, а вместе с ней и общий поток ионов максимальны. Величина этой оптимальной кон­центрации различна в породах разного состава и зависит от их температуры [Ершов, Лебеденко, Чувилин, 1992]. Следует отмстить, что в миграции ионов тя­желых металлов диффузионная составляющая играет значительно большую роль, чем в миграции ионов легких металлов (Ershov et al, 1994).

Расстояние от зоны контакта,

см

	Рис. 1. Характер распределения ионов Sr*” по высоте образцов каолинитовой глины, взаимодействующей с 0.1 н раствором SrfNOj): при температуре -6иС на разные моменты времени: 1- 3 суток; 2- 7 суток; 3 - 14 суток; 4- 30 суток, 5 - 365 суток.
		6.
		Рис. 2. Кинетика изменения плотности миграционных потоков влаги (а) и ионов Sr*” (б) в мерзлой каолинитовой глине, взаимодействующей с 0.1 н раствором SrfNOsh при температуре -6иС