Теплофизические свойства и фазовый состав влаги мерзлых вулканических шлаков и пеплов Камчатки

Введение.

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 из-за 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 2009-2011 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 ФСМ-1201 и на дериватографе Q-1500D (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 "INCA-Energy 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 λ_м/λ_т и а_т/а_м 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 0-30%.

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.