МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ МГУ Направление ГЕОЛОГИЯ Образовательная программа Кафедра ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ, ГЕОКРИОЛОГИЯ ГЕОКРИОЛОГИИ РЕФЕРАТ Лёд как минерал и горная порода. Свойства льда Студент IV курса Заболотник Сергей 408 уч. гр. МОСКВА 2020 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение………………………………………………………………………….3 1 Состав и строение льда в породах…………………………………………..4 1.1 Кристаллографические свойства и состав льда………………………...4 1.2 Структура и текстура льда………………………………………………...7 2 Свойства льда………………………………………………………………….8 2.1 Оптические свойства льда…………………………………………………9 2.2 Термические свойства льда………………………………………………..9 2.3 Механические свойства льда……………………………………………..10 2.4 Электрические свойства льда…………………………………………….12 Список использованной литературы…………………………………….…14 2 Введение Лёд является важнейшим породообразующим минералом и мономинеральной горной породой криолитозоны. Он присутствует в мёрзлых породах в виде льда-цемента, включений, а также в виде отдельных крупных скоплений. В целом подземный лёд составляет около 2% общего объёма льдов криосферы (это около 0,5 млн км3). Большое распространение льдов на Земле, динамика их изменений и преобразований существенно сказываются на формировании климата, гидрогеологических процессах и планетарном круговороте воды. В формировании условий обитания человека на Земле и в его хозяйственной деятельности лед проявляет себя по-разному. Лед и снег препятствуют глубокому промерзанию пород и водоёмов, ледяной покров используется для организации переправ, аэродромов, является самым дешёвым строительным материалом и может служить основанием для сооружений, применяться для создания ледяных буровых платформ. Лед используют как заполнитель выработанного пространства шахт, с целью предохранения мёрзлых пород от обрушения и просадок, в кровле старых горных выработок. В ряде случаев лед наносит большой материальный ущерб. Ледяной покров препятствует судоходству, разрушающе воздействует на портовые сооружения, электростанции, мосты, нефтяные вышки, корабли. Обледенение судов, самолётов приводит к авариям, обледенение и гляциальные сели грозят уничтожением населённых пунктов, промышленных и транспортных сооружений. Все природные льды, образующие самостоятельные тела и скопления, можно рассматривать как мономинеральные горные породы. Они возникают в условиях отрицательной температуры на поверхности суши и моря, в атмосфере и литосфере. Распределение льда на земной поверхности и в земной коре крайне неравномерно. Основная масса льдов сосредоточена на поверхности суши преимущественно в виде ледников и ледниковых покровов. При площади распространения всего 3,1% (по отношению к поверхности Земли) они составляют более 97% массы всех природных льдов. Наибольшее количество ледникового льда находится в Арктике и Антарктиде, где толщина льда может достигать 4 км и более (Ершов 2002). 3 1 Состав и строение льда в породах 1.1 Кристаллографические свойста и состав льда Лёд – это специфическое минеральное образование, которое существенно отличается по своему составу и строению от других минералов и горных пород. На данный момент известно около 18 кристаллических модификаций льда и аморфный лёд. Рис.1 Фазовая диаграмма разновидностей льда (AdmiralHood, Water Phase Diagram, 2010). В нормальных, природных условиях существует модификация – Лёд 1h (H2O). Кристаллическая структура данного льда разупорядочена по атомам водорода, атомы кислорода образуют гексагональную решётку. Молекула H2O окружена четыремя ближайшими к ней молекулами, находящимися на одинаковых расстояниях от неё и размещены в вершинах правильного тетраэдра. В такой структуре гексагональной решётки простая ячейка по главной (вертикальной) оси b = 9 Å (Рис.2). Такое строение кристаллической решётки льда обуславливается природой водородных связей, которые находятся между молекулами H2O. Молекулы воды представляют собой тетраэдры с углом ∠HOH = 104,5. В структуре льда они образуют тетраэдры. Таким образом координационное число в структуре льда равно четырём. 