Десублимационные льды в подземных пространствах Сибири Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

М. М. Шац

Марк Михайлович Шац,

кандидат географических наук, ведущий научный сотрудник Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН.

Одним из примечательных и живописных природных образований подземных пространств Сибири являются льды разнообразных форм и своеобразного генезиса, обычно относимые к категории сублимационных, поскольку в метеорологии под сублимацией понимают процесс перехода влаги из газообразного состояния в твёрдое, минуя жидкое, т. е. непосредственное осаждение льда из влажного воздуха. Однако в физике и химии термин «сублимация» имеет обратное значение - испарение твёрдого вещества (возгонка). В соответствии с одной из основных терминологических работ по изучению ледяных пещер [1] под сублимацией понимается возгонка, т.е. процесс перехода вещества из кристаллического состояния в газообразное, а обратный процесс, т.е. образование льда из

влажного воздуха, - десублимация, или абляция.

Формирование и накопление десублимационного (абляционного) льда обычно происходит в замкнутых подземных пространствах при наличии градиента влажности воздуха в пещерной атмосфере, при отрицательных температурах воздуха и предмета, на котором растёт лед, ниже точки росы. В результате процесса десублимации образуется иней, который получил название «пещерная изморозь». В пещерах встречаются её кристаллическая и зернистая разновидности.

Исследованиями условий формирования и роста десублимацион-ных кристаллов льда в пещерах севера Русской равнины, Поволжья, Урала, Крыма, Кавказа, Памира, Сибири, Дальнего Востока и других террито-

На фото вверху - нижняя галерея подземной лаборатории Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН.

Фото М. Лугового.

рий ранее занимались специалисты по атмосферному льду, снегу и пещерному льду. В некоторых работах пещерные льды рассматриваются даже какособая часть гляциосферы Земли [2].

Обычно десублимационные кристаллы возникают в местах соприкосновения холодного и тёплого влажного воздуха в пещерном канале (противотоки воздуха основного канала или притоки из боковых ходов). Кристаллы растут, как правило, на сводах полостей, в западинах кровли и в трещинах горной породы. Образуются они также на сводах захороненных полостей, в снежно-ледяных образованиях карстовых пещер и в полостях старых горных выработокСибири.

Проанализируем довольно широко известные, но пока слабоизученные десублимационные льды, формирующиеся в искусственных горных выработках, созданных для научных целей на территории Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН в г. Якутске. Основная, находящаяся под зданием института, подземная лаборатория создана в 1967 г для изучения много-летнемёрзлых пород в естественных условиях. Её помещения выработаны в песчаных отложениях р. Лены. Верхняя галерея находится на глубине пяти метров, нижняя - двенадцати, а самая нижняя точка лаборатории (пол в одной из камер) на отметке 15 м от поверхности, т.е. вблизи подошвы слоя годовых колебаний температуры пород.

Проходка шахт, галерей и камер выполнена буровзрывным способом с последующим выравниванием стен и полов отбойными молотками. Длина нижней галереи составляет около 30 м, ширина-3,5 м, высота -1,22,0 м (рис. 1). Приблизительно такие же размеры имеет и верхняя галерея [3].

Рис. 1. Автор статьи М. М. Шац и журналист газеты «Якутск вечерний» Е. Мироненко в подземной лаборатории Института мерзлотоведения СО РАН.

Фото М. Лугового.

Песчаные и супесчаные грунты, вмещающие нижнюю галерею, содержат 20 - 30% льда (по весу) и незначительное количество воздуха (1 - 3% по объёму). При обычной температуре -4,0° С состояние этого грунта приближается к прочности бетона.

На стенах галереи имеется небольшой слой обезвоженного песка, образовавшийся в результате сублимации льда, легко разрушающийся при малейшем прикосновении. Иней на потолке является следствием десубли-мационных процессов в мёрзлых грунтах и, отчасти, результатом осаждения паров влаги, поступающей с атмосферным воздухом и выдыхаемой посетителями лаборатории. Зимой и летом температура воздуха в нижней галерее (как и в окружающих породах) сохраняется практически неизменной, близкой к-4...-5° С. Относительная влажность воздуха в помещениях подземной лаборатории колеблется от 70 до 100%.

