Реферати українською » География » Дивовижна мерзлота


Реферат Дивовижна мерзлота

Предыдущая страница | Страница 2 из 2

Завмерла картина шаруватості в промерзлих пухких відкладеннях пов'язана з кліматом минулих тисячоліть. Познать ж закономірності зміни клімату означає розраховувати на доказ багатьох таємниць, які хвилюють людство. Яким чином, виникає слоистость? Можна відразу сказати, зростання окремих лінз цілком аналогічний картині, що її описали для крижаного тіла лежить на поверхні керамічного фільтра. Але що викликано їх виникнення у цьому конкретному місці й чого вони припиняють своє зростання згодом? Відповідь ці запитання потребує аналізу внутрішніх напруг у промерзающем грунті, а точніше у тій зоні, де міститься коренева система зростання лінзи.

Якщо за стаціонарному зростанні льоду лежить на поверхні фільтра протяжність кореневої зони не змінюється, то, при промерзании грунту її довжина дедалі зростає та внутрішні напруги окремими компонентах грунту також змінюються. За законами механіки, у кожному поперечному сечении зони кореневої системи величина зовнішньої навантаження завжди мусить бути дорівнює сумі напруг у окремих компонентах грунту. Інакше кажучи, навантаження дорівнює сумі внутрипоровых напруг (обумовлених внутрішнім тиском в кризі і некрижаної воді) і напруг у скелеті мінеральних частинок грунту. Цей баланс передбачає, що з постійної загальної навантаженні збільшення тиску всередині пір супроводжується зменшенням напруг у скелеті.

У певний той час у певному сечении зони кореневої системи поровое тиск, монотонно наростаючи, сягає значення зовнішньої навантаження. У скелеті грунту починають виникати розтягують напруги. Проте пухкі відкладення що немає міцністю на розрив, і мінеральні частинки починають розходитися у просторі, яке моментально заповнюється льодом. Так утворюється нова лінза льоду, перекрывающая все поперечне перетин зразка і позбавляє харчування водою попередню лінзу. Остання відразу ж потрапляє припиняє своє зростання. Далі процес повторюється, що призводить до утворення шаруватої текстури. Кількісно її параметри (розміри крижаних лінз і відстані з-поміж них) визначаються математичної моделлю текстурообразования, котра враховує в рівняннях сув'язь чинників, що впливають саме на це.

На рис. 5 наведено результати обчислень основних параметрів текстури для промерзающего у природних умовах грунту. Ліва частина малюнка підтверджує загальну закономірність немонотонного розподілу товщини крижаних лінз з глибиною. Права - демонструє можливість освіти потужного шару льоду у верхній частині розтину. Проте головна перевага даної математичну модель у тому, що вона вказує ясні причини конкретні умови, у яких формуються ті чи інші картини розподілу льоду в масиві. Так, зменшення товщини крижинок, починаючи із певною глибини, зумовлено вагою вышележащей товщі, гасящей процес виділення льоду. А освіта масивного крижаного тіла зумовлено досить м'якими умовами промерзання і високої проницаемостью вихідної талої породи.

Рис. 5. Розрахункові залежності параметрів шаруватої кріогенної текстури від глибини при коефіцієнті гидропроводности 10–11 (зліва) і десяти–10 м3·с·кг–1. Криві (1) показують немонотонное зміна товщини крижаних лінз; за підвищеної водопроникності грунту (справа) розрахунок пророкує освіту масивного крижаного тіла у верхній частині пласта. Криві (2) відповідають монотонному збільшення з глибиною відстаней між крижинками.

Наскільки корисним інструментом дослідження може бути розглянута модель, показує наступний приклад. Помічено, що розташування крижаних лінз по розрізом іноді недостатньо регулярно. Вони зближуються, то знову розбігаються, нагадуючи нерівномірно розтягнуту гармошку. Це є й у порівняно однорідних за складом і властивостями відкладеннях. Донедавна такі аномалії не піддавалися навіть якісному поясненню. Зокрема, сезонні коливання температури лежить на поверхні масиву хоч і мають значну амплітуду, але з проникають всередину Землі більш як 10-15 м. Отже, вони можуть змінити картину розподілу нижче цього рівня. Длиннопериодные ж коливання (не більше десятиліть), зумовлені зміною клімату, мають дуже малу амплітуду і не надають істотно саме на це.

Які є ж ще обурення здатні порушити плавні зміни параметрів криотекстуры? Пригадаємо, що природні масиви грунту, зазвичай, мають гідравлічну зв'язку з відкритими водоймами, коливання рівня так само натурально, як і коливання температури лежить на поверхні. Проте на відміну від температури зміна тиску в ґрунтовий воді, викликане коливанням рівня, поширюється по гідросистемі великі відстані практично без загасання. Наскільки такий вплив на процес освіти криотекстуры?

Результати розрахунку конкретного прикладу показані на рис. 6, у якому порівнювати наведено аналогічні дані за рівня водойми [4]. Розподіл льдистости разюче змінилося. Залежність проміжків між крижаними лінзами набрала вигляду згаданої “гармошки”, а залежність їх товщини від глибини стала носити коливальний, загасаючий характер. Цікаво, що періодичність розташування льоду недостатньо відповідає періодичності накладених обурень. Тут іде складного процесу інтерференції коливань тиску та поровых напруг, який призводить до утворення структур, схожих із завмерлою картиною биттів, відомій у коливальних процесах. На підтвердження впливу гідростатики водойми на параметри криотекстуры необхідно порівнювати з конкретним геологічним матеріалом. Але вже виходячи з виконаних розрахунків можна припустити, що кріогенні текстури консервують ритміку гідрологічної обстановки минулих епох і може служити її палеоклиматическим індикатором.
 

Рис. 6. Порушення плавного зміни параметрів криотекстуры при коливаннях рівня водойми, з яким грунт має гідравлічну зв'язок. Товсті лінії відповідають постійному рівню води, тонкі - коливань рівня з амплітудою 10 м. 1 - крива розподілу за глибиною товщини крижинок, 2 - відстаней з-поміж них.

Математична модель текстурообразования дає пояснення та інших цікавим фактам, які помічені в натурних і лабораторних дослідженнях. Наприклад, відомо, що у тонкодисперсной товщі перебував піщаний шар, то після промерзання зона в 1.5-2 м вище над ним мало містить крижаних лінз. Пояснюється це торканням кореневої системи черговий зростання лінзи піщаного пласта і швидким замерзанием останнього. Вся річ у протяжності зони кореневої системи, а її глибинах більш як 15-20 м має довжину близько метри.

Інший приклад узятий із лабораторної практики. На рис. 7 показано зміна швидкості зростання льоду залежно від температури охолодження. Провели два схожих досвіду, але незбагненним чином щодо одного разі швидкість зростала зі зниженням температури, а іншому - падала. Пояснити вдається, лише за допомогою точних рівнянь. Виявляється, при одним і тієї ж зовнішніх умов існування двох стійких режимів зростання, відмінних протяжністю кореневої системи та по-різному реагують зміну температури.
 
 

Рис. 7. Експериментальні визначення швидкості зростання льоду у двох дослідах з близькими зовнішніми умовами. У випадку (зліва) массоперенос збільшується зі зниженням температури, й інші - падає. Ключову роль у цьому відіграє протяжність кореневої системи, яка може приймати два стійких значення при однакових зовнішніх параметрах. Ці режими зростання відрізняються напрямом реакції системи зміну температури охолодження. На правом малюнку кольорової кривою показаний розмір промерзающей зони.

Загадка рідких включень

Звісно, не всякий що міститься у грунті лід утворюється оскільки описано вище. Він то, можливо просто похований під наносами мулу або утворитися із води, внедрившейся під напором у вже мерзлі верстви. Завжди важливо точно встановити умови її формування, оскільки які й відтворюють конкретну обстановку минулого. Істотну допомогу надають результати досліджень численних включень, які у природних льодах, - газоподібних, твердих чи рідких. Пузырьки газу можуть багато розповісти склад атмосфери у часи, тверді частинки характеризують властивості які вміщали порід, а рідкі включення - походження і склад замерзлій води.

Капелька концентрує всередині себе більшу частину домішок і тому залишається некрижаної в крижаному тілі. При накладення на лід градиентного поля температури все мікроскопічні освіти починають повільно переміщатися на більш теплу бік льоду. У умовах з часом відбувається його самоочистка. Наприклад, відбувається опріснення морського льоду, який на час формування містить численні крапельки розсолу. Для оцінки віку самого льоду важливо знати закономірності переміщення включень. У лабораторіях створюються спеціальні криоскопические установки (рис. 8), де спостережувані під мікроскопом процеси виводяться на екран телевізора чи комп'ютера, а запам'ятовуючі пристрої дозволяють відтворити всі деталі явищ.
 

Рис. 8. Загальний вид установки на дослідження микропроцессов в промерзающих зразках.

