Поверхностная энергия вулканических пеплов и ее влияние на физико-механические свойства пепловых грунтов

К вулканическим пеплам относятся рыхлые продукты вулканических извержений с размерами частиц меньше 2 мм. Пеплы образуются в результате отделения частиц магматического расплава пузырьками газа при вулканических извержениях. По гранулометрическому составу пеплы неоднородны: это могут быть крупные пески (2-1 мм), пыль (0,05-0,005 мм) или тончайшие фракции размером меньше 0,005 и даже 0,001 мм. Не менее разнообразен вещественный состав пеплов (Гущенко, 1965). В пределах Камчатского региона наиболее распространены пеплы основного и среднего состава, в меньшей – кислого. Породообразующими минералами являются: вулканическое стекло, плагиоклаз, роговая обманка, пироксен, биотит, оливин; иногда присутствуют рудные минералы и даже органическое вещество.

Макроскопически, пеплы представляют собой рыхлый пористый материал темно-серого и светлого тонов, пылящий. Распространены пеплы чаще в приповерхностном слое рыхлых четвертичных отложений в виде отдельных прослоев мощностью до 10-15 см, выдержанных по простиранию на десятки и сотни километров от центра извержения (Мелекесцев, Брайцева и др., 1969; Мелекесцев, Краевая и др., 1970). Отдельных мощных горизонтов пеплы обычно не образуют. Суммарная же мощность чередующихся прослоев пеплов в покровных отложениях может составлять до 40% толщины последних при общей мощности покровного чехла до 8 м. Межпепловые горизонты представлены делювиальными, пролювиальными и эоловыми отложениями – супесями и песками, нередко обогащенными органическим материалом и ископаемыми почвами. Покров из чередующихся прослоев названных видов грунтов образует так называемый почвенно-пирокластический чехол (ППЧ), покрывающий обширные по площади территории в районах современного вулканизма на Камчатке. Вблизи вулканов мощность ППЧ может возрастать до 8 м, а на удалении она уменьшается до нескольких десятков сантиметров.

Вулканические пеплы существенно отличаются от грунтов другого генезиса, но сходного гранулометрического состава (например, лессов) микроструктурными особенностями – морфологией зерен и их пространственной компоновкой. Сама форма частиц обусловлена механизмом образования пепла – дроблением оболочек и перемычек пузырьков газа при раскрытии этих пузырьков в кипящем и остывающем магматическом расплаве. