Файл: Общее мерзлотоведение..pdf

ного протаивания п промерзания, а также в разработке методики мерзлотной съемки. Инструкция и методические руководства съемки, выпущенные кафедрой, служат основными нормативными материалами для проектирования и проведения этого вида работ. Научный авторитет коллектива кафедры непрерывно растет. В разное время С. П. Качурпным и А. И. Поповым читался курс лекций по общему мерзлотоведению и на географическом факуль­ тете МГУ.

В 1967 г. издательство МГУ выпускает учебник Б. Н. Достовалова и В. А. Кудрявцева «Общее мерзлотоведение», учебное по­ собие профессора А. И. Попова «Мерзлотные явления в земной коре (криолитологня)», а в 1970 г.— «Методику комплексной мерзлотно-гидрогеологической и инженерно-геологической съемки». Кафедра криолитологии и гляциологии географического факуль­ тета МГУ издает под редакцией профессора А. И. Попова сборники «Подземный лед», вып. 1 и 2, и «Проблемы крнолитологии». Крат­ кие курсы по мерзлотоведению читаются в некоторых других ву­ зах Москвы и Ленинграда.

В ПНИИИСе под руководством И. Я. Баранова над про­

ВСЕГИНГЕО под руководством П. Ф. Швецова, в МИСИ под ру­ ководством Н. А. Цытовича. Успешно ведут мерзлотные иссле­ дования в Магадане В. Г. Гольдтман, С. В. Томирдиаро, в Воркуте

Д. В. Редозубов.

В1970 г. в Москве при АН СССР создается Научный совет по криологии Земли, в состав которого вошли крупные ученые Москвы, Ленинграда и Сибирского отделения АН СССР. Задача

Совета — всемерное содействие развитию в СССР исследований по важнейшим научным проблемам криологии Земли. С этой целью Научный совет на основе анализа современного состояния исследований по важнейшим проблемам геокриологии Земли как в СССР, так и за рубежом определяет основные фундаментальные направления и задачи научных исследований, а также наиболее эффективные пути разработки проблем этой науки, рекомендует для этих направлений тематику научных исследований, содей­ ствует развитию, распространению н внедрению новых методов изучения криосферы Земли. В конце 1970 г. в МГУ прошло Всесоюзное совещание по мерзлотоведению, на котором было представлено около 80 докладов по вопросам общего, региональ­ ного и исторического мерзлотоведения, по физике и механике, термодинамике и теплофизике мерзлых пород, методике инже­ нерно-геологических исследований на территории мерзлой зоны. Совещание показало, насколько глубоко и разносторонне разви­ лось мерзлотоведение на втором послевоенном этапе своей истории [10].

26

Г л а в а III

ФИЗИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ПРОМЕРЗАНИИ

ТОНКОДИСПЕРСНЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

Все основные физические и физико-химические процессы

впромерзающих тонкодисперсных горных породах связаны со структурой и свойствами содержащейся в них воды, ее фазовыми превращениями, миграцией и взаимодействием с минеральным скелетом. Как указывал академик В. И. Вернадский, «свойства физико-химических молекул воды совершенно исключительны среди всех сотен тысяч известных нам химических соединений» [1, стр. 14], причем «масса топких водных пленок волосной воды

вземной коре сравнима по меньшей мере с массой воды в океа­

не» [1, стр. 96].

Структура воды и льда обусловлена водородными связями и строением молекулы воды, в которой ядра водорода находятся

на расстоянии 0,958 А от ядра кислорода и образуют равнобед­ ренный треугольник с двумя протонами в основании. При темпе­ ратуре, близкой к 0° С, структура воды приближается к струк­ туре льда; с повышением температуры подвижность молекул увеличивается, а упорядоченность их уменьшается. Вода, подобно

льду, имеет тетраэдрическое строение с четверной координацией.

О■

Расстояние между молекулами в воде изменяется от 2,90 А при

О

1,5° С до 3,05 А при 83° С; во льду расстояние между ближай-

О

пиши молекулами составляет 2,76 А. Структура льда является ажурной: в ней есть пустоты, превышающие размеры самих мо­ лекул; эти пустоты образуют каналы *.

Особые физические и химические свойства воды обусловлены наличием в ней водородных связей, которые осуществляются атомом водорода, ковалентно связанные с другим атомом:

Н —О; при этом в воде водородная связь Н • • - О значительно длин­ нее и слабее ковалентной связи О—Н. Во льду молекулы воды связаны водородной связью; при плавлении льда происходит

*Вопросы строения и структуры воды н льда детально рассмотрены

всоответствующих главах работ [3] и [4].