4 Рис.2 Стабильная кристаллическая решётка льда 1h. Расстояние между ближайшими центрами молекул составляет 2,76 Å. Установлено, что лёд построен из дискретных молекул воды, связанных водородной связью. При этом протоны расположены вдоль связей между атомов кислорода на расстоянии 0,99 Å от одного ядра кислорода и на 1,7 Å от другого. Вокруг каждой молекулы расположены шесть центров пустот на расстоянии 3,47 Å, а сами полости образуют каналы как чередующихся друг с другом гексагональных ячеек. Пространственные решётки других модификаций льда, которые в природных условиях обычно не встречаются, находятся в ромбоэдрической (лёд II), тетрагональной (лёд III, VI, VIII и IX), моноклинной (лёд V) и кубической (лёд VII) сингониях. В отличии от льда I они не так хорошо изучены, так как имеют очень нестабильную кристаллическую решётку. Каждая модификация обладает собственной областью устойчивости (Рис.3). В состав молекул льда по мимо “лёгкой” воды 1H216O входят различные стабильные изотопы водорода (2H) и кислорода (17O и 18O), их содержание по отношению к самым распространённым (1H и 16O) составляет: 2H – 1,38*10-4; 17O - 4,2*10-4 и 18O – 19,8*10-4. Лёд в мёрзлых породах всегда содержит различные примеси в различных фазовых состояниях. Бывают примеси в виде твёрдой компоненты, жидкой и газообразной. По генезису включения можно разделить на первичные, которые были образованы одновременно с образованием льда, и вторичные, появившиеся уже после образования 5 льда. К первичным относятся аутигенные и ксеногенные включения. К вторичным же – гипергенные и гипогенные (Шумский, 1955). Газообразные включения возникают прямиком из атмосферы или из замёрзшей воды. Газы могут быть как первичного так и вторичного генезиса, каждый тип включений имеет морфологические и текстурные особенности. Включения воздуха по форме можно разделить на цилиндрические, цилиндрическизамкнутые, сферические, капиллярные, блинчато-сплющенные и трещиноватые. Форма образования зависит от определённых условий, при замерзании воды у фронта кристаллизации непрерывно выделяется много маленьких пузырьков газа, из-за того что в льде вещества растворяются хуже, чем в воде (Савельев, 1980). Замкнутые воздушные включения внутри льда находятся под давлением, его значение определяется массой вышележащих пород, которые давят на лёд. Для больших ледниковых щитов давление газов во льду составляет около 15МПа, при этом воздушные пузырьки начинают сжиматься и в итоге расплющиваются. Иногда резкое падение давления в замкнутых системах при взрывах, катастрофических извержениях воды и сжатого воздуха может приводить к понижению давления газовых включений во льду. Во льду также встречаются включения жидкой фазы, они появляются из-за таяния льда на границах кристаллов и частично внутри, а так же из-за повышения давления или концентрации солей, которые в свою очередь понижают температуру плавления льда. Подземные льды практически всегда содержат соли, которые попадают в лёд различными путями. Они могут в него попасть в процессе замерзания воды, которая включает в свой состав растворённые соли. Также соли могут накапливаться при накоплении льдом минеральных частиц и их выщелачиванием. При формировании льда молекула воды и соли организуются в отдельные решётки, причём решётки сформированные солью оттесняются к границе силового поля, создаваемого молекулярным притяжением которое образуют зародыши льда. В результате чего раствор разбивается на клетки, внешние части которых по сравнению с внутренними имеют более минерализованный состав. Солевой состав подземных льдов в зависимости от их генезиса может быть очень разнообразен, преобладающими ионами являются: Na+, Mg2+, Ca2+, K+, SO42-, Cl-, CO32-, HCO3-. При наличии солей лёд содержит гораздо большее количество жидкой фазы как включение. Так как при наличии солей льды начинают протаивать при температурах ниже нуля и пронизываются разветвлённой сетью канальцев и изолированных ячеек солевых растворов. 