Автор: Кузнецова Елена Павловна
Название работы: Теплофизические свойства и фазовый состав влаги мерзлых вулканических шлаков и пеплов Камчатки
|
Присвоенная ученая степень: кандидат геолого-минералогических наук
Специальность: 25.00.08 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение
Классификационный индекс:
Ведущая организация:
Руководитель:
доцент кандидат геолого-минералогических наук Мотенко Римма Григорьевна;
Оппонент:
профессор доктор геолого-минералогических наук Перльштейн Георгий Захарович;
профессор доктор геолого-минералогических наук Рогов Виктор Васильевич ;
Место защиты: ауд. 415, геологический факультет МГУ
Дата защиты: 2011-12-16 16:30
Издательство: Москва
Количество страниц: 191
Язык: рус.
Содержание работы:
Введение.
Глава 1. Вулканические дисперсные породы .
Глава 2. Экспериментальные методы исследования, применяемые в работе.
Глава 3. Краткая характеристика района исследования, объект исследования и методика приготовления образцов.
Глава 4. Исследование гранулометрического, минерального состава и анализ морфологических особенностей вулканических шлаков и пеплов.
Глава 5. Закономерности изменения содержания незамерзшей воды в мерзлых вулканических шлаках и пеплах.
Глава 6. Закономерности изменения теплофизических свойств вулканических шлаков и пеплов.
Основные результаты и выводы.
Публикации по теме диссертации.
|
Реферат:
На территории России широкое распространение имеют многолетнемерзлые породы (ММП), образование и существование которых зависит от многих факторов, в том числе от широтного
и высотного положение местности. На Камчатке большинство ММП развиты в горах, такую мерзлоту называют горной. Примером ММП, относящихся к этому типу, являются породы Ключевской
группы вулканов.
Вулканы при извержениях выбрасывают большое количество пирокластического материала, который перекрывает существующие снежники, захоранивая их, а также перекрывают уже существующие
мерзлые и промерзающие горные породы. Для проведения геокриологического прогноза территории, изучения закономерностей формирования температурного режима пород, глубины промерзания
и протаивания, пространственной изменчивости и прогноза этих характеристик необходимы сведения о теплофизических свойствах горных пород при положительных и отрицательных
температурах. Специфику основных физических и механических свойств мерзлых пород и протекание мерзлотно-геологических процессов в криолитозоне предопределяет фазовый состав
влаги. Кроме того, фазовый состав влаги оказывает влияние на свойства мерзлых пород, в том числе и на теплофизические.
Теплофизические свойства дисперсных вулканических пород Камчатки изучены крайне слабо. Имеющиеся данные касаются в основном пород с жёсткими связями или находящихся в талом
состоянии. Для мёрзлых пород информации практически нет. Анализировать немногие имеющиеся данные сложно изза отсутствия информации по влажности, плотности и возрасту отложений.
Фазовый состав влаги практически не изучен.
Целью работы было исследование теплофизических свойств и фазового состава влаги в мерзлых вулканических шлаках и пеплах Камчатки различного состава и возраста, и установление
закономерностей их изменения от температуры, влажности, плотности.
В задачи исследования входило:
1. Ознакомиться с современными представлениями о составе и свойствах вулканических шлаков и пеплов.
2. Составить и выполнить экспериментальную программу исследований, позволяющую не только получить новые данные по теплофизическим свойствам и фазовому составу влаги в мерзлых
вулканических шлаках и пеплах, но и выявить и объяснить закономерности формирования этих свойств.
3. Провести экспериментальные исследования теплопроводности, температуропроводности и теплоемкости вулканических шлаков и пеплов и установить зависимости этих параметров от
температуры, влажности, плотности, гранулометрического, химического и минерального состава.
4. Провести экспериментальные исследования фазового состава влаги в диапазоне отрицательных температур, установить закономерности его изменения и выявить причины появления
незамерзшей воды в мерзлых вулканических шлаках и пеплах разного возраста и химико-минерального состава.