Вторая подземная выработка была создана в аналогичных грунтовых условиях на глубине 23 м в нескольких сотнях метров от здания института в конце 70-х годов прошлого века (рис. 2) также для научных целей. Благодаря тому, что эта выработка более 30 лет была закон-

Рис. 2. Общий вид второй подземной выработки, размещённой на глубине 23 м

(экспериментальный тоннель Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН).

сервирована, в ней сохранялся режим полной неподвижности воздуха, что благоприятствовало формированию кристаллов самой причудливой формы (рис. 3,4).

С определенной долей приближения можно предположить, что вышеупомянутые факторы формирования и развития десублимационных льдов в естественных и искусственных полостях идентичны. Охарактеризуем их подробнее.

Температура воздуха

Как отмечал П. А. Шумский [4], самопроизвольная десублимация льда невозможна. Сначала конденсируется вода, потом она замерзает, затем на этих ядрах происходит десублимация, которая при 0° С может идти только вынужденно на поверхности достаточно крупных кристаллов изоморфных льду веществ. Чем меньше кристалл, тем ниже должна быть температура.

На сегодняшний день, благодаря проводящимся уже несколько десятилетий в нижней галерее подземной лаборатории института исследованиям сохранности семян разных растений, температура воздуха является наиболее изученным параметром, оказывающим влияние на данный процесс.

Рис. 3. Кристаллы на своде помещения подземной научной лаборатории ИМЗ СО РАН.

Фото Г. Кузьмина.

На рис. 5 приведены данные о температуре воздуха в хранилище семян, полученные сотрудником Института биологических проблем криолитозоны ЯНЦ СО РАН А. И. Афанасьевым при помощи логгера DS1922LF5.

Как видно, ход температуры в подземной лаборатории на глубине около 12 м чётко, хотя и с обычной временной сдвижкой, соответствует динамике температуры на поверхности. В частности, наиболее высокие за период наблюдений температуры (-4 С) были зафиксированы в период с сентября по декабрь 2007 г Они являются смещёнными по времени «отголосками» летнего повышения температуры воздуха, проникшего на глубину размещения галереи.

Более низкие температуры воздуха (около -4,5 С) отмечались с апреля по август 2007 г, а позднее (с января по май 2008 г) достигали наиболее низких значений (около -5 С). Очевидно, что эти два холодных периода -не что иное, как смещённые последствия очень морозных зимних сезонов. Подобный годовой ход температуры можно считать обычным для подземных полостей, находящихся вблизи нижней границы слоя годовых теп-

Рис. 4. Крупные кристаллы во второй подземной выработке, созданной на территории института.

Фото Г. Кузьмина.

лооборотов, т.е. на глубине от 10 до 20 м, а условия достаточно благоприятными для формирования десубли-мационныхльдов.

Влажность воздуха

Влияние степени пересыщения воздуха влагой на скорость десублимации льда в пещерах изучено слабо. Ранее было установлено, что этот показатель может достигать в Антарктиде 150%, а в пещерах ещё больше. В пещере им. Географического общества СССР на Пинего-Кулойском карстовом плато влажность воздуха составляла 200%, а в пещере Большая Голубинская (там же) -300% (март 1982 г).

Пересыщение воздуха влагой, как правило, уменьшается в глубь полостей. Поэтому наибольшие по размеру и объёму скопления десублимационных кристаллов льда размещаются вблизи входов в пещеры либо мест поступления наружного воздуха.

От степени пересыщения воздуха влагой, также как и от его температуры, зависит форма десублимационных кристаллов [5]. Если принять температуру притека-

Температура, "С

09.04.2007 24.05.2007 08.07.2007 22.08.2007 06.10.2007 20.11.2007 04.01.2008 18.02.2008 03.04.2008 18.05.2008 17:42:01 17:42:01 17:42:01 17:42:01 16:42:01 16:42:01 16:42:01 16:42:01 17:42:01 17:42:01

—♦—Верхний датчик —■— Нижний датчик

Рис. 5. Динамика температуры среды в хранилище семян подземной лаборатории Института мерзлотоведения СО РАН (расстояние между верхним и нижним датчиками 1,5 м).

