Документ 2348448

КРИОГЕННЫЕ ФИЗИКО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
'
В качестве дополнения использованы показатели заболоченности, характер растительного покрова и
мерзлотных форм рельефа отдельных комплексов.
В пределах ключевого района были выделены пять основных типов ПТК: едомы высокого уровня,
едомы низкого уровня, озерно-термакарстовые котловины высокого уровня, озерно-термакарстовые котловины
низкого уровня и речные долины.
На
основании
расположенного в
предложенного
подхода
составлена
ландшафтная
карта
междуречье Алазеи и Бол. Чукочьей в среднем их течении и
ключевого
рассчитаны
района
площади,
занимаемые различными ПТК и их заозеренность (таб.) .
Та блица . Пл ощадь
и заозеренность
птк
ключевого р аиона.
Площадь
Природно-территориальные
комплексы
Едомынизкогоуровня
Едомы высокого уровня
Озерно-термакарстовые котловины
НИЗКОГО УРОВНЯ
Озерно-термакарстовые котловины
высокого уровня
Речные долины
Заозеренность, ~
км 2
~ от всей площади
790,09
978,48
12
15
4,6
4,4
2280,85
35
28,8
1892,61
29
21,8
573,27
9
2,3
ЛИТЕРАТУРА:
1.
Каплина Т. Н. , Ложкин А. В . Возраст аласных отложений Прим орской низменности Якутии // Изв. АН
СССР. Сер. геол.
2.
1979. N2 2. 69-76 с.
Плахт И. Р . Условия развития термакарста и этапы формирования аласного рельефа равнин Северо­
Востока в позднем плейстоцене и голоцене
//
Развитие криолитозоны Евразии в верхнем кайнозое. М. : Наука,
1965 . 112-120с.
3. Федоров
1991. 140 с .
А . Н. Мерзлотные ландшафты Якутии: методика и вопросы картографирования
//
Якутск,
НЕКОТОРЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯГАЗОВЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ ПРИ
ЗАМЕРЗАНИИ ВОДЫ
Голубев В.Н., Ржаницын Г.А., Фролов Д.М.
МГУ им .М.В.Ломоносова , г.Москва.
GAS INCLUSIONS FORМATION IN ICE DURING 'VATER FREEZING
Golubev V.N., Rzhanitsyn G.A., Frolov D.M.
Moscow State University.
Formation of gas inclusions (ЬuЬЫеs) in ice is considered in view of casual distribution of molecules of nonpolar gases in water and their weak interactions with water molecules. Growing crystals of ice push aside molecules of
gases, and the area of their increased concentrations is formed at crystallization front. Process of aggregation in rnacro
volumes is associated with adsorption of molecules of gases оп besieged rnicroparticles of mechaпical :.npшity. It is
shown, that on particles of 10-4-10-6 cm size gas bubЫes can form which elevating force is enough for emerging
particles. Rising to front of crystallization these bubЫes pass the zone of the increased concentration that promotes their
fast growth and, uпder certain conditions, occurrence in а growing ice as gas inclusions. Thickness of the increased
concentration zone and distribution of gas molecules iп it are analyzed on the basis of tl1e coпtinuity equation as а
function of ice growth rate. BubЫes formation at front of crystallization, their occurrence in growing ice and
morphology oftrapped gas bubЫes Ьу ice are considered.
Высокая растворяющая способность воды и обусловленное этим практически постоянное присутствие
в ней растворенных веществ резко контрастирует со столь же высокой избирательностью твердой фазы в
отношении изоморфного замещения молекул Н 20 молекулами других веществ
[1, 3].
Присутствие во льду
газовых или жидких включений растворенных в воде в~ществ связано с механическим захватом скоплений этих
веществ, образующихся в процессе кристаллизационной дифференциации. [1].
.1
!
1
1
Теория взаимодействия неполярных молекул с молекулами водь1 недостаточно разработана, не им еется и
надежно обоснованных представлений о распределении молекул газов в воде и о закономерностях их агрегирования
при формировании макроскопических выделений. Сведения об энтропийных эффектах
растворения газов и
изменениях удельного объема и свойств воды при растворении полярных и неполярных молекул и спектры
комбинационного рассеяния растворов неполярных газов в воде свидетельствуют о слабом взаимодействии их с
молекулам и воды и позволяют предполагать механическое распределение молекул газов между кластерами
[1, 2, 4].
Такое
воды
122
представление
лучше
согласуется
с
явлениями
оттеснения
молекул
газов
при
замерзании
и
\
КРИОГЕННЫЕ ФИЗИКО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЬI
<<Высаливания» газа, чем гипотезы, предполагающие активное взаимодействие молекул газа с молекулами воды
(5].
