В природе, в горных породах, происходят различные физические процессы. Кроме того в горных породах как в талом, так и в мерзлом состоянии наблюдается химически связанная вода, которая находится в порах и трещинах. При этом ионы воды будут иметь положительный заряд. Двигаясь по порам горной породы, вода будет увеличивать их, забирая при этом из горной породы отрицательные ионы и в конечном итоге преобразовываться в электрический ток. Исходя из этого, нужно экспериментально исследовать данный эффект, при нахождении горной породы в водной среде, где она подвергается разрушению.
Исследуя процесс разрушения мерзлых глинистых пород в водной среде, авторы работы [1] пришли к выводу, что на поверхности горной породы возникают напряжения из-за перепада температуры на поверхности образца. Но, в этом случае из-за разности температур между водой и мерзлым образцом горная порода должна разрушиться с большой скоростью. По результатам экспериментальных исследований было выявлено, что этого не происходит [2], и как показали исследования других ученых [3, 4], вода в осадочных породах находится в неподвижном состоянии.
Авторами [1] была высказана гипотеза, о существовании неизвестного механизма разрушения поверхности мерзлого глинистого материала, проявляющегося в определенных условиях. Данный механизм был назван «автотерминирующим», так как при разрушении наблюдаются аномалии зависимости температуры пород от коэффициента линейного расширения, влажности, температуры воды. Исходя из вышесказанного, интенсивность разрушения пород будет определяться двумя параметрами: деформацией и глубиной. Однако исследования пород с низким содержанием глинистой составляющей показали, что аномалии коэффициента линейного расширения существенного влияния на процесс дезинтеграции поверхности образца не оказывают.
Кроме того, влияние данных параметров на разрушение глинистых пород при нахождении в воде объясняются разными механизмами.
Цель исследования: исследовать механизм разрушения мерзлых глинистых пород в водной среде.
Материалы и методы исследования
Комплексная реализация цели и вытекающие из нее задачи осуществлялись с использованием анализа литературных данных, обобщением известных результатов исследований, постановки и проведение экспериментальных исследований, обработку экспериментальных данных с привлечением методов математической статистики.
Изучение механизма разрушения мерзлых дисперсных пород при помещении в водную среду основывалось на измерении электрических потенциалов естественного электрического поля в образцах (ЕЭП). Экспериментальные исследования выполнялись по методике, изложенной в работе [1]. Эксперимент по ЕЭП, возникающих в процессе разрушения мерзлых дисперсных пород, состоял из следующих основных этапов [5].
Из глины и песка изготавливались образцы с влажностью 30 % и удельным электрическим сопротивлением воды ρж = 60 Ом·м. Соотношение глины и песка – 35 % и 65 % соответственно. Изготовленные образцы замораживались при температуре –17…–20 °С. После замораживания испытываемый материал в течение 48 ч выдерживался в климатической камере с температурой –3…–5 °С [5]. Затем образцы помещались в ванну с водой, температура которой поддерживалась +10 °С, или воздушную среду. Далее в водяной ванне или воздушной среде в образцах и на их поверхности проводилось измерение разности потенциалов ЕЭП по различным схемам.
В первом случае (способ градиента потенциалов) в образец вмораживались два электрода [6]. Электрод М располагался в центральной части образца, электрод N – в 10 мм от ближайших его граней. Измерения разности потенциалов DU между электродами регистрировались непрерывно в течение нескольких минут регистрирующим блоком после погружения в воду или воздушную среду с положительной температурой (рис. 1).
Рис. 1. Схема измерения естественного электрического поля способом градиента
Во втором случае (способ потенциалов) в образец вмораживался один электрод M, а электрод N на максимальном удалении от образца «заземлялся» в емкости с водой, в которой находился образец с электродом M (рис. 2).
