Изучение происхождения, развитие, свойства и хозяйственное использование мерзлых почв

11-12-2013: UEFIMA.RU:  Доклад Геокриология - Научная дисциплина, изучающая происхождение, развитие, свойства и хозяйственное использование мерзлых почв, грунтов; мерзлотоведение. Раскрыты такие темы как: Распределение мерзлоты по земному шару. Основные понятия геокриологии: Геокриология - естественно-историческая наука геологического цикла, изучающая законы формирования и развитие в пространстве и времени мерзлых горных пород, а также мерзлотных геологических процессов и явлений. Цель геокриологии: познание мирового развития толщ мерзлых пород, необходимое для изучения и управления мерзлотным процессом.

Строительство туннелей

Для России развитие геокриологии особенно актуально, так как 67% территории страны находятся в зоне распространения мерзлых пород.

Основные типы пород с точки зрения геокриологии

Мерзлые породы - геологические образования, характеризующиеся отрицательной температурой, влажностью, превышающей влажность незамерзшей (пленочно-связанной) воды при данной температуре, и льдом, цементирующим минеральные частицы или заполняющим пустоты, поры и трещины в породе.

Охлажденные породы - не содержат льда, но включают незамерзающую воду.

Криопэги - подземные воды (соленые и рассолы), находящиеся при отрицательной температуре.
Талые породы - оттаявшие породы, прежде находившиеся в мерзлом состоянии. При промерзании породы формируется специфический состав и строение, которые после оттаивания определяют специфические особенности пород - посткриогенное строение.

Немерзлые породы - породы, никогда не промерзавшие.
Мерзлые дисперсные горные породы - многокомпонентные, многофазные, капиллярно-пористые коллоидные системы.

Особенности мерзлых, главным образом дисперсных, горных пород

Термодинамические: нахождение льда и незамерзшей воды в постоянном динамическом равновесии, вследствие чего порода высокочувствительна к изменению термодинамических условий.

По составу: химическому - содержат комплекс водорастворимых солей, характерно повышенное содержание углекислоты, восстановительная среда, условия, способствующие консервации биотических останков, образование водородных соединений;
минеральному - образование гидрослюд и монтмориллонита, накопление вивианита, пирита, марказита, сидерита и т.д., развитие карбонатизации и сульфатизации;
гранулометрическому - преобладание обломочных разностей, слабая сортировка, преобладание пылеватой фракции (0,05-0,01 мм).

По строению: развивается специфическая криогенная текстура (в частности, слоистая, сетчатая, порфировидная, линзовидная, массивная). Характерна монолитность (сцементированность минеральных частиц льдом).

Классификация мерзлых пород

По условиям формирования: эпигенетические - промерзание произошло после осадконакопления и диагенеза; сингенетические - осадконакопление происходило параллельно с циклическим замерзанием.
По возрасту: современный - 4-5 тыс. лет (голоцен);
плейстоценовый - до 1 млн. лет.

Соотношение мерзлоты различного возраста по вертикали может быть различным, что зависит от истории развития породы. Реликтовая мерзлота - сохранившаяся на различной глубине с предыдущей эпохи похолодания (плейстоцена).

По длительности существования: кратковременномерзлые - существуют часы, сутки, а их мощность составляет первые сантиметры или первые десятки сантиметров;
сезонномерзлые - существуют в течение нескольких месяцев, имеющие мощность от нескольких десятков сантиметров до первых метров; многолетнемерзлые - существуют годы, сотни и тысячи лет, мощностью от первых метров до многих сотен метров.

Распределение мерзлоты по земному шару

Мерзлые породы занимают 50% суши на Земле и почти 100% в России. Из них многолетнемерзлые породы составляют 25% для всей суши и 65-67% для России.

Характерна широтная зональность распространения мерзлых пород (переход от сезонномерзлых к многолетнемерзлым в направлении от средних широт к полярным), поэтому они концентрируются на территории Северной Америки и Евразии, а также Антарктиды (покровные ледники). С юга область распространения мерзлых пород оконтуривается южной границей распространения мерзлоты.

Существует также высотная зональность мерзлых пород. Для горных районов используется понятие высотной границы распространения мерзлоты. На континентах Южной Америки, Африки и Австралии области сезонного промерзания приурочены к горным странам.

Кроме того, мерзлота существует в виде многолетних ледяных покровов на акваториях Северного Ледовитого океана.

Теплофизические процессы в промерзающих и протаивающих породах

Сезонное промерзание - процесс промерзания сверху талых пород, имеющих положительную среднегодовую температуру.

Сезонное оттаивание - процесс оттаивания сверху пород, имеющих среднегодовую отрицательную температуру.

Теплофизические процессы в промерзающих и протаивающих породах

Сезонное промерзание - процесс промерзания сверху талых пород, имеющих положительную среднегодовую температуру.
Сезонное оттаивание - процесс оттаивания сверху пород, имеющих среднегодовую отрицательную температуру.

