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

Глава 5. Закономерности изменения содержания незамерзшей воды в мерзлых вулканических шлаках и пеплах.

Фазовый состав влаги мерзлых дисперсных пород зависит от многих факторов: от их гранулометрического и минерального состава, температуры, засоленности, генезиса, возраста и др.

Было проведено исследование содержания незамерзшей воды шлаков и пеплов разного возраста и состава в диапазоне температур от 0 до -10...-15^oС.

Рис. 5.1. Зависимость содержания незамерзшей воды для вулканических шлаков и вулканического песка: 1 - вулканический шлак (Камчатка), 2 - вулканический песок (Камчатка), 3 - вулканический шлак (Исландия)

Выявлено, что в исследуемых современных камчатских шлаках, возраст которых около 35 лет, практически нет незамерзшей воды в области ниже основных фазовых переходов, ее содержание составляет <1%. Для исследованного исландского шлака, возраст которого около 15000-150000 лет, взятого для сопоставления свойств с камчатским шлаком, содержание незамерзшей воды составляет 2-3 % для этого же температурного диапазона.

Исландский шлак содержит небольшое количество палагонита (гидратированного стекла), который является первой фазой образования смектитов. Нахождение этого материала в шлаке повышает удельную активную поверхность частиц, а это, в свою очередь, приводит к увеличению содержания незамерзшей воды.

Рис. 5.2. Зависимость содержания незамерзшей воды (Ww, %) от температуры (t, oC) для мёрзлых вулканических пеплов Камчатки (А-В) и Исландии (Г). Участки отбора и возраст: А - высота 1000-1630 м, возраст 35-1500 лет; Б - высота 700-800 м, возраст 950-2500 лет; В - высота 290 м, возраст 6500-8000 лет; Г - возраст около 15000-150000 лет; на рисунках цифры под графиками соответствуют номерам образцов

В исследуемых вулканических пеплах содержание незамерзшей воды изменяется от 0 до 27 % (рис. 5.2 и 5.3). Как видно из этих рисунков содержание незамерзшей воды для каждого из исследованных пеплов при температуре ниже основных фазовых переходов изменяется незначительно. Проанализируем данные для всех исследуемых пеплов для этого температурного интервала, например, при температуре ниже -6 ^oС.

На рисунке 5.2 для образцов, отобранных с высот 1000-1630 м и имеющих возраст 35-1500 лет, содержание W_w изменяется от 0 до 11 % (рис. 5.2, А); для пеплов с высот 700-800 м и имеющих возраст от 950 до 2500 лет (рис. 5.2, Б), - от 0 до 2-3 %; для пеплов с высоты 290 м, возраст которых от 6500 до 9000 лет, - от 3 до 12 % (рис. 5.2, В). На рисунке 5.2, Г представлены данные, полученные для вулканического пепла из Исландии, и содержание незамерзшей воды в нем более 4%. В пепле, как и в исследованном шлаке, был найден палагонит.

Самое большое количество незамерзшей воды (до 27%) (рис. 5.3) было найдено в пепле из толщи самых древних из четвертичных пород Камчатки - толщи "синих глин", возраст которых - вторая половина раннего плейстоцена (Q₁²). Он оказался засоленным (содержание солей 1,82%, тип засоления сульфатный). Появление засоленности в этом пепле может быть связано с тем, что во время извержения на поверхности пепловых частиц сорбируется значительное количество анионов и катионов из газовой сферы, поэтому свежевыпавший пепел обогащен сульфатами, хлоридами и т.д. Эта пленка может полностью разрушиться через несколько тысяч лет. Возможно, что в толще "синих глин" произошла консервация адсорбированной пленки. Но этот факт требует дальнейшего исследования.

Рис. 5.3. Зависимость содержания незамерзшей воды (Ww, %) от температуры (t, oC) для мёрзлых вулканического пепла (N32) и суглинков, отобранных выше (32?) и ниже (32?) слоя пепла на высоте 129 м и имеющих возраст Q12

На рисунке 5.4 представлены данные по содержанию незамерзшей, гигроскопической и термической воды в вулканических пеплах разного возраста. Содержание незамерзшей воды для пеплов с риолитовым стеклом, содержащих опал, количество воды заметно меньше, чем для пеплов с андезитовым и базальтовым стеклом, содержащих аллофан, что свидетельствует о более высокой скорости преобразования последних. Значения для исландского пепла (N8), содержащего палагонит, находятся между значениями для опаловых и аллофановых пеплов.

Аллофан представляет собой полую сферу с дефектами в структуре стенок, дающие в результате микропоры в диаметре 0,3-2,0 нм. С наличием этих очень мелких пор связывается водоудерживающая способность аллофанов. Большинство палагонитов состоят из складчато-слоистых и волокнистых частиц, похожих на смектитовые минералы. Опал характеризуется существованием сферических пучков сетчатоподобных сфер гидратированного кремния.