28

разрыв —15% водородных связен; с повышением температуры

жидкой воды увеличивается и число разорванных водородных связей.

Согласно молекулярно-кинетической теории строения жид­ костей [2], тепловое движение частиц состоит из колебательных и вращательных движений около временных положений равнове­ сия и скачкообразных (трансляционных) перемещений из одного

скачка, необходимой для преодоления потенциального барьера. Время пребывания частицы в положении равновесия опреде­

ляется уравнением

тивации скачка; R — газовая постоянная; Т — абсолютная тем­ пература.

Жидкость, в частности вода, обладает «дырчатым» строением: в любой момент в ней имеются места, не заполненные молекулами, молекулы в положении равновесия и летящие молекулы. Наличие «дырок» или локальных разряжений связано с трансляционным движением молекул и активированными скачками. С повышением температуры т уменьшается, число же частиц, перемещающихся

вданный момент между положениями равновесия, а следовательно,

ичисло «дырок» увеличивается. Энергетически положениям рав­ новесия соответствуют минимумы потенциальной энергии, или «потенциальные ямы», разделенные максимумами потенциальной энергии —«потенциальными барьерами»; для преодоления по­ следних частица должна обладать энергией активации скачка.

Энергия активации молекул воды Е при 25° С равна 4,6 кал/моль, а время нахождения ее в положении равновесия т составляет 1,7х10—9 с; таким образом, молекула совершает около 1000 ко­ лебаний около одного центра равновесия, а число скачков в 1 с

равно 6x10®.

В водных растворах на структуру воды п трансляционное движение молекул оказывают влияние силовые поля ионов [5]. Гидратация ионов в одном растворе подразделяется на ближнюю и дальнюю: первая проявляется в действии ионов на тепловое и трансляционное движение молекул воды в непосредственной близости к иону; последняя выражается преимущественно в по­ ляризации молекул воды, более удаленных от нона. При этом в зависимости от своей природы ионы могут оказывать различное воздействие на трансляционное движение молекул воды — за­ медлять его (положительная гидратация) или ускорять (отрица­ тельная гидратация).

Вода в тонкодисперсных мерзлых горных породах. Большинство исследователей развивает и дополняет классификацию А. Ф. Ле-

29

бедева [Gj, подразделившего воду в почвах и грунтах на парооб­ разную, гигроскопическую, пленочную, гравитационную, твер­ дую (лед), кристаллизационную и химически связанную. Так, Е. М. Сергеев [7] выделяет следующие основные категория воды

втонкоднсперсных горных породах: I. Вода в форме пара.

И. Связанная вода:

1)прочносвязанная;

2)рыхлосвязанная.

III. Свободная вода:

1)капиллярная;

2)гравитационная.

IV. Вода в твердом состояппи.

Y. Кристаллизационная и химически связанная вода. Прочиосвязанная вода соответствует максимальной гигро"

скопическои влажности и по энергии связи подразделяется на прочиосвязанную воду наибольшего энергетического уровня — «воду углов и сколов кристаллической решетки», которая уда­ ляется при температуре от 150 до 300° С; воду «ближней» гидра­ тации ионов (главным образом катионов), которая в зависимости от рода ионов удаляется при температуре от 90 до 120 ° С; воду базальных поверхностей глинистых минералов.

Рыхлосвязанная включает плепочную воду (по Лебедеву), или вторично ориентированную воду полислоев, и воду, удержи­ ваемую осмотическими силами.

Максимальное количество связанной воды соответствует влаж­ ности максимального набухания.

Б. Н. Достовалов [3] выдвинул гипотезу о существовании в тонкодисперсных горных породах не только связанной воды, но и «развязанной» или «отрицательно связанной», у которой по­ тенциальные барьеры и энергия активации меньше, чем в сво­

бодной воде.

А. А. Ананян [8] на основе молекулярно-кинетических пред­ ставлений считает, что в тоикодисперсной горной породе активные центры ее поверхности аналогично ионам в водных растворах ориентируют ближайшие к ним молекулы воды и воздействуют на их трансляционное движение, изменяя их подвижность; это при­ водит к энергетической неоднородности молекул воды и искажению (нарушению) ее структуры. Степень искажения зависит от особен­ ностей активных центров поверхности частиц горной породы. А. А. Ананян дает формулу, выражающую влияние активных центров поверхности частиц горной породы:

где ti— время пребывания молекулы воды в положении равно­ весия, измененное воздействием £ активных центров поверхности на потенциальный/барьер между центрами равновесия (Е).

30