Параметры экспериментального цикла выветривания пород под действием чистой воды

Систематическое накопление и анализ фактов, касающихся процесса выветривания пород в природе, позволили наметить два основных принципа, которые необходимо учитывать при экспериментальной работе.

Давно известно, что существует тесная связь между климатическими факторами и интенсивностью процессов химического выветривания. Наиболее широко процессы разложения пород развиты в тропических областях, т. е. в климатической зоне, характеризующейся обильными атмосферными осадками, интенсивным дренажем дождевых вод и повышенной среднегодовой температурой. Тем не менее, как уже отмечалось выше, даже в столь «агрессивных» климатических условиях процессы разложения пород развиваются слишком медленно для их непосредственного изучения от начального до конечного этапов.

В ходе экспериментов необходимо было не только смоделировать условия тропиков, по и интенсифицировать их. Для этого прибор «Сокслет» использовался с максимальной нагрузкой: колба-приемник фильтрата, содержащая 300 см3 воды, помещалась на электрическую плитку, и циклическая циркуляция воды, таким образом, происходила очень быстрыми темпами (2,5 л в день). Наряду с этим в приборе моделировались все остальные факторы выветривания.

«Климатические» параметры эксперимента. Температура. Температура воды, которой обрабатывались обломки породы в основном эксперименте, оставалась практически постоянной; она составляла примерно 65—70° С. Следует отметить, что даже в самых жарких районах Земли температура воздуха никогда не поднимается столь высоко (абсолютный максимум +56,6° С наблюдался в Долине Смерти в США). Однако такие температуры могут возникнуть на поверхности почвы под влиянием дневной инсоляции в тропических областях (80° С на Яве, 70° С на Берегу Слоновой Кости, 54° С в Гвинее).

Влажность воздуха (гидрометрические данные). Относительная влажность воздуха в главном цилиндре прибора близка к насыщению; гидрометрическая емкость воздуха соответствует давлению насыщенного пара. Для 70° С это давление составляет 234 мм рт. ст., или 0,32 атм. На поверхности Земли абсолютная влажность достигает максимума в тропических областях и практически постоянна в экваториальных зонах, где она равна при средней температуре 25° С всего 23 мм рт. ст. Таким образом, здесь она в 10 раз меньше, чем в нашей экспериментальной установке.

Количество «атмосферных» осадков и условия дренажа. Так же как и в природе, для характеристики экспериментальных «атмосферных» осадков следует привлечь данные об их количестве, распределении и интенсивности.

Дневная норма «о садко в» Pb приборе «Сокслет», где ежедневно циркулирует 2,5 л воды, соответствует слою воды толщиной приблизительно 1500 мм. Это очень высокая норма, так как в экваториальных областях, где выпадает большое количество осадков (например, на одном острове из группы Маршалловых островов в год выпадает 4500 мм), средняя дневная норма обычно составляет 12,5 мм. Тем не менее величины такого порядка известны. Например, 14 июля 1911 г. в Багио, Филиппины, за 24 часа выпало 1168 мм осадков, а 14 июля 1876 г. в Черапунджи, Индия, за то же время выпало 1036 мм осадков.

Распределение осадков. В приборе «Сокслет» выпадение атмосферных осадков происходит непрерывно в процессе проведения опыта. На Земле в настоящее время даже в областях самого влажного климата нет такого места, где бы постоянно и непрерывно шел дождь. Обычно выпадение дождя приурочено к определенному времени года; затем на смену влажному сезону приходит сухой, как это наблюдается в тропическом климате. Правда, существуют районы, где дожди выпадают в течение всего года. Это типично для экваториального океанического климата, например климата островов Полинезии (фиг. 4). Ho даже при таких климатических условиях продолжительность периода выпадения осадков не превышает 240 дней в году, т. е. дождь идет каждые два дня из трех. Кроме того, следует отметить, что осадки выпадают только в течение нескольких часов в сутки, так что чистое время выпадения осадков за год занимает только 5 % общего времени. Поэтому мы пришли к выводу, что для эксперимента следует располагать данными о величине интенсивности выпадения осадков за 1 час.

Интенсивность выпадения осадков в экспериментальной установке составляет в среднем 62 мм/час. По сравнению с обычным мелким частым дождем (1 мм/час) и даже со средней часовой нормой выпадения осадков на экваториальных островах (11 мм/час на Маршалловых островах) это очень большая часовая норма. Ее можно сравнить только с почасовой интенсивностью, отмеченной в некоторых районах тропического климата в сезон дождей. Например, в Конакри, Гвинея, за июль и август

выпадает до 2500 мм осадков. Однако известны исключительные случаи, когда в течение одного ливня выпадало 1200 мм осадков в час.

Итак, резюмируя все вышесказанное, можно утверждать, что плювиометрические параметры при экспериментальном выветривании характеризуют условия с очень большим количеством осадков и с высокой интенсивностью их выпадения, которые можно сравнить только с исключительными условиями, изредка встречающимися в тропиках. Кроме того, выпадение атмосферных осадков в экспериментальных условиях происходит постоянно и непрерывно, что обычно не наблюдается в природе, где периоды выпадения дождей непродолжительны и изменчивы.

