|
Читайте также: |
Сразу оговоримся, что существуют разные виды льда, но в географической оболочке распространен только один вид льда, о котором и пойдет речь.
1. При каких условиях образуется
Сперва рассмотрим, какие физические условия необходимы для формирования льда. Эти условия характеризует фазовая диаграмма.воды. Обратите внимание, что увеличение давления до тройной точки приводит к повышению температуры замерзания воды, а далее- наоборот, к ее повышению, что часто реализуется в грунтах. Итак, первый фактор, определяющий температуру замерзания- давление.
(Критическая точка — сочетание значений температуры и давления, при которых исчезает различие в свойствах жидкой и газообразной фаз вещества)
Второй фактор - то, что для появления кристалла в воде нужны инородные твердые частицы. Без таких частиц жидкая вода может находиться в переохлажденном состоянии при температурах до -50 и ниже. Но в грунтах подобное невероятно, т.к. частица минерального скелета представляют собой подходящие ядра кристаллизации.
Третий фактор, определяющий температуру замерзания воды – это степень связанности воды. Лёд образуется в почвах при понижении температуры из других форм влаги последовательно — начиная от свободных и заканчивая связанными. Так, гравитационная вода замерзает в незасоленных почвах при температурах, близких к 0 °C, а максимально гигроскопическая — только при −78 °С. Степень связанности воды обычно зависит от гранулометрического состава пород, определяющего в свою очередь, площадь свободной поверхности, а значит воздействие молекулярных сил. Таким образом, в разных грунтах вода замерзает при разных температурах. Замерзание всей находящейся в почве воды наблюдается для грунтов при температурах:
Грунт Интервал температур замерзания
Каолинит -10-20 °C
Лёгкий суглинок -20-30 °C
Пылеватый суглинок -40-50 °C
Аллювиальная глина -50-60 °C
Морская глина -60-70 °C
Монтмориллонит -75-80 °C
Наконец, четвёртый фактор - минерализация. В природной воде всегда содержатся растворенные соли, что вызывает существенное влияние на процессы ее замерзания и кристаллизации льда. Взаимодействие ионов солей с молекулами воды (гидратация) эквивалентно повышению температуры жидкости или понижению потенциальных барьеров между молекулами, что приводит к понижению температуры замерзания. Химический состав природных растворов разнообразен, поэтому рассмотрим процесс их охлаждения и замерзания на примере морской воды; такие растворы обычны, например, в засоленных мерзлых породах Арктического побережья.
Как известно, средний химический состав морской воды следующий: Сl- - 19,7 г/кг; Nа+ - 10,8; SO42+ - 2,7; Мg2+ -1,3; Са2+ - 0,4; К+ - 0,4; НСО3; - 0,1; Вr- - 0,07; Sг2+ - 0,08 г/кг. При понижении температуры в определенной точке, зависящей от концентрации раствора и возможностей переохлаждения начинает кристаллизоваться лед; остающийся по мере выделения льда раствор становится более концентрированным.
Если температура продолжает понижаться, то при -8,2 °С, или -7,3 °С из рассола кристаллизуется глауберова соль (мирабилит) - Nа2SО4 • 10Н2О, а при -22,9 °С - NaCl. При температуре -36,8 °С из рассола выпадает КС1, при -43,2 °С - МgС12 • 12Н2О и при -54 °С СаС12 • 6Н2О. Выпадает также некоторое количество СаСО3. Наконец, при температуре 55 °С замерзает весь раствор.
Соли выпадают в осадок при замерзании раствора преимущественно в виде кристаллогидратов. Кристаллогидраты — кристаллы, содержащие молекулы воды и образующиеся, если в кристаллической решётке катионы образуют более прочную связь с молекулами воды, чем связь между катионами и анионами в кристалле безводной соли. При низких температурах вода в кристаллогидратах может быть связана как с катионами, так и с анионами солей. Многие соли, а также кислоты и основания выпадают из водных растворов в виде кристаллогидратов. Типичными кристаллогидратами являются многие природные минералы, например гипс CaSO4·2H2O.
Установлено, что в результате захвата ионов быстро образующийся лед является более соленым, чем медленно образующийся.