ющего из бокового хода потока воздуха равной 0 С, то чем ниже она будет в основном канале полости, тем больше будет пресыщение пара в воздухе. Однако чем выше пересыщение, тем больше выделится тепла при десублимации, что отрицательно скажется на росте кристаллов (рис.6).

Ветровые условия

Ветровые условия образования пещерной изморози ещё не изучены. Известно, что для роста десублимационных кристаллов льда на поверхности снега движение воздуха необходимо, но должно быть минимально. Наблюдения в пещерах показывают, что наибольшие по массе скопления изморози приурочены именно кучасткам полостей с медленным движением воздуха. Это обстоя-

Рис. 6. Кристаллы игольчатой формы в экспериментальном тоннеле института.

Фото В. Панина.

Рис. 7. Особо крупные кристаллы.

Фото Л. Ли.

шей скорости роста которых не выходит за пределы переохлажденного слоя пара. Чем тоньше слой, тем больше пассивное ориентирующее влияние основания и, наоборот, вплоть до полного отсутствия ориентирующего его влияния в условиях равномерного пересыщения значительной толщи пара [6].

Влияние субстрата

Влияние субстрата на десублимацию льда изучено недостаточно. Десублимация идет на поверхности различных горных пород (известняки, гипсы, льды и др.), на поверхности металлов, цемента и дерева. Наблюдения показывают, что десублимационные кристаллы не растут на поверхности поливинилхлоридной пленки, на капроновой леске. Возможно, это связано с тем, что поверхность данных материалов не смачивается водой [7].

Рост кристаллов

После замерзания капель конденсата на стенах начинают развиваться те зародыши кристаллов, кото-

тельство связано с тем, что большие скорости обтекания воздухом растущих кристаллов позволяют быстро отводить тепло, выделяющееся при десублимации. Иными словами, образующиеся из насыщенного пара кристаллы будут расти интенсивнее в тех точках на их поверхности, где внутреннее тепло уходит быстрее всего (рис. 7). В нижней галерее подземной лаборатории Института мерзлотоведения СО РАН вследствие миграции (хоть и очень медленной) воздушных масс от входа к тыловой части происходит отчетливый рост кристаллов, достигающих максимальных размеров и причудливой формы именно в конце полости (рис. 8).

Толщина слоя влаги

Величина слоя поступающей влаги также сильно влияет как на массу десублимационного льда, так и на его форму. Развиваются преимущественно те кристаллы, направление наиболь-

Рис. 8. Тыловая часть нижней галереи подземной лаборатории ИМЗ СО РАН.

Фото М. Лугового.

Рис. 9. Кристаллы столбчатые.

рые направлены в сторону с наиболее благоприятными условиями их роста [8]. Выдвигаясь вперед, они затрудняют питание других кристаллов (перехватывают потоки влаги), задерживая или прекращая их рост. При небольших пересыщениях воздуха влагой образуются столбчатые кристаллы (рис. 9), при повышенных - пластинки (см. рис. 4), а при дальнейшем увеличении насыщения возникают кристаллы-звёздочки (рис. 10).

При равномерном и незначительном пересыщении воздуха влагой, благодаря его перемещению по поверхности, кристаллы имеют плоскую форму. Но при возрастании влажности воздуха различие в интенсивности питания выступов и средних частей граней уже не может компенсироваться его перераспределением по поверхности. Однако в пещерах поступление влаги к кристаллам происходит не с разных сторон, как в облаке, а только с одной. Поэтому скелетные кристаллы часто имеют

Рис. 10. Кристаллы-звёздочки.

форму пирамид, обращенных вершиной вниз, или лотков, т.е. части граней пирамиды. Все дефекты формы скелетного кристалла связаны с условиями и интенсивностью прихода влажного воздуха вещества к конкретным граням кристалла. Этим же объясняется и образование завитков на некоторых пирамидальных кристаллах.