6 В подземных льдах также могут содержаться твёрдые нерастворимые включения в виде ксенолитов и отдельных гнёзд с мелкими частичками. Происхождение твёрдых примесей различное, часть может возникать в результате процессов выветривания горных пород, вулканической деятельности, деятельностей человека и жизнедеятельности живых организмов. Распределение не растворимых включений во льду может быть беспорядочным и упорядоченным с образованием слоистостей. Иногда во льду могут наблюдаться дифференциации минеральных примесей по гранулометрическому составу, уменьшению размера частиц от подошвы ледяного тела к центру (Ершов, 1987). Содержание твёрдых не растворимых примесей влияет на размер и прямолинейность кристаллов льда при их росте. На участках где есть включения льда кристаллы льда меньше и границы не прямолинейные, а кристаллографическая ориентировка менее упорядоченная. Это связано с проявлением влияния ориентированности примесей, которые действуют как ядра начала кристаллизации. Кроме того, влияние примесей проявляется торможением роста кристаллов льда, а также изменяют их форму. Помимо различных неорганических включений, нерастворимыми могут быть растительные и животные остатки, благодаря которым лёд окрашивается в рыжеватый или бурый цвет. Попавшие в лёд различные включения не остаются в нём в фиксированном состоянии. В результате частого таяния и миграций талой воды происходит перераспределение твёрдых частиц внутри ледяного тела. 1.2 Структура и текстура льда Различные условия формирования и состав подземных льдов обуславливает большое разнообразие в их структуре и текстуре. Структура льда определяется формой, размером, характером поверхности, количественным соотношением и характером взаимосвязи структурных элементов. Для подземных льдов это кристаллы льда, воздушные и органоминеральные включения. Структуры льда характеризуются отношением кристаллографической ориентировки к внешней форме кристаллов и отношением той же ориентировки к элементам залегания ледяной породы, т. е. степенью упорядоченности структуры. В зависимости от формы и кристаллографической ориентировки зерен различают следующие структуры льда: 1) призматически-зернистую — кристаллы льда имеют правильную, свойственную им форму и упорядоченную кристаллографическую ориентировку (главные оси симметрии параллельны); 7 2) Аллотриаморфно-зернистую (неправильно-зернистую) с беспорядочной кристаллографической ориентировкой; 3) гипидиоморфно-зернистую, являющуюся промежуточной между двумя первыми. Она подразделяется на разновидности: а) пластинчатую (кристаллы льда сплющены по главной оси симметрии), б) столбчатую (зерна льда вытянуты по главной оси. Для льдов, испытавших различные метаморфические преобразования, характерны структуры: 1) грано-бластическая (мелкозернистая с изометричными зернами, не имеющими правильных кристаллографических очертании, с округлыми или извилистыми границами); 2) лепидобластическая с удлиненными и сплющенными зернами в плоскости сдвига; 3) ката- пластическая или псевдопорфировая, в которой среди мелких раздробленных зерен сохраняются крупные первичные кристаллы, а также некоторые другие структуры (Шумский, 1955). Текстура льда определяется пространственным расположением его составных частей — кристаллов различной величины и формы, воздушных и минеральных включений, а также степенью заполнения ими пространства. Для льда наиболее важные текстурные признаки связаны с особенностями распределения включений. При отсутствии примесей текстура льда называется массивной, или стекловатой, при преобладании в объеме льда газа — пузырчатой, при слоистом распределении примесей — слоистой. Для льда, сложенного из плоских и призматических кристаллов, образующих параллельные слои, характерна сланцеватая текстура. На структуре и текстуре подземных льдов отражаются условия роста кристаллов, наличие инородных примесей в виде нерастворимых включений и растворимых солен и газов, а также термодинамические условия их существования. 2 Свойства льда Лед в отличие от всех породообразующих минералов относится к числу молекулярных кристаллов, характеризующихся значительно меньшей межмолекулярной (водородной) связью, чем внутримолекулярной, При этом наличие водородных связей оказывает большое влияние па свойства кристаллов льда. Образование льда с переходом молекул воды к более рыхлой (по сравнению с водой) гексагональной упаковке 8 сопровождается понижением в среднем на 9% плотности образующейся фазы. Плотность чистого льда при температуре О''С и давлении 1 гПа равна 916,7 кг/м3, а удельный объем — 1,0908 м3/кг. Любое отклонение от этих величин для льда указывает па наличие в нем примесей. Изменение содержания воздуха от долей процента до 8—11% приводит к изменению плотности соответственно от 905—914 до 815—820 кг/м3. Кристаллы льда обладают, анизотропией механических, теплофизических, оптических, электрических и других свойств, выявляющейся при измерениях в разных кристаллографических направлениях. Эти различия связаны с кристаллографическими особенностями льда, в пространственной решетке которого главную роль играют базисные плоскости, имеющие высокую ретикулярную плотность молекул. 