Помимо обычного льда и кристаллогидратов существуют еще газовые гидраты. Это кристаллические вещества, внешне напоминающие снег или рыхлый лёд. Эти соединения образуются путем включения молекул «гостей» в полости кристаллического каркаса, состоящего из молекул «хозяев» другого сорта. Гостями являются молекулы газов, внедряющихся в полости ледяного каркаса без химического взаимодействия с ними, а лишь за счет слабых межмолекулярных взаимодействий. Гидратообразующие вещества – Ar, N2, CO2, CH4, C2H4, C2H6, C3H8 сохраняют в газогидрате химическую независимость, как и вода. Гидрат метана, например, может гореть, внешне это выглядит как горящий снег.
Гг были открыты в 1969 г. Запасы гг в верхней части литосферы и на дне Мирового океана 2*1016 м3, что превышает запасы топлива на Земле во всех прочих видах вместе взятых. При этом гг крайне чувствительны к изменениям температуры и давления.
Итак, лёд образовался. Каковы его свойства? Мы отметим лишь некоторые его особенности. Во-первых, это уменьшение его плотности по сравнению с плотностью воды на 9%. За счет этого лед не тонет, что не дает водоемам промерзать до дна. Нам же важно в нашем курсе и то, что уменьшение плотности означает соответствующее увеличение объема при замерзании, что вызывает, например, пучение грунтов.
Во-вторых, это текучесть под воздействием собственной массы или длительных нагрузок. Интересно также, что текучесть льда повышается при повышении температуры.
В-третьих, это постоянное присутствие во льду некоторого количества жидкой воды на поверхности ледяных кристаллов, что обуславливает способность льда и снега к метаморфизму.
В-четвертых, это большое количество энергии, выделяемое при таянии или требуемое на плавление льда. При замерзании 1 кг породы с влажностью 20% выделяется 16 ккал тепла, его достаточно, чтобы нагреть эту массу породы до температуры 40°
Какими бывают грунтовые льды?
1. По длительности существования
По длительности существования льды бывают кратковременными, сезонными в деятельном слое и многолетними, когда входят в состав мерзлой зоны
Кратковременномерзлое состояние почвы или породы продолжается несколько суток или часов. Возникает оно при ночных заморозках в высоких, средних широтах и южнее, а иногда наблюдается в горных странах, в тропиках и даже на высоких горах экваториальной области.
Сезонномерзлое состояние почвы, породы продолжается несколько месяцев, появляется с наступлением зимних лолодок п полностью прекращается весной или летом. Этот тип лромсрзаиая наиболее характерен для средних и высоких широт (•спорного н южного полушарий. Продолжительность сезонного промерзания и протаивания зависит от широты, долготы, и высоты местности и от других географических и геологических условий.
Многолетнемерзлое (вечномерзлое) состояние породы может длиться без перерыва многие годы, века, тысячелетия. Такое состояние пород встречается на очень больших территориях Арктики и Субарктики, в Антарктиде и на ограниченных площадях горных районов остальной части суши земного шара, например в Тянь-Шане, на Памире, в Тибете н т. п.
Для удобства изложения многолетнемерзлые породы условимся называть просто мерзлыми. Этот термин прочно вошел в мерзлотоведческую литературу, ои наиболее краток и удобен.
Между главными типами промерзания по времени существуют переходные: Между первым и вторым типом отметим промерзание почв, длящееся но часы, а дни или даже недели. Так, продолжительный осенний заморозок может проморозить почву на некоторую глубину, затем наступает оттепель и мерзлый слой частично оттаивает. Подобные явления широко распространены в средних широтах северного полушария.
К промежуточному между вторым и третьим типом относится такое промерзание почв и горных пород, когда последние оттаивают полностью лишь осенью, причем иногда самые верхние слои почвы начинают снова замерзать от наступивших холодов следующей зимы.
Промерзание кратковременное и сезонное распространяется в глубину непосредственно от дневной поверхности почвы, тогда как многолетнее охватывает литосферу с некоторой глубины от дневной поверхности. Но на ледниках Антарктики, Гренландии и других полярных островах, а также на горных ледниках многолетнее промерзание начинается с дневной поверхности, ибо лед здесь, как это и должно быть, является горной породой
Дата добавления: 2015-12-07; просмотров: 55 | Нарушение авторских прав