Теплопередача и тепловое поле в горных породах

В горных породах возможны следующие механизмы передачи тепла:тепловое излучение - процесс испускания электромагнитных волн нагретым телом в окружающее пространство. В горных породах не превышает нескольких процентов от суммарного теплопотока; конвективный перенос - осуществляется жидкостью и газом, перемещающимися по порам, пустотам и трещинам горных пород. Как правило, эта доля тепла мала по сравнению с кондуктивным переносом; кондукция - распространение тепла в среде вследствие колебаний атомов и молекул кристаллической решетки, интенсивность которых возрастает с повышением температуры. Реализуется за счет теплопроводности горных пород, математически описывается законом Фурье.

Теплопроводность  - коэффициент теплопроводности среды: количество тепла, которое передается за единицу времени через единицу площади [Вт/м2*K].

Замерзание воды и таяние льда в горных породах

Структура воды и льда: В жидком состоянии вода состоит из молекул и ассоциатов молекул H2O, между которыми отсутствуют жесткие связи, а скорость их движения зависит от температуры. Лед представляет собой кристаллическое тело гексагональной сингонии, его координационное число равно 4. Структура льда характеризуется наличием жестких водородных связей между молекулами, и выглядит как упорядоченная ажурная сетка с довольно большими пустыми каналами.

Таяние льда

В процессе таяния льда с подводом тепла из окружающей среды растет кинетическая энергия его молекул. Если эта энергия превысит энергию связи с соседними молекулами, то молекула может совершить трансляционный скачок, разрывая водородные связи; при этом в решетке образуются вакансии, а структура льда нарушается Затем разрушение достигает такой степени, что в кристалле обособляются ассоциаты молекул («куски льда»), которые начинают колебаться вокруг своих центров равновесия за счет энергии трансляционных скачков. Этот процесс поглощает практически всю подводимую энергию, поэтому уже при достижении 9-13% разорванных водородных связей температура льда при плавлении остается постоянной, т.е. начинается изотермическое плавление. Далее происходит продолжение дробления ассоциатов молекул H2O и, соответственно, разрушения тетраэдров кристаллической решетки льда. Исчезновение пустот структуры льда ведет к уменьшению плотности тающего вещества. Наконец, процесс дробления достигает своего предела, тепло начинает расходоваться на повышение кинетической энергии молекул и ассоциатов, и температура системы начинает повышаться.

Замерзание воды

Противоположный процесс - замерзание воды - в принципе представляет собой процесс плавления в обратном порядке. Соответственно, тепло при этом выделяется, а объем воды повышается (на 9%). Однако кристаллизация - более сложный и хуже изученный процесс. В частности, существуют две теории развития микрокристалла льда. Первая, гомогенная, базируется на принципах термодинамики, и рассматривает зарождение центров кристаллизации как следствие объединения водородными связями замедляющихся при охлаждении молекул. Обязательное условие такого процесса - переход воды в метастабильное (-55 oC < T < 0oC) , т.е. переохлажденное состояние. Другая, гетерогенная, теория, основывается на неизбежном присутствии в воде инородных частиц-затравок, с которых и начинается кристаллизация (иными словами - катализаторов). Лучшей затравкой является сам лед, а в общем случае кристаллизацию воды должны вызывать все твердые тела, строение которых близко к строению льда (газогидраты, кристаллогидраты, растворимые соли и т.д.).Кроме того, процесс кристаллизации идет скачкообразно. При понижении температуры кристаллов льда начинается выравнивание температуры в системе и охлаждение воды. Но вода уже находится очень близко к точке замерзания, поэтому она не может дальше понижать температуру, и превращается в лед. В результате даже локальное понижение температуры ведет к превращению части воды в лед.Удельная теплота фазового перехода вода-лед равна 334 Дж/г. Возможны также фазовые переходы лед-водяной пар (сублимация) и водяной пар-лед (аблимация). Их удельная теплота 2834 Дж/г.В мерзлых породах процессы фазовых переходов протекают значительно сложнее, чем для просто H2O. Различные типы воды в грунтах - свободная, капиллярная, адсорбционная, пленочная - характеризуются своими температурами и особенностями замерзания, вследствие чего содержание жидкой влаги в мерзлых породах возможно и при отрицательных температурах. Химический состав воды также значительно влияет на температуру ее замерзания и оттаивания.

Промерзание и протаивание горных пород

При переходе температуры дисперсной породы через 0оС происходит промерзание (переход воды в лед) или протаивание (переход льда в воду). Эти процессы сопровождаются значительным выделением, или, соответственно, поглощением тепла, и значительно влияют на температурное поле пород: Тепловые волны распространяются гораздо медленнее. Замедление прогревания или протаивания вследствие фазовых переходов влаги называется нулевой завесой.

Глубина проникновения годовых колебаний температур максимальна при амплитуде колебаний температур меньшей, чем среднегодовая температура, так как в этом случае не происходит фазовых переходов, и, следовательно, на них не расходуется тепло. При А0> | tср | фазовые переходы возможны, и происходит сезонное протаивание (при tср < 0) либо сезонное промерзание (при tср> 0). Глубина сезонного промерзания или оттаивания уменьшается при сокращении абсолютного значения среднегодовой температуры, и при tср = 0 достигает максимума, когда порода промерзает или оттаивает на всей глубине проникновения годовых колебаний температур; таким образом, этот максимум достигается вблизи южной границы распространения ММП.