Согласно закону Генри молярная концентрация растворенного газа IЛg в воде пропорциональна
парциальному давлению этого газа Р g над раствором:
П1g=CPg(1),
где константа С характеризует растворимость газа в воде. В
нормальном атмосферном давлении растворено
30,18
1000 мл
пресной воды при температуре оос и
мл газов, содержащихся в воздухе. Растворимость газов,
составляющих атмосферный воздух, различается в несколько раз и даже на порядки, поэтому относительное
содержание их в воде и в атмосфере оказывается весьма различным (таб.
Таблица
1.
Растворимость, содержание и диффузия газов в воде при парциальном давлении газа
и температуре
273
.;
~о
ii=~
=
:::1 = u
:s: >-. •
6
~~~
.,~:s: "0:~ ==.
~~
.,==
=-о
-е-о& О
"'~.
е
~
;Е
о.
"
~
.,!1: ".
"'uf.o
~
о. О
" "'
о
~
~
:s:
о
u
о.
о
.,u"'f.o
о.
о
u
мл/л
%
18,99
64,0
Nz
0,318
1,251
2,01 */0,81
78,09
765,8
""
23,5
Oz
0,298
1,429
2,20*/1,10
20,8
233,5
48,9
10,19
34,3
со2
0,332
1,997
1,92*
0,03
0,5
1710
0,51
1,7
сн4
0,41
0,717
55,6
0,0001
0,0003
*-
Температура
298
гПа
"=="'
=
оВ
~
~ *
о&-&'\'
о"-
<j
~
"'"'
м
==
f.o .....
•
==
.,""'0:
"ot:::.,
== ...
"';а
:s:
::1
.,
:5f
о
u
~
:s:
х
>-.
f.o
1013
К.
.;
а
L...
1).
t:::
0,0002
К
При замерзании воды растущие кристаллы оттесняют молекулы газов, как и других растворенных
веществ
и
механических
примесей,
вследствие
чего
перед фронтом
кристаллизации формируется з·она
повышенного содержания газов, в пределах которой при содержании газа, превышающем его растворимость ,
возникают
макрообразования
(пузырьки)
газов.
Теория
агрегирования
молекул
газа,
растворенного
в
ассоциированной жидкости, недостаточно разработана, но одним из наиболее вероятных процессов, ведущих к
формированию пузырьков газа, является адсорбция его молекул на содержащихся в воде микрочастицах. Этот
процесс описывается уравне нием Гиббса:
г = -(dу/ф)
где
(2),
!l-
Г- величина адсорбции ; у- поверхностная энергия ;
химический потенциал элементов
системы.
Изменение суммарной поверхностной энергии, обусловленное возникновением поверхностной энергии раздела
воздух-вода у,•., и частица-воздух Учг вместо поверхностной энергии раздела частица-вода у.,., сопровождается
переходом части молекул воздуха в лузырек с изменением химического потенциал а молекул газа ~Lг и молекул
воды J..l8 ,
что ведет к соответствующему изменению термодинамического потенциала
F
системы частица­
пересыщенная воздухом вода-пузырек:
где
Nr -
число молекул
изменяется
при
f1F = L'1!!г'Nг+L'1~tв'Nв+Sп· Увг+Sч·(учг-У••в) (3),
пузырьке; N 8 - число молекул воды, химический
пузырька; Sn - поверхность пузырька ; s.. - поверхность
воздуха
образовании
в
поте нциал которых
частицы,
явившейся
центром адсорбции; Унг' Учг' у,, 8 - поверхностные энергии границ раздела вода-воздух, частица-воздух и
частица-вода, соответственно. Процесс, описываемый уравнением
(3)
является активационным , т. е . связан с
определенным перенасыщением системы газом, что часто фиксируется при исследованиях газового состава
природных вод. Повышенное содержание газа в воде является основным фактором формирования газового
пузырька; другими факторами являются размеры и плотность частиц и их концентрация.
Характеристики
зоны
повышенного
содержания
растворенных
веществ,
формирующейся
перед
р астущим льдом при замерзании пресной воды и растворов можно описать уравнением неразрывности. В
одномерном варианте можно з аписать:
D·(d2C/dx2)+Vл{dC/dx)=O (4),
где С и
D - содержание лр имесей и коэффициент диффузии (массолереноса) растворенных газов в воде; Ул ­
скорость роста льда; х- расстояние ' от фронта кристаллизации.
грани це раздела С гр, при скорости роста льда
V л- const
и условии
Концентрация
растворенных веществ на
(Crp-C")-Vл + D·( dC/dx)=O
при х
=0,
и С
=
Сж,
когда х 2 8 (рис. 1), определяется уравнением
Crp=Cж·[k
+
(1 -k)·(exp(Vлo/D)]
(5),
где о - толщина приграничного слоя; k =Сл/Сж - эффектив ны й коэффициент деления растворенного вещества
при фазовом переходе.