Условия дренажа. При изучении процессов выветривания недостаточно располагать сведениями об общем количестве осадков P в данном районе. Еще важнее знать, какое количество воды Dr в действительности фильтровалось через породы и находилось в контакте с минералами.

В природе величина Dr всегда меньше P — общего количества осадков. Разница P — Dr = E представляет собой количество воды, которое испарилось и ушло в атмосферу. Величины E и Dr являются функциями температуры. В качестве примера можно снова привести Маршалловы острова, где P = 4500 мм/год, а средняя температура равна 26° С. Тюрк оценивает реальное количество испаряющейся воды в 1300 мм, т. е. приблизительно в 30% от общего количества осадков. Следовательно, количество воды, способное дренировать породы в климате, наиболее благоприятном для выветривания, составляет только 2/3 от общего количества осадков, т. е. приблизительно 3200 мм/год, или 9 мм/денъ.

В экстракторе «Сокслет» вся вода, падающая в виде атмосферных осадков на породу в цилиндре, полностью дренируется через нее и удаляется, т. е. в эксперименте P = Dr и не зависит от температуры. Почасовая интенсивность осадков позволяет определить почасовую интенсивность дренажа или, другими словами, скорость инфильтрации Vd. Как можно видеть из табл. 6, Vd составляет 62 мм/час, в то время как в океаническом экваториальном климате Vd равно всего 8 мм/час, т. е. в эксперименте эта величина приблизительно в 8 раз выше, чем в природе.

Таким образом, основными характерными признаками среды экспериментального выветривания пород являются постоянный дренаж, высокая скорость инфильтрации и повышенная температура.

Наконец, необходимо уточнить характерные черты особых условий, наблюдающихся в зоне колебания уровня грунтовых вод прибора. В этой зоне обломки пород попеременно то пребывают в воздушной среде в условиях постоянной инфильтрации воды, то нацело погружены в воду, как это наблюдается ниже уровня грунтовых вод.

Длительность каждой из этих двух фаз для данного обломка породы, находящегося в этой зоне, зависит от его положения в цилиндре экстрактора (фиг. 5). Высота положения данного обломка L по отношению к дну цилиндра позволяет определить длительность атмосферной фазы PA = L/H*100.

Например, если обломки породы находятся на высоте L = 90 мм, а высота от дна цилиндра до колена сифона H = 120 мм, то величина PA будет составлять 75% всего времени. Длительность же фазы погружения в этом случае будет равна 25% всего времени.

В цилиндре происходит, таким образом, сочетание различных условий выветривания: от обводненных на 100% до полностью атмосферных (выше колена сифона). Можно вычислить ритм сменяемости двух фаз во всех приборах «Сокслет». Длительность фазы погружения зависит от общей продолжительности цикла воды в каждом приборе. Так, для прибора «Сокслет» с обломками лавы Вольвика число ежедневных сливов равно 25, с базальтом — 28, а с гранитом — 41, что соответствует времени сменяемости фаз в 58, 51 и 35 мин соответственно.

На фиг. 6 схематически представлен характер смены фаз для каждого обломка лавы Вольвика в зависимости от его положения в цилиндре экстрактора «Сокслет».

Физико-химические данные эксперимента. Состав экспериментальной атмосферы. Гидрометрическая емкость составляет 234 мм рт. ст. при 70° С, парциальное давление воздуха равно 530 мм, т. е. приблизительно 0,7 атм. Содержание кислорода в атмосфере экстрактора «Сокслет» в этих условиях равно 2,7 мг/л, а содержание CO2 — 0,12 мг/л, что по сравнению с нормальным содержанием в воздухе при 20° С в 3,2 раза меньше для кислорода (в воздухе 8,75 мг/л) и в 4 раза меньше для CO2 (в воздухе 0,52 мг/л). Таким образом, экспериментальная «атмосфера» менее богата кислородом и CO2, чем обычный воздух.

Характеристика конденсационной (чистой) воды. Ионизация воды, характеризующаяся коэффициентом диссоциации К, увеличивается с повышением температуры. В основном эксперименте ионизация воды в 10 раз выше, чем при 20°, и в 80 раз выше, чем при 0° С. Величина pH, которая при 23° С равна 7,0, в условиях опытов теоретически становится равной 6,4.

Данные по определению содержания газов, растворенных в дистиллированной воде, приведенные в табл. 7, показывают, что вода, получаемая в приборе «Сокслет» в результате конденсации, гораздо чище по составу, чем дождевая природная вода, и гораздо ближе последней к состоянию нейтральности, так как содержит в 4 раза меньше СО2 и меньше обогащена кислородом (хотя и не лишена его полностью).

Заключение. Детальный анализ различных факторов, влияющих на искусственное выветривание, показывает, что среда в экстракторе «Сокслет» воспроизводит обстановку, близкую к природным условиям тропиков. Более того, используемый прибор позволяет воспроизводить эти условия непрерывно и интенсифицировать их, искусственно усиливая такие климатические параметры, как температура, скорость дренажа, ионизация воды и др. Это является залогом успешного осуществления в лабораторных условиях выветривания пород различного состава и структуры.