Фактический материал, методы исследования. Автором проведено около 300 экспериментов по изучению теплофизических свойств и фазового состава влаги в вулканических шлаках и
пеплах Камчатки. Отбор образцов для лабораторных исследований проводился автором в течение полевых работ на Камчатке в составе экспедиций Института физико-химических и биологических
проблем почвоведения РАН (ИФХиБПП РАН) в 2006 г. и Института вулканологии и сейсмологии ДВО РАН в 20092011 гг. Образцы из Исландии для лабораторного изучения были предоставлены
сотрудниками кафедры инженерной и экологической геологии Ладыгиным В.М. и Фроловой Ю.В. Изучение теплофизических свойств вулканогенных отложений проводились как в полевых
условиях, так и на кафедре геокриологии МГУ под руководством к.г.-м.н., доцента, с.н.с. Мотенко Р.Г. Гранулометрический состав определялся автором пипеточным методом на кафедре
инженерной и экологической геологии. Исследование минерального состава и термические исследования пеплов проводились с помощью спектроскопии ИК-поглощения на фурье-спектрометре
ФСМ1201 и на дериватографе Q1500D (Венгрия) сотрудниками кафедры минералогии Вигасиной М.Ф. и Мельчаковой Л.В. Рентгеноструктурный анализ вулканических пеплов проводился
с.н.с. Крупской В.В. на кафедре инженерной и экологической геологии. Химический анализ вулканического стекла и внешние особенности частиц вулканического пепла были рассмотрены
на растровом электронном микроскопе Jeol JSM-6480LV с энергодисперсионным спектрометром "INCAEnergy 350" в лаборатории локальных методов исследования вещества МГУ (аналитики:
Япаскурт В.О. и Гусева Е.В., кафедра петрологии МГУ имени М.В.Ломоносова) с участием автора. Силикатный анализ тефры выполнен в спектрально-химической лаборатории геологического
факультета МГУ (зав. лаб., в.н.с. Лапицкий С.А.).
Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем:
1. Реализована экспериментальная программа, включающая широкий спектр методов, позволившая не только получить новые данные, но и объяснить установленные закономерности по
теплофизическим свойствам и фазовому составу влаги в исследуемых дисперсных вулканических породах разного возраста, свойств и химико-минерального состава;
2. Впервые получены новые фактические данные исследования фазового состава влаги в мерзлых вулканических шлаках и пеплах разного состава и свойств в диапазоне отрицательных
температур; установлена связь между содержанием незамерзшей воды и возрастом пеплов, влияние которого проявляется через преобразование вулканического стекла во времени, приводящее
к появлению аморфных глинистых минералов в его составе;
3. Установлены закономерности изменения теплофизических характеристик от влажности, плотности и пористости для талых и мерзлых вулканических шлаков и пеплов разного возраста,
состава и свойств:
а) теплопроводность при фиксированных значениях степени влажности выше у пеплов, состав которых был определен как опал, чем у пеплов аллофанового состава;
б) установлено, что отношения λм/λт и ат/ам больше у пеплов, содержащих опал, чем у пеплов, содержащих аллофан;
в) выявлено, что теплопроводные характеристики для мерзлых вулканогенно-обломочных пород (шлаков и пеплов) значительно ниже, чем для песков осадочного генезиса.
Практическое значение. Полученные результаты исследований использовались при проведении геокриологического прогноза территории Камчатки и расчета глубин сезонного промерзания
и протаивания. Также данные по теплофизическим свойства могут использоваться при инженерном применении вулканических шлаков и пеплов в качестве строительного материала. Часть
экспериментальных результатов применяется в учебном процессе студентов при прохождении практического курса "Общая геокриология".
Положения, выносимые на защиту
1. Модифицированная методика изучения теплофизических свойств и фазового состава влаги вулканических шлаков и пеплов разного возраста позволяет не только получить новые данные,
но и объяснить установленные закономерности с учетом химико-минерального и гранулометрического состава, водно-физических свойств и морфологических особенностей пород.
