Экспериментальное изучение миграции ионов растворенной соли NaCl при вертикально направленном замерзании грунта

Abstract

Актуальность исследования продиктована нарастанием темпов деградации криолитозоны одновременно с интенсивным промышленным освоением территории вечной мерзлоты, сопровождающимся нарушением естественных природных процессов и разрушением хрупкой экосистемы Арктических и приарктических территорий. Одним из последствий хозяйственной деятельности человека является засоление грунта. Продолжительный процесс миграции растворенных солей в толщу ведет к формированию ряда объектов криолитозоны, среди которых большой интерес представляют криопэги - линзы переохлажденного порового раствора в окружении мерзлого флюидоупора. Цель: изучение процесса криогенного концентрирования соли в водонасыщеной песчанистой супеси. Метод. Эксперимент состоит из повторяющихся циклов вертикально направленного частичного замораживания- оттаивания засоленного влажного грунта в замкнутом объеме - вертикальном теплоизолированном цилиндре, теплоперенос в котором осуществлялся через торцевые стороны. Продвижение фронта замерзания регулировалось программным алгоритмом управления мощностью холодильника с одной стороны и нагревателя с другой до замораживания грунта на определенную глубину, за которой следовало оттаивание. Результаты. В эксперименте воспроизводилась ситуация, характерная для осенне-весеннего периода: ежедневный процесс промерзания и оттаивания влажного грунта, загрязненного легкорастворимыми солями. В результате проведены четыре серии экспериментов с разным количеством повторяющихся циклов движения фронта замерзания и фронта оттаивания в грунте, насыщенном концентрированным раствором соли NaCl, по направлению сверху вниз на расстояние 70-80 % от высоты цилиндра. При этом нижняя область всегда поддерживалась в талом виде. Описаны наблюдаемые явления, и приведено вероятное объяснение процессам, сопровождающим замерзание и оттаивание грунта, таким как неодинаковое по вертикальному сечению снижение температуры начала замерзания, формирование теплового барьера в направлении движения фронта замерзания в низкотемпературной области, перераспределение ионов соли по вертикальному разрезу, зависимость градиента концентрации от числа циклов замерзания-оттаивания, отклонение значения температуры таяния по сравнению с температурой начала замерзания. Получены численные значения перераспределения влажности и концентрации раствора в грунте после каждой серии экспериментов.

The work is devoted to the laboratory investigation of the causes of cryopeg formation - objects of cryolitosones of natural or man-made character, which are lenses of supercooled pore solution in the environment of frozen fluid stop. In particular, processes promoting cryogenic concentration of salts, as well as peculiarities of laboratory experiment are considered. The paper describes the experimental installation and procedure of experiment on controlling freezing-thawing of soil in closed volume - vertical heat-insulated cylinder, in which heat transfer was carried out through end sides according to preset algorithm. The experiment repeated the situation typical for the autumnspring period: the daily freezing and thawing of wet soil contaminated with easily soluble salts. Four series of experiments were carried out with different number of repeated cycles of freezing front and thawing front motion in soil saturated with concentrated salt solution NaCl directed from top to bottom at a distance of 70-80 % from cylinder height. At the same time, the lower area was always supported in the thawed form. The paper considers the phenomena and introduces the probable explanation for processes accompanying soil freezing and thawing, such as decrease of freezing start temperature in vertical section, formation of thermal barrier in direction of freezing front movement in low-temperature area, redistribution of salt ions along vertical section, dependence of concentration gradient on number of freezing-thawing cycles, deviation of melting temperature value in comparison with freezing start temperature. Numerical values of moisture redistribution and solution concentration in soil after each series of experiments were obtained. Methods of modernization of experimental installation and carrying out the experiment are proposed.