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

Основные результаты и выводы.

1. Составлена и выполнена 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. Объектом исследования служили вулканические шлаки и пеплы, отобранные на Камчатке (район Ключевской группы вулканов и средняя часть Центральной Камчатской депрессии), которые являются продуктами извержения разных вулканов, и основной возраст которых варьировал от 35 до 9000 лет.

2. Проведено экспериментальное исследование теплофизических свойств и фазового состава влаги в мерзлых вулканических шлаках и пеплах разного возраста, состава и свойств, отобранных на Камчатке (а также для сопоставления полученных результатов - в Исландии), и получены новые экспериментальные данные. На основании результатов исследования можно сделать следующие выводы:

- впервые получены закономерности изменения содержания незамерзшей воды в мерзлых вулканических дисперсных породах в диапазоне отрицательных температур и установлена связь W_w с возрастом и химико-минеральным составом исследуемых пород;

- влияние возраста проявляется через преобразование вулканического стекла во времени и появление аморфных глинистых минералов в его составе, имеющих высокую удельную поверхность; в камчатском шлаке (возраст около 35 лет) практически нет незамерзшей воды, в пеплах, содержащих опал, количество незамерзшей воды Ww меняется от 0 до 2-3 %* при увеличении возраста от 35 до 8300 лет; в пеплах, содержащих аллофан, - Ww изменяется от 2 до 12%* при увеличении возраста от 1500 до 9000 лет; в исландском шлаке и пепле (возраст около 15000-150000), содержащих палагонит, содержание незамерзшей воды - 3 и 5%*, соответственно;

- самое большое количество незамерзшей воды (около 27%*), выявлено в пепле из толщи самых древних четвертичных пород Камчатки - "синих глин" (Q₁²) - что связано с его засоленностью;

- для пеплов с андезитовым и базальтовым стеклом с увеличением возраста содержание незамерзшей воды увеличивается быстрее и в большем объеме, чем для пеплов с риолитовым стеклом, у которых и скорость процесса изменения, и количество незамерзшей воды меньше из-за большего количества SiO₂ в его составе.

3. Впервые установлены закономерности изменения коэффициентов тепло- и температуропроводности вулканических шлаков и пеплов разного возраста, гранулометрического и химико-минерального состава для талого и мерзлого состояния от влажности, плотности, содержания незамерзшей воды и льда. Выявлено:

- в воздушно-сухом состоянии значения коэффициентов тепло- и температуропроводности для всех вулканических пород равны 0,15-0,18 Вт/(м^.К) и 0,13-0,19^.10^-6 м²/с, соответственно;

- значения коэффициентов теплопроводности для шлаков и пеплов при фиксированных значениях влажности и плотности близки, что объясняется пониженными значениями теплопроводности более пористых шлаков;

- значения теплопроводности при фиксированных значениях степени влажности выше у пеплов, состав которых был определен как опал, чем у пеплов аллофанового состава;

- теплопроводность и температуропроводность в мерзлом состоянии выше, чем в талом состоянии, для всех исследуемых вулканических дисперсных пород (λ_м/λ_т); наибольшее значение λ_м/λ_т = 1,9 и а_м/а_т = 2,7 получены для пеплов и шлаков, где практически нет незамерзшей воды; отношение λ_м/λ_т и а_м/а_т, с увеличением влажности увеличивается быстрее в пеплах, содержащих опал, чем у пеплов аллофанового состава;

- теплопроводные характеристики для мерзлых вулканогенно-обломочных пород (шлаков и пеплов) значительно ниже, чем для песков осадочного генезиса, что объясняется появлением в них незамерзшей воды, формой частиц, а также меньшими значениями коэффициентов теплопроводности аморфных компонентов породы, величина которых уменьшается с понижением температуры;

- значения теплоемкости скелета исследуемых шлаков и пеплов изменяются в интервале 750-1000 Дж/(кг^.К) (при 0^оС); при увеличении W от 13 до 80% значения удельных теплоемкостей для шлаков и пеплов находятся в интервале от 1000 до 2200 Дж/(кг^.К) в талом и от 900 до 1500 Дж/(кг^.К) в мерзлом состояниях.

Примечание: * - данные по содержанию незамерзшей воды даны для интервала температур ниже основных фазовых переходов (<-3^оС)