2. Фазовый состав влаги в мерзлых вулканических шлаках и пеплах разного возраста изменяется в зависимости от температуры, состава и свойств пород, и количество незамерзшей
воды вне области интенсивных фазовых переходов может составлять 030%.
3. Величины коэффициентов тепло- и температуропроводности и теплоемкость мерзлых вулканических шлаков и пеплов разного возраста изменяются в зависимости от влажности, плотности,
пористости и состава пород: а) коэффициент теплопроводности от 0,14 до 1,3 Вт/(м.К), б) коэффициент температуропроводности от 0,13 до 0,7.10-6 м2/с, в) теплоемкость
от 900 до 1500 Дж/(кг.К).
4. Появление аморфных глинистых минералов (аллофана, палагонита) в результате преобразования вулканического стекла во времени приводит к увеличению количества незамерзшей
воды в мерзлых вулканических шлаках и пеплах и к уменьшению их теплопроводных характеристик.
Апробация работы и публикации
Всего по теме диссертации опубликовано 25 работ, из них 2 статьи из Перечня ведущих рецензируемых научных журналов ВАК. Основные результаты работы докладывались на международных
конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов" (Москва, 2006; 2008), региональной конференции молодых ученых и специалистов "Вопросы региональной геокриологии
и географии" (Якутск, 2006), 10-ой научно-технической конференции ТМЗГ-2006 (Санкт-Петербург, 2006), 7-ом и 8-ом Международных симпозиумах по проблемам инженерного мерзлотоведения
(Чита, 2007; Сиань, Китай, 2009), съездах Европейского Геофизического Союза (Вена, 2007; 2011), 9-ой международной конференции по мерзлотоведению (Фейрбенкс, 2008), ежегодном
семинаре по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии (Москва, 2009), международных конференциях "Глины, глинистые минералы и слоистые материалы" (Звенигород, 2009)
и "Будущее глин" (Ньюкасл, 2009), гляциологическом симпозиуме "Лед и снег в климатической системе" (Казань, 2010), ежегодном совещании по глинам (Севилья, 2010), межъевропейской
конференции по глинам (Будапешт, 2010), первом Российском совещании "Глины 2011" (Москва, 2011), 4-ой конференции геокриологов России (Москва, 2011), Европейской конференции
по глинам (Анталия, 2011), на 7-ом международном совещании по процессам в зонах субдукции Японской, Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг "JKASP-2011" (Петропавловск-Камчатский,
2011), ежегодной научной конференции "Ломоносовские чтения" (Москва, 2011).
Структура и объем
Работа состоит из введения, шести глав и выводов. Содержание работы изложено на 191 странице печатного текста, включая 16 таблиц, 87 рисунков. Библиографический список включает
198 источников отечественных и зарубежных авторов.
Благодарности. Автор выражает искреннюю и глубокую благодарность своему научному руководителю кандидату геолого-минералогических наук, доценту Мотенко Р.Г. за всестороннюю
помощь в процессе подготовки диссертации. Также выражает благодарность всему коллективу кафедры геокриология за внимание, рекомендации и советы при подготовке работы, в частности
зав. кафедрой д.г.-м.н. Брушкову А.В., профессорам Гарагуле Л.С., Романовскому Н.Н., зав. лабораториями Зыкову Ю.Д. и Комарову И.А.
Автор благодарит Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения (ИФХиБПП РАН) в лице зав. лаборатории криологии почв д.г.-м.н. Гиличинского Д.А. и сотрудника
к.г.-м.н. Абрамова А.А. за предоставленную возможность участия в международной экспедиции "Берингия" летом 2006 года, а также за совместные публикации.
Автор благодарит за помощь в выполнении экспериментальной программы и оказанные консультации сотрудников кафедры инженерной и экологической геологии: с.н.с. Ладыгина В.М.,
доцента Фролову Ю.В., с.н.с. Крупскую В.В., доцента Николаеву С.К., ведущего инженера Фламину М.В. и инженера Коптеву-Дворникову М.А.; сотрудников кафедры минералогии: с.н.с.