Время существования десублимационногольда

Вне области многолетней мерзлоты десублимационные кристаллы льда в пещерах - это, как правило, сезонные образования, которые весной или в начале лета чаще всего тают. Но имеются места (тупиковые ходы, западины, трещины, погребенные пустоты), где температура стен в течение лета остается отрицательной, и изморозь может сохраняться. Многолетние кристаллы изморози наблюдались в ряде пещер вне зоны развития многолетней мерзлоты [6]. В Кунгурской пещере, например, в некоторых местах летом десубли-мационные кристаллы «озерняют-ся» под воздействием тёплого воздуха [8]. В результате образуются скопления льда на стенах и своде с довольно большой плотностью. Осыпающиеся со сводов кристаллы могут участвовать в образовании метаморфического льда на полу пещеры.

Наблюдения в нижней галерее подземной лаборатории Института мерзлотоведения СО РАН также свидетельствуют о существенных сезонных отличиях условий развития десублимационных льдов. Своего максимального развития они достигают летом, чем существенно отличаются от территорий вне развития вечной мерзлоты. Летом, при поступлении в подземное пространство влажного воздуха, условия формирования и роста кристаллов

Фото Г. Кузьмина.

максимально благоприятны. Зимой же проникновение в галерею, хотя и ограниченных, но чрезвычайно холодных (до - 30 С) и высушенных масс воздуха приводит к деструкции кристаллов и сокращению их размеров. Вне области развития многолетней мерзлоты максимум десублимационного льдообразования приходится, напротив, на холодный период года. Так, в Кунгурской пещере летняя десублимация льда происходит в гораздо меньшем объёме, чем зимой, так как обусловливается только тем холодом, который аккумулирован в толщах горных пород и льда в предыдущий зимний цикл охлаждения пещеры. При этом образуются небольшие пластинчатые кристаллы льда (до 5 мм в поперечнике). Они растут, то есть каждая пластинка десублимационного кристалла является как бы продолжением предшествующей плоскости.

Интенсивность накопления изморози

В большинстве случаев изучение изморози пещер носит качественный характер. Оценок скорости роста изморози в пещерах почти нет. Для Кунгурской пещеры на Урале измерена скорость десублимации на единицу площади свода её основного зала.

Наблюдения в Бриллиантовом гроте Кунгурской пещеры в феврале 1985 и апреле 1986 годов показали, что скорость десублимации непостоянна во времени, как и пересыщение воздуха влагой, зависит от градиента влажности воздуха и скорости ветра [9].

Совершенно не изучен механизм формирования десублимационных льдов в подземных полостях, куда влага может поступать только непосредственно из толщи мерзлоты. При вскрытии находящегося на глубине 23 м на территории Института мерзлотоведения СО РАН экспериментального тоннеля, герметически закрытого и не посещавшегося в течение более 30 лет, были обнаружены десублимационные льды весьма причудливой формы (рис. 11).

Исследование десублимационных кристаллов льда в пещерах показало, что наиболее распространенными являются шестигранно-пирамидальная и прямоугольно-

призматическая формы [8]. Механизм роста десублима-ционных кристаллов льда до конца не изучен.

Заключение

Механика образования десублимационных кристаллов льда в подземных пространствах в общих чертах ясна. Установлено, что наибольшие по объёму десублимационные скопления льда находятся на Севере, для которого характерны продолжительные холодные зимы. В горах максимальное количество десублимационного льда в полостях отмечается в высокогорьях, для которых также характерны суровые зимы. По мнению специалис-тов-ледоведов, в целом на формирование десублимационных льдов влияют следующие факторы: температура воздуха, степень его насыщения влагой, скорость поступления влажного воздуха к месту десублимации, а также интенсивность отвода тепла от места кристаллизации.

Поскольку рост десублимационных кристаллов льда в полостях четко ограничен рамками температуры и влажности воздуха, то форма любого кристалла является отражением тех условий, которые сопровождали его рост. Поэтому по форме кристалла, используя метод географического подобия, можно определять те условия, в которых он сформировался.

Десублимационные льды, являясь индикаторами изменения как микроклимата подземной среды, так и длительных климатических колебаний, во многом определяют гидродинамику и экзодинамику подземной среды, повышая устойчивость подземной выработки, продлевая время их существования и, помимо этого, имеют большую эстетическую ценность. При соответствующих условиях поля ледяных кристаллов, объединённые в скопления аналогично каменным кристаллам (друзам), представляют чрезвычайно живописное зрелище.