123
КРИОГЕННЫЕ ФИЗИКО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
г---~------~--------------------~с
Сл
о
с.
х
Рис.
Сж
1. Распределение растворенного в
Согласно уравнению
(5)
воде воздуха у фронта кристаллизации и между фазами .
концентрация воздуха у фронта кристаллизации может возрастать почти в
10
раз при скорости роста льда 10·3 см/с, в 2 раза при v=104 см/с и составлять Crp~ 1,3С0 при v=10- 5 см/с (рис. 2).
Толщина зоны повышенного содержания газов при этом увеличивается от
КЭФ•Сл/Сж;
0,04
см до О, 15 см и до
d см
0,4 см.
Сrр/Сж
10 , . -- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -I - -
1000
1
1
/
--....__
0,1
/
//
0.01
1
100
/
г--------._
10
__../
0,001
...~-··-···~·_.,. "......····•
0,0001 1---
-t<= ----~---------:::.__,__ _ _ _ _ _ _ _ _ _..:.__ _ _ _ _ _ _ ____,
1,00Е-06
1,00Е-05
1 ,00Е-04
t,OOE-02
t,оое.оз
V CN/c
Рис.
2.
Зависимость параметров зоны повышен ной концентрации воздуха от скорости роста кристаллов льда.
После установления ледя ного покрова поступление частиц в воду из атмосферы прекращается и
центрами адсорбции могут становиться лишь те частицы, которые уже находились в воде к этому моменту.
Поскольку формирование
пузырьков воздуха возможно лишь в пределах слоя
повышенной
концентрации
воздуха, то скорость оседания частицы должна быть настолько низкой, чтобы на ней за время нахождения в слое
повышенной концентрации мог сформироваться пузы рек, достаточный для приостановления опускания частицы.
Диаметр такого пузырька должен 1,5-2 раза превышать диаметр частицы при плотности ее 2,5 - 3 г/см 3 в, а время
его формирования составляет: т = 106d, гдет-время формирования в с; d- линейный размер частицы в см.
Оттесняемого при росте льда воздуха достаточно для формирования на каждой взвешенной частице
3
пузырька диаметром более 10- см, приостановления оседания всех частиц размером d~ 10· см и всплывания их
4
вместе с минеральными частицами. Концентрация воздушных пузырьков оказывается ниже ко нце нтрации
вз вешенных частиц, поскольку преимущественное развитие имеют возникшие ранее других и потому более
крупные пузырьки, формирование которых происходит обычно на наиболее гидрофобных частицах. Всплывая,
эти пузырьки дренируют приграничный слой, что ведет к снижению перенасыщения газами и всл едствие этого
к у меньшению вероятности возникновения и роста новы х пузырьков.
Согласно закону Стокеа скорость оседания в воде частиц размером d=10-5- 10-3 см и плотностью 2,53 г/см составляет 10·6- 10·2 см/с. Соответственно, лишь для частиц размером d> I0-3 см время нахождения в слое
3
пе ренасыщен и я оказ ывается меньше времени формирования пузырька соответствующего размера ; на л юбой из
частиц меньшего размера за это время может сформироваться возду шный пузырек, способный приостановить
ее дальней шее оседание. Скорость оседания частиц размером
d>10-4 см превышает или близка к скорости роста
льда при обычных переохлаждениях , поэтому возн икнове ние пузырьков воздуха на частицах такого размера
мо гл о происходить лишь на первых эта пах роста ледяного покров а; на стадии ортотр опно го роста эти частицы
уже находятся вне з оны повышенного содержания воздуха. Наиболее вероятными центрам и адсорб ци и и
5
формирования пузырьков являются частицы размером 10· .см, концентрация которых в относительно чистой
воде может составлять 103 - 105 см·3 . Вследствие низкой скорости оседания частицы такого размера накапливаются
перед фронтом кристаллизации и их концентрация в зоне повы шенного содержания газов может быть в несколько
раз более высокой, чем в основной массе воды .
При высоких скоростях роста льда , когда перенасыщение воздухом в тонком приграничном слое воды
507 100%, практически возле каждой частицы
10- 7 10- см , н еобходимый для всплывания частицы.
превы шает
3
2
124
успевает с фо рмироваться п уз ырек раз мером
КРИОГЕННЫЕ ФИЗИКО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
В случае дендритного роста льда могут быть захвачены газовые пузырьки
любых
размеров,
оказавшиеся
внуrри
зоны
кристашrизации .
При
сплошном росте льда вспльшающие пузырьки за счет своей подьемной
силь1 прижимаются к поверхности льда, приостанавливая рост кристалла
в зоне непосредственного контакта воздуха со льдом. В краевых частях
пузырька, где такой контакт отсугствует, рост кристалла продолжается, а
форма
paCl)'Щero
пузырька
изменяется
до
грушевидной.