2.1 Оптические свойства Кристаллы льда оптически анизотропные, величина показателя преломления, характеризующего уменьшение скорости распространения световой волны по сравнению с вакуумом, зависит от направления луча в кристалле. В соответствии с гексагональной сингонией в кристаллах льда имеется лишь одна оптическая ось. Она совпадает, с кристаллографической с-осью. Для льда, являющегося одноосным оптическим положительным кристаллом, характерен самый низкий показатель преломления из всех известных минералов. Явление двойного лучепреломления во льду позволяет выявить положение оптических осей кристаллов при их рассмотрении через поляроиды. При прохождении света через лед наблюдается ослабление потока. Поглощение света во льду заключается в переходе энергии из световой в тепловую, в результате чего происходит радиационный нагрев и таяние льда. Коэффициент поглощения льда в зависимости от длины волны меняется от 0,001 до 0,5 см-1. Различные неоднородности вызывают рассеяние света, которое окрашивает лед в голубой цвет, причем его интенсивность возрастает с уменьшением примесей. При большом содержании крупных пузырьков воздуха он становится белым. 2.2 Термические свойства льда При изменении температурного режима льдов отмечаются их температурные деформации. Мерами термической деформации являются коэффициенты линейного (α) и объемного (β) расширения. Они вычисляются как относительное изменение длины или объема тела при изменении температуры на 1°. Коэффициенты α и β быстро увеличиваются в сторону точки плавления и становятся совсем малыми при низких температурах (рис. 3). 9 Рис.3. Зависимость коэффициента линейного температурного расширения α, теплопроводности λ, молярной теплоёмкости Сμ льда от температуры t и его теплопроводности λ от пористости n. (по В.В. Богородскому, 1980). А при температурах ниже —193°С коэффициенты линейного и объемного расширения льда становятся отрицательными (Савельев, 1983). Для пресного льда коэффициент объемного расширения в среднем равен 0,000169 1/°С. Распределение тепла во льду определяется его теплопроводностью (λ). При температуре льда около 0° λ = 2,22 Вт/(м*К) (1,91 ккал/м*ч*°С). Это значение примерно в четыре раза больше, чем теплопроводность чистой воды при 0°. С понижением температуры теплопроводность льда возрастает. Оцепить ее можно по простым эмпирическим зависимостям, например, для пресного льда 2,22 (1—0,0004 t), где t — температура, °С. Теплопроводность монокристаллов льда, измеренная вдоль с - оси, на 5% больше теплопроводности, измеренной перпендикулярно оси с. Увеличение пористости и повышение солености льда приводят к уменьшению теплопроводности. При испарении льда поглощается определенное количество тепла, характеризующее удельную теплоту возгонки льда. В пресном льду она составляет 2834 Дж/г (677 кал/г), а в соленом колеблется от 2500 до 3000 Дж/г (600—710 кал,/г). 2.3 Механические свойства льда Под действием внешних сил (нагрузок) лед может проявлять как упругие и хрупкие свойства, так и пластические. Они определяются структурно-текстурными особенностями 10 льда и зависят от продолжительности и величины напряжений, скорости их нарастания и температуры льда. На механических свойствах льда сильно сказывается его анизотропия. Для монокристалла она связана с базисной (0001) плоскостью, являющейся плоскостью скольжения решетки. Приложенное вдоль этой плоскости касательное напряжение вызывает скорость деформирования на два порядка большую, нежели касательное напряжение, приложенное по нормали к плоскости. Для чистого поликристаллического льда выделяется текстурная анизотропия, связанная с формой и расположением кристаллов, и структурная связанная с наличием предпочтительной ориентации кристаллографических осей. Величина модуля Юнга с понижением температуры от 0 до - 25°С возрастает в среднем от 8*109 до 10*109 H/м2 (рис.4). Модуль сдвига Gy, который определяет сопротивление льда смятию, равен 3,4*109 – 3,8*109 H/м2. Рис.4. Зависимость от температуры t: а – модуль Юнга Еу, Модуля сдвига Gy, коэффициента Пуассона μ; б – временного сопротивления льда на сжатие (1), растяжение (2), изгиб (3) и срез (4) (по по В.