Таким образом, несмотря на значительное количество опубликованных работ, детали механизма роста десублимационных льдов до конца не изучены. Только дальнейшая разработка теоретических вопросов и проведение экспериментов по изучению скорости роста

Рис. 11. Десублимационные кристаллы льда причудливой формы при искусственном освещении.

Фото Л. Ли.

кристаллов, измерение температуры и влажности воздуха на различном удалении от ядра льдообразования позволят приблизиться к решению проблемы формирования и развития этой своеобразной подземной формы оледенения. Надеемся, что данная публикация привлечёт внимание специалистов к этому природному феномену.

Список литературы

1. Максимович, Г. А. Инструкция по изучению пещерного льда и ледяных пещер / Г. А. Максимович // Методика изучения карста. - Пермь: Изд-во Пермского госуниверситета, 1963. - Вып. 9. - С. 27-35.

2. Дмитриев, В. Е. Оледенение пещер как часть гляциосферы Земли / В. Е. Дмитриев//Карст Сибири и Дальнего Востока. - Владивосток: Изд-во ТИГДВОАН СССР, 1980.-С. 130-145.

3. Подземная лаборатория Института мерзлотоведения СО РАН/Отв. ред. М. М. Шац; Ин-т мерзлотоведения им. П. И. Мельникова. - 5-е изд. - Якутск: Изд-во Института мерзлотоведения СО РАН, 2008. -10с.

4. Шумский, П. А. Основы структурного ледоведе-ния/П. А. Шумский. - М. : Изд-во АН СССР, 1955. - 492 с.

5. Morphology of ice crystals growth from the vapour at temperatures between 4 and 1,5oC/A. Jamashita, A. Asano //Journal of the Meteorological Society of Japan. - 1984. -V.62,№1.-P. 140-145.

6. Parungo, F. P. Ice crystals growth at (8 +2)oC / F. P. Parungo//Journal Rech. Atmos. - 1983. -V.17, № 2. -P. 139-156.

7. Mason, B. J. Snow crystals, natural and man made/B. J. Mason // Contemporary Physics. - 1992. - V. 33, №4.-P. 227-243.

8. Дорофеев, Е. П. Ледяные кристаллы Кунгурской пещеры / Е. П. Дорофеев // Пещеры. - Пермь : Изд-во Пермского госуниверситета, 1969. - Вып. 7. - С. 26-37.

9. Дорофеев, Е. П. Многолетняя мерзлота и подземные льды Кунгурской пещеры / Е. П. Дорофеев // Проблемы геометеорологии и аккумуляции зимнего холода. - Свердловск : - Изд-во Уральского политехнического института, 1990. -С. 18-24.

Колганов, В. Ф. Компьютерное моделирование при разведке и оптимизации разработки месторождений алмазов / В. Ф. Колганов, И. Ф. Бондаренко, А. Ю. Давыденко, П. В. Васильев. - Новосибирск: Наука, 2008.-262 с.

В монографии рассмотрено современное состояние теории и практики компьютерного моделирования месторождений полезных ископаемых. Описаны методы, используемые при разведке, геолого-экономической оценке, проектировании и разработке месторождений алмазов. Приведены данные о геологии кимберлитовых месторождений, физико-механических свойствах слагающих их пород и технологии отработки запасов. Изложены вопросы оптимизации сети разведочных скважин и границ карьеров по максимуму прибыли для ряда эксплуатируемых алмазоносных трубок. Проиллюстрировано большое число примеров построенных комплексных моделей месторождений.

Книга предназначена для геологов, маркшейдеров и инженерно-технических работников, занимающихся вопросами моделирования, оптимизации и горнопромышленной оценки месторождений полезных ископаемых. Может быть полезна студентам и аспирантам горно-геологических и горно-металлургических специальностей.

В.Ф. Кол I а нов И.Ф. Воидарснко Д. К). Давылеико П.В. Васильев

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

при разведке и опгимнзаиии разработки

месторождений алмазов

е __