Рис. 2. Схема измерения естественного электрического поля способом потенциала
Результаты исследования и их обсуждение
В результате проведенных экспериментов установлено, что ЕЭП в водонасыщенных образцах песчано-глинистых пород образуются на начальных стадиях при их замораживании. Данный эффект объясняется тем, что в мерзлом образце кроме льда присутствует незамерзшая вода и между ними образуется межфазный потенциал.
С момента перемещения образца из климатической камеры с отрицательной температурой в воздушную среду с положительной температурой до момента полного протаивания образца происходит изменение разности потенциалов ЕЭП (рис. 3).
Рис. 3. Изменение разности потенциалов ЕЭП в песчано-глинистом мерзлом образце в воздушной среде
При погружении мерзлого песчано-глинистого образца в воду на внешней его поверхности наблюдается отрицательный электрический потенциал, а внутри образца – положительный. По-видимому, образование таких полей связано с фильтрационными потенциалами (ФП), возникающими в результате проникновения воды по капиллярам в образец с большой скоростью.
При прохождении жидкости через горные породы в определенных условиях возникают потенциалы фильтрации. Механизм возникновения ФП в образцах пород представляется следующим образом.
На поверхности раздела капилляра с раствором электролита (в данном случае – незамерзающая вода) образуется двойной электрический слой. Внешняя часть его сформирована диффузионным слоем ионов. Причем для меньшей концентрации раствора толщина его больше [3]. При погружении замороженного образца в воду между концами капилляра создается разность давлений, тем самым при прохождении через капилляр жидкость увлекает часть ионов диффузного слоя, разности потенциалов, складываются в общее электрическое поле.
Таким образом, сам капилляр приобретает положительный заряд, а на его конце с большим давлением возникает отрицательный потенциал. В общем случае поры в образце можно рассматривать как систему капилляров, в каждой из которых происходит процесс аналогичный описанному. При проникновении воды в мерзлый образец возникающие в каждом отдельно взятом капилляре электрокинетические
Измерение потенциалов собственной поляризации дисперсных мерзлых пород в случае, когда в образец вмораживались два электрода, позволило охарактеризовать некоторые изменения электрических полей, возникающие при погружении образцов в водную среду. Так, по мере оттаивания образца уменьшается положительная разность потенциалов между электродами M и N (рис. 4, график 2). При достижении границы раздела твердой и жидкой фазы электрода N – разность потенциалов равна 0 (рис. 4, график 1).
В тот момент, когда электрод N оказывается на внешней поверхности образца, увеличивается отрицательный потенциал, так как внешняя часть образца обладает значительным отрицательным зарядом. При помещении талого песчано-глинистого образца в водную среду, описанного в работах [7, 8] изменения разности потенциалов не наблюдалось. По-видимому, поры образца заполнены водой и проникновения воды с большой скоростью в образце не происходит, поэтому наблюдаемая разность потенциалов небольшая (рис. 4, график 2), не меняющаяся за время эксперимента.
Рис. 4. Зависимость разности потенциалов ΔUАВ мерзлых (1) и талых (2) песчано-глинистых образцов в водной среде от времени
Рис. 5. Изменение разности потенциалов ЕЭП мерзлого песчано-глинистого образца в водном растворе хлористого натрия
Для более полного понимания процесса фильтрации при размокании мерзлого образца в одном из экспериментов был применен водный раствор хлористого натрия с концентрацией 30 г/л (рис. 5).
В этом случае при фильтрационном движении воды происходит химическое разделение содержащихся в ней ионов, тем самым значительно снижается разность потенциалов ЕЭП между электродами.
Выводы
Характеристики разности электрических потенциалов собственной поляризации мерзлых дисперсных грунтов позволяют получить информацию о некоторых механизмах их дезинтеграции в водной и воздушной средах с различными условиями. Метод может быть весьма успешно применен при анализе изменений температуры в горной породе при ее оттаивании. Исследования подтверждают гипотезу об «автотерминации» процесса разрушения мерзлых песчано-глинистых пород.