Файл: Бабинец А.Е. Гидрогеологические и геохимические особенности глубоководных отложений Черного моря.pdf

Подставляя значение Р в (5,1) и проведя необходимые преобра­ зования, получим уравнение уплотнения

В дальнейшем решение этой задачи сводится к определению функции ф, удовлетворяющей граничным условиям и начальному условию. Одни используют для этого метод Фурье, другие — метод конечных разностей. В любом случае, определив функцию ф, тем самым можно получить функцию Р по зависимости (5,2).

Функция давления (напорная) полностью характеризует про­

и ползучести скелета.

Начальная стадия диагенетического уплотнения, таким обра­

в толще имеют специфические особенности. Наиболее существенной из них является аномальное распределение влажности по глубине вследствие изменения гранулометрического состава осадков.

Слои, обогащенные алевритовыми или песчанистыми фракциями и залегающие под слоем с пониженным коэффициентом фильтрации, имеют аномально высокую влажность и весьма малую пластическую прочность. В подобных случаях осадок в слое становится разжи­ женным. Водопроницаемость такого слоя всегда выше, чем у покры­ вающего. Это наблюдается, например, на станции 1627 на глубине 77—80 и 165—175 см (см. рис. 22), станции 1918 в интервале 70— 80 см (см. рис. 24) и др.

Аномальное увеличение влажности в данном случае хорошо объяс­ няется существованием потока поровых вод снизу: выжимаемая из нижележащих слоев вода как бы подвешивает вышележащий ме­ нее проницаемый слой. В слое с аномальной влажностью уменьшает­ ся сопротивление сдвигу, что может служить причиной подводного оползания.

Подобные закономерности описал H. М. Герсеванов [85] для грунтовой массы и потока грунтовых вод. Увеличение влажности грунта с глубиной он считал доказательством существования пото­ ка грунтовых вод, направленного снизу вверх.

Согласно фильтрационной теории уплотнения, H . М. Герсеванов

87

установил следующую зависимость между влажностью грунта и градиентом давления:

g r a d P = - ^ L . <5 '4 > Здесь ô и у — удельный вес скелета и поровой воды, aw — влаж­

ность слоя с повышенной влажностью.

Для рассмотренных случаев слоев с аномальной влажностью на­ ми получены следующие средние градиенты давления:

Используя эти данные и измерив коэффициент фильтрации, можно определить скорость движения поровых вод в верхней части глубоководных осадков Черного моря. Положим, что средний коэф­ фициент фильтрации верхних слоев осадков равен 500 мм/год. При

В. Е. Ветштейн, исследуя изотопный состав кислорода в водах Чер­ ного моря, установил, что в придонном слое количество тяжелого изотопа кислорода понижено (устное сообщение). Он объяснял это притоком речных вод. Однако гидрологический режим Черного моря таков, что воды речного стока не поступают в придонные слои; более того, придонная масса черноморской воды формируется в ос­ новном из мраморноморской воды, привносимой нижним босфор­ ским течением. В таком случае единственно возможной причиной наблюдаемого явления может быть лишь поступление выжимаемых из осадков поровых вод. Изотопный состав кислорода поровых вод осадков, отлагавшихся тогда, когда нижнего босфорского течения не существовало (в новоэвксинское время), по-видимому, прибли­ жался к таковому речных вод. Если поровые воды, отжатые при уплотнении таких осадков, достигли поверхности дна, то описанные особенности изотопного состава современных придонных вод Черно­ го моря, вероятно, подтверждают наличие фильтрационного потока из толщи осадков. Однако в нашем распоряжении пока мало экспери­ ментальных наблюдений, и мы отдаем себе отчет в том, что для окон­ чательного доказательства этого положения необходимы более пол­ ные данные.

Влияние магнитного поля Земли на глинистые осадки исследо­ вал Ю. Б. Осипов [182а]. В результате его экспериментальных исследований установлено, что магнитное поле влияет на осаждение глинистых частиц, формирование структуры и текстуры глинистых осадков и их механические свойства. На поверхности глинистыхминералов находятся высокодисперсные ферромагнитные частицы,

88

В работе О. В. Шишкиной [253] приводятся данные о коэффици­ енте диффузии ионов хлора в глубоководных осадках Черного моря (без указания их литолого-стратиграфических особенностей), опре­ деленные также посредством решения уравнения диффузии для не­ стационарного потока, но при другой постановке эксперимента и при использовании точного решения уравнения для определения коэф-

2

Рис. 25. Установка для измерения коэффициента диффузии ионов хлора.

I — образец, 2 — раствор, 3 — дистиллированная вода.

фициента диффузии. Измеренные Шишкиной коэффициенты диффу­ зии лежат в пределах от 0,46 до 0,54 смг/сутки при влажности образца 59%. В этой же работе рассчитан диффузионный поток ионов хлора от поверхности дна в толщу донных осадков.

С целью количественной оценки роли диффузионных процессов в глубоководных осадках Черного моря мы также определяли ко­ эффициент диффузии, применяя два метода: диффузионной ячейки и нестационарного потока.

Метод диффузионной ячейки основан на использовании решения дифференциального уравнения Фика для стационарного потока (5,5). Образец осадка в виде цилиндра диаметром 45 мм и высотой 10 мм помещают в ячейку из оргстекла (рис. 25). Торцы образца, покрытые слоем фильтровальной бумаги, опираются на сетчатые фильтры. Ячейку помещают в сосуд, заполненный 6—8 л придонной воды. Камера ячейки, заполненная дистиллированной водой, промыва­ ется через каждые 24 ч равными объемами дистиллированной воды. В промывной воде определяют концентрацию иона хлора. Установ­

90

где m — содержание иона хлора в камере ячейки, S — площадь се­ чения образца, t — промежуток времени между определениями, Сп — концентрация хлора в придонной воде, Ся — концентрация хлора в ячейке с дистиллированной водой, / — высота образца.

Второй метод нестационарного диффузионного потока основан на определении коэффициента диффузии из решения дифференциаль­ ного уравнения Фика

для простейшего случая однородного полубесконечного изолиро­ ванного по боковой поверхности цилиндра (образец осадка) при условии однородности концентрации хлора по длине цилиндра в на­ чальный момент и ее постоянства на поверхности образца.

Решение уравнения (5,7) при этих условиях хорошо известно. Однако мы воспользовались приемом А. А. Чернова, который, определяя из этого решения D, аппроксимировал его следующим

приближенным выражением:

где С — концентрация, определенная на расстоянии / отисточника по истечении времени t от начала диффузии, А — постоянная вели­ чина.

Следуя А. А. Чернову, для практических расчетов это выражение

Очевидно, что уравнение является линейным относительно lg С и /2 . Для определения D по экспериментально определенным точкам

Эксперимент был сходен с проведенным Н. А. Окниной и состоял в том, что образец осадка помещали в цилиндрический патрон из полиэтиленовой трубки (внутренний диаметр 30 мм, длина 100 мм). На торец помещали таблетку из хлористого натрия, патрон завора­ чивали вместе с таблеткой в полиэтиленовую пленку, парафиниро­ вали и помещали в термостат с температурой 8—9° С. Через 15 суток патрон вместе с образцом разрезали на части высотой по 10 мм, из каждого слоя отпрессовывали поровый раствор и в нем определяли концентрацию хлор-иона. Значения ее, отнесенные к середине слоя, наносили на график и далее рассчитывали D, как описано выше.

Метод диффузионной ячейки использовался нами для оценки влияния нарушения первичной структуры осадка на коэффициент

91