Подобное
изменение формы ведет к увеJШЧению поверхностной энергии пузырька и
он
либо
выходит
из
углубления,
образовавшегося
на
поверхности
кристалла и вновь приобретает равновесную форму, либо происходит
постепенное врастание пузырька в лед. Доля поверхностной энергии
воздушных включений во льду.
возрастает
при
уменьшении
размеров
пузырька,
поэтому
мелкие
пузырьки оттесняются при росте льда пока за счет диффузии газов и
слияния пузырьков их размеры не достигнуг критического Dn~ 8·10-2 см. Частично захваченные льдом пузырьки
имеют определенное преимушество в возможности разрастания, поскольку какой то своей частью располагаются в
зоне наиболее высокого перенасыщения.
Часть оттесняемых газов диффундирует в удаленные от фронта кристаллизации горизонты водоема,
вследствие чего содержание газов
в
объеме воды
постепенно возрастает.
В закрытом
водоеме общее
газосадержание воды возрастает пропорционально толщине ледяного покрова и может достигать
10+ 15%,
хотя
распределение газов в толще водоема обычно оказывается довольно сложным в виду неизотермичности масс
воды.
Работа выполнена при поддержке РФФИ грант
06-05-65152.
ЛИТЕРАТУРА :
1. Голубев
В.Н. Структурное ледоведение. Теоретические основы конжеляционного льдообразования //
М.: Изд- во Моек. ун-та,
2.
1999. 104 с.
Наберухин Ю . И. , Шуйский С . И. Исследования структуры воды при помощи комбинационного
рассеяния света растворовнеэлектролитов
// Журн. структ. химии, 1967, 8, N 4, с. 606-610.
3. Намиот А.Ю. , Бондарева М.М. Растворимость газов в воде поддавлением // М.: Гостоптехиздат, 1963. 186 с.
4. Himme!Ьlau D.M. Partial molar heats and entropils of solution for gases dissolwed in water from the
freeziлg to hear tl1e ~ritical point // J. Phys. Chem., 1959, 63, N 11 . р. 1803-1806.
5. Van der Waals J.H., Platteew J.C. Clathrate solutions // Adv.Chem.Phys., 1959, v.2. pp.l057-1059.
ЛАБОРАТОРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕСКАЧКА ДЕФОРМАЦИЙ ЛЕДОВОГО ПО КРОВА ПРИ
ПРОМЕРЗАНИИ ЗАКРЫТОЙ СИСТЕМЫ
Горелик Я.Б.
Институт криосферы Земли СО РАН, Тюмень.
SHIFT IN ICE COVER DEFORМAТIONS UNDER FREEZING IN А CLOSED SYSTEM
Gore1ik Уа.В.
Earth Cryosphere Institute, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences, Tyumen, Russia.
Technique and results of the laboratory observatioп of shift iп ice cover deformations under freezing in а
closed system are presented in this paper. The shift was studied experimentally with steel wire stretched besides the
bottom of tЬе duraЬle vessel апd the ice cover. The breakage of the wire was caused Ьу cryogenic pressure arisen from
water freez ing. Despite of cracking of the ice cover it keeps integrity and is waterproof during transformation from one
staЬ!e state to another.
В работе излагается методика и результаты лабораторно го эксперим ента по наблюдению скачка
де формаций ледового
покрова
при
промерзании закрытой системы .
Скаче к
вызван
разрывом
стальной
проволоки, жестко прикрепленной нижним концом ко дну прочного сосуда, а верхним - заделанной в покрове
льда. Разрыв проволоки обусловлен ростом криогенного напора в процессе пром ерзания искусственного
водоема сверху. Показано , что несмотря на значительное трещинаобразование в этом процессе, покров
сохраняет целостность и водоуп орные свойства при переходе из одно го устойчивого состояния в другое.
Промерзанне закрытых
водоемов
(с
невозможностью
orroкa
влаги)
как
правило,
сопряжено с
неравномерными в плане деформациями образующихся ледовых nокровов. ТакИе деформации вызываются
кр иоген ным напором в жидкости, возникающим вследствие отрицательно й разности плотностей льда и воды и
их малой сж имаемости. Наименьшие деформации покрова сосредоточены в местах его стыковки с плотными
геологически ми телам и, обладающими повышенны м и nрочностными показателями. Такие тела могут быть
локализованы как в берегах, так и в островных образованиях внутри водоема. Максимальные деформ а ции
покрова достигаются
в точках,
наиболее удаленных от береговой линии,
образованной, в том
числе
и
сопряжением водной поверх но сти с островами. В местах стыковки покрова с плотными телами в последних
125