В. Богородскому, 1980). Сопротивление льда сжатию без изменения формы, так называемый модуль объёмного сжатия, составляет 7*109 H/м2.Коэффициент Пуассона льда μ равен отношению поперечного сжатия к продольному растяжению и колеблется от 0,33 до 0,42. Структурнотекстурные особенности пресных льдов могут вызвать изменения значений модулей упругости до 20-25 %. Лед при действии нагрузки способен пластически деформироваться без изменения объема и разрушения. Характер деформирования льда в значительной степени зависит от направления действия приложенных сил относительно осей большинства кристаллов. Особенно ярко это проявляется в монокристаллах. Если осуществлять сдвигающее усилие 11 по базисной плоскости, то возникает пластическая деформация при минимальной нагрузке. Физическую сущность пластических деформаций можно объяснить следующим образом. Под действием направленного усилия происходит перемещение атомных слоев с участков поверхности кристалла, подверженного большой нагрузке, в участки с меньшим напряжением. В результате происходит переориентировка кристаллов и примесей. При этом атомы примеси большего радиуса стремятся перейти в растянутые области решетки, а меньшего радиуса — в сжатые. Под действием напряжений в кристалле наблюдается сдвиг сгущений атомов, приводящий к возникновению дефектов и дислокации в решетке. В результате течения поликристаллического льда происходит изменение морфологии и ориентировки кристаллов. Форма их становится сплющенной и вытянутой в направлении сдвига. Воздушные включения также вытягиваются в направлении базисной плоскости кристаллов, а частицы примесей часто скапливаются по линиям, характеризующим направление дислокации. 2.4 Электрические свойства льда. Лед в электрическом поле представляет собой несовершенный проводник (диэлектрик) с ионной проводимостью. Монокристаллы льда — твердые диэлектрики с очень высоким удельным сопротивлением (р—108—1010 Ом*м); по последним данным, объемный ток проводимости в монокристаллах чистого льда вообще не наблюдается. Поликристаллический лед сильно отличается по электрическим свойствам от монокристаллов льда, так как в межкристаллических зонах возможно скопление пленок (ячеек) незамерзшей воды, различных примесей. Поэтому даже пресный поликристаллический лед обладает значительно большей по сравнению с монокристаллами электропроводностью. Так, полученные для ледников значения удельных сопротивлений колеблются в пределах 106—105 Ом-м. Сильное влияние на электрические свойства льда оказывает присутствие солей. Согласно экспериментальным данным электропроводность в зависимости от концентрации исходного раствора и температуры возрастает на 2—4 порядка. По данным изучения образцов, поликристаллический лед обладает заметной поляризуемостью при постоянном токе, преобладание которой над проводимостью определяет свойства льда как диэлектрика. Во льду поляризация состоит в ориентированном развороте большинства ионов и появлении при этом в единице объема ненулевого дипольного момента. При температуре —5° С и постоянном токе диэлектрическая проницаемость льда ε = 73, с понижением температуры она заметно уменьшается; повышается с ростом давления и уменьшается с увеличением воздушных включений. 12 В переменном поле изменения поляризации отстают по фазе от изменений поля, разность фаз колебаний, выраженная в радианной мере, называется углом диэлектрических потерь льда δ. Электропроводность льда σ объясняется перемещением ионов по вакансиям (дефектам) кристаллических решеток. Она зависит от частоты тока, температуры и содержания примесей. При температуре, близкой к 0° С, и частотах 10—500 МГц у чистого льда σ = 4,6*10-5 См/м (сопротивление порядка 104— 105 Ом*м). 13 Список использованной литературы Богородский В.В., Гаврило В.П. Лёд. Физические свойства. Современные методы гляциологии. – Л., 1980. – 381 с. Ершов Э.Д., Данилов И.Д., Чеверев В.Г. Петрография мёрзлых пород. Учебник. – М.: Изд-во МГУ, 1987. – 311 с.:ил. Ершов Э.Д. Общая геокриология: Учебник. — М.: Изд-во МГУ, 2002. — 682 с: ил. Савельев Б.А. Строение и состав природных льдов. – М., 1980. – 280 с. Савельев Б.А. Термика и механика природных льдов. – М., 1983. – 223 с. Шумский П.А. Основы структурного ледоведения. – М., 1955. – 492 с. AdmiralHood, Water Phase Diagram, GFDL 1.2+ https://ru.wikipedia.org/w/index.php?curid=2234206 14