Одна загадка довгий час позбавляла сну дослідників, які спостерігали рух краплі в кризі. (Таке рух відбувається внаслідок відтаювання льоду з теплою боку краплі і його замерзання з протилежного, тобто. завдяки відомому нам процесу режеляции.) Річ у тім, що, рухаючись убік підвищених температур крапелька що й збільшується у розмірі. Це зрозуміло, оскільки відбувається часткове відтавання льоду отже концентрація розчину у ній знижується відповідно до умовами фазового рівноваги. Але різниці плотностей води та льоду при фактичному збільшенні розмірів краплі в ній повинні виникати дуже серйозні розтягують напруги, що призводять до внутрішнім розривів і газовыделению. Однак жоден мікроскоп у світі не зафіксував це явище! Розгадка залежить від незвичайних властивості льоду. Цей твердий мінерал при довготривалих навантаженнях може текти, як дуже в'язка рідина [5]. Саме плинність криги й розвантажує краплю від високих растягивающих напруг. Теорія, побудована з урахуванням даного властивості льоду, демонструє цю обставину в числах.

Два графіка на рис. 9 показують, що внаслідок плинності льоду напруги у краплині знижуються по абсолютну величину понад три порядку від значень, відповідальних його недеформируемой ідеалізації. Правильно побудована теорія дозволяє вирішити чимало інших важливих питань. Наприклад, з теорії руху крапель слід, що й швидкість має залежати від початкового радіуса - ця справді зокрема у досвіді. Інший висновок теорії, який піддавався експериментальної перевірці, у тому, що аналогічні рідкі включення переміщаються й у мерзлому грунті, причому з швидкістю кілька разів вищий, ніж в кризі. Причина - істотно менші витрати у разі на фазовий перехід, бо значна частина рідини заміщується мінеральними частинками. Отримує пояснення і іще одна загадковий факт - блукання великих скупчень розсолу, про криопэгов, всередині мерзлої товщі. (Пригадаємо, що швидкість переміщення включень залежить від їх радіуса.) Це зазначено у Якутії і західному узбережжі Ямалу. Швидше за все, блукання криопэгов зобов'язане природним температурним градиентам, які завжди в природної середовищі.
 

Рис. 9. Растягивающее напруга всередині рідкого включення в кризі в різних температурах. У результаті плинності льоду напруги у краплині знижуються по абсолютну величину понад три порядку (крива 1) порівняно з значеннями, відповідають його недеформируемой ідеалізації (крива 2). Завдяки цьому рушійна в кризі крапля зовсім позбавлений пухирців пара.

Ще один несподіване додаток теоретичних результатів - отримання прісної води з айсбергів (рис. 10). У крижаному гіганті бурять свердловину завглибшки кілька сотень метрів. Спеціальним нагревателем на забої проплавляется порожнину, у якій отсасывающим насосом створюється максимально можливе розрядження. Під впливом перепаду тиску між водою в океані й у порожнини лід починає текти всередину порожнини. При включеному нагревателе він безупинно тане їхньому межах, а що настає вода відкачують на судно. Розрахунки вчених показують, що з отримання 30 т води на добу діаметр порожнини має становити приблизно шість м. У цьому швидкість течії льоду їхньому межах дуже мала - кілька мікрон в секунду.
 

Рис. 10. Схема видобутку прісної води з крижаних масивів. 1 - айсберг, 2 - стовбур свердловини, 3 - нагрівач, 4 - насос, 5 - шланг, 6 - танкер, 7 - проплавленная порожнину, 8 - патрубок.

* * *

У стислому нарисі неможливо охопити усе різноманіття явищ в мерзлих грунтах, мають фізичну природу. Ми навіть торкнулися чудових фактів існування льоду всередині порід при позитивних температурах, незвичайної форми включень в кризі, низькою температури плавлення малих крижаних тіл, і багато іншого, що збурює фантазію дослідника. І все-таки сказаного досить, щоб можна вважати мерзлий грунт дивовижним освітою природи.

Література

1. Дерягин Б.В., Чураев Н.В. Смачивающие плівки. М., 1984.

2. Маэно М. Наука про льоду. М., 1988.

3. Горелік Я.Б., Колунин В.С., Решетников О.К. // Криосфера Землі. 1999. Т.3. №1. С.69-77.

4. Горелік Я.Б., Колунин В.С. // Криосфера Землі. 2000. Т.4. №2. С.41-51.

5. Войтковский К.Ф. Механические властивості льоду. М., 1960.
 

Предыдущая страница | Страница 2 из 2

Схожі реферати:

Навігація