Вигасину М.Ф. и Мельчакову Л.В.; сотрудников кафедры петрологии: в.н.с. Япаскурта В.О. и ведущего инженера Гусеву Е.В.; студентов кафедры геокриологии Гречищеву Э.С. и Алексютину
Д.М.
Автор выражает благодарность Институту вулканологии и сейсмологии ДВО РАН в лице зам. директора к.г.н. Муравьева Я.Д. и сотрудницы д.г.н. Пономаревой В.В. за предоставленную
возможность участия в полевых работах на Камчатке в 2009-2011 гг. и ценные консультации.
|
Библиография:
В журналах, рекомендованных ВАК: 1. Кузнецова Е.П. Исследование незамерзшей воды в вулканических пеплах Камчатки / Кузнецова Е.П., Мотенко Р.Г., Вигасина М.Ф., Мельчакова Л.В. // Вестник МГУ. Серия Геология. 2011. 1. С. 6267. 2. Кузнецова Е.П. Роль содержания льда и незамерзшей воды при оценке теплопроводности вулканических пеплов (Камчатка) / Мотенко Р.Г., Кузнецова Е.П. // Лед и снег. 2011. 2. С. 99104. Тезисы и доклады конференций: 1. Тихонова (Кузнецова) Е.П. Экспериментальные исследования коэффициента теплопроводности вулканических шлаков Камчатки // Тезисы докладов Региональной конференции молодых ученых и специалистов "Вопросы региональной геокриологии и географии". Якутск, изд-во Института мерзлотоведения СО РАН, 2006. C.5051 2. Тихонова (Кузнецова) Е.П. Теплопроводность и фазовый состав влаги мерзлых вулканических шлаков и пеплов / Мотенко Р.Г., Тихонова (Кузнецова) Е.П. // Актуальные проблемы механики, прочности и теплопроводности при низких температурах. / ТМЗГ-2006, Материалы X научно-технической конференции, под ред. В.В.Улитина С.Пб: С-ПбГУН и ПТ, 2006. C. 6874. 3. Тихонова (Кузнецова) Е.П. Экспериментальные исследования теплофизических свойств вулканических шлаков // Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов-2006". 2006. С. 1011. 4. Тихонова (Кузнецова) Е.П. Фазовый состав влаги мерзлых вулканических пеплов и шлаков / Мотенко Р.Г., Тихонова (Кузнецова) Е.П., Ладыгин В.М., Фролова Ю.В. // Проблемы инженерного мерзлотоведения / Материалы VII Международного симпозиума в г. Чите. Якутск, 2007. C. 135138. 5. Tikhonova (Kuznetsova) E. Mountain permafrost in areas of modern volcanic activity: Kluchevskaya volcano group (Kamchatka) / Abramov A., Gilichinsky D., Motenko R., Tikhonova (Kuznetsova) E. // EGU letters, N 00243. 2007. 6. Тихонова (Кузнецова) Е.П. Фазовый состав влаги в мерзлых вулканических пеплах Камчатки (Ключевская группа вулканов) // XV Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов-2008", 2008. С. 5. 7. Tikhonova (Kuznetsova) E. Experimental study of thermal properties for frozen pyroclastic volcanic deposits (Kamchatka, Kluchevskaya volcano group) / Motenko R., Tikhonova (Kuznetsova) E., Abramov A. // Proceeding of the 9th international conference of permafrost (edited by D. Kane and K. Hinkel), Fairbanks, Alaska, USA, 2008. Р. 12511254. 8. Кузнецова Е.П. ИК-спектроскопия и термическое исследование вулканических пеплов разного возраста / Кузнецова Е.П., Мотенко Р.Г., Вигасина М.Ф., Мельчакова Л.В. // Ежегодный семинар по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии / Вестник отделения наук о Земле РАН. 2009. 1 (27). C. 83. 9. Kuznetsova E.P. Allophane as the product of volcanic glass alteration of different ages / Kuznetsova E.P., Motenko R.G., Vigasina L.V., Melchakova L.V. // Clays, clay minerals and layered materials, Moscow, 2009. P. 128. 10. Kuznetsova E.P. Thermal properties and phase composition of water for frozen saponites / Motenko R.G. , Karpenko F.S., Kuznetsova E.P., Aleksyutina D.M. // Clays, clay minerals and layered materials, Moscow, 2009. P. 210211. 11. Kuznetsova E.P. Formation of phase composition of water in the frozen volcanic ashes (Kluchevskaya volcano group, Kamchatka) / Motenko R.G., Kuznetsova E.P. // Proceedings of the 8th international symposium on permafrost engineering, China, 2009. P. 518521. 12. Kuznetsova E.P. Estimate of unfrozen water content for frozen volcanic ashes of different ages / Motenko R.G., Kuznetsova E.P. // Futuroclays meeting. Newcastle, 2009. P. 2627. 13. Кузнецова Е.П. Роль содержания льда и незамерзшей воды при оценке теплопроводности мерзлых вулканических пеплов (Камчатка) / Мотенко Р.Г., Кузнецова Е.П. // Материалы Гляциологического симпозиума "Лед и снег в климатической системе" 31 мая 4 июня 2010, Казань (тезисы на диске). 14. Kuznetsova E.P. Allophane and palagonite as the product of volcanic glass alteration of different ages / Motenko R.G., Kuznetsova E.P. // 2010 SEACSSJCMS Trilateral Meeting on Clays. Seville, Spain, 2010. P. 142. 15. Kuznetsova E.P. The influence of allophane and palagonite appearance on the unfrozen water content in the frozen volcanic ashes / Motenko R.G., Kuznetsova E.P., Vigasina L.V., Melchakova L.V. // ACTA Mineralogica-Petrographica, abstract series, IMA2010 and MECC2010 conferences, volume 6 (edited by L. Zaharia, A. Kis, B. Topa, C. Papp, T. G. Weiszburg). Budapest, Hungary, 2010. Р. 625. 16. Kuznetsova E.P. Allophane and palagonite as the product of volcanic glass alteration of different ages / Kuznetsova E.P., Motenko R.G., Vigasina L.V., Melchakova L.V. // Geochimica et Cosmochimica Acta, volume 74, issue 11, supplement 1, Knoxville, Tennessee. 2010. P. 551. 17. Kuznetsova E. The influence of ice and unfrozen water content on the thermal conductivity of frozen volcanic ashes (Kamchatka) / Kuznetsova E., Motenko R. // Geophysical Research Abstracts, Vol. 13, EGU2011-340. 2011. 18. Кузнецова Е.П. Связь минерального состава и скорости преобразования вулканического стекла / Кузнецова Е.П., Мотенко Р.Г., Вигасина М.Ф., Мельчакова Л.В. // Материалы первого Российского совещания "Глины 2011". 2011. C.7576. 19. Кузнецова Е.П. Теплопроводные характеристики вулканических пеплов Камчатки / Кузнецова Е.П., Мотенко Р.Г. // Материалы IV конференции геокриологов России. Кн. 1. М.: изд-во МГУ, 2011. С. 9197. 20. Kuznetsova E. The influence of allophane appearance on the thermal conductivity of frozen volcanic ashes (Kamchatka) / Kuznetsova E., Motenko R. // Euroclay2011, Antalya, Turkey. 2011. P. 9596. 21. Kuznetsova E. Physical and chemical properties of volcanic ashes of different ages (Kamchatka) / Kuznetsova E., Muravyov Ya., Motenko R. // Materials of 7th biennial workshop on Japan-Kamchatka-Alaska subduction processes JKASP-2011. Р. 269270. 22. Kuznetsova E. The changing of deposit properties during volcanic ashes ageing (Kamchatka) / Motenko R., Kuznetsova E. // Abstracts of the International congress Natural cataclysms and global problems of the modern civilization. Istambul. 2011. P. 8889. 23. Кузнецова Е.П. Теплофизические свойства вулканических шлаков и пеплов Камчатки / Кузнецова Е.П., Мотенко Р.Г. // Материалы ежегодной конференции "Ломоносовские чтения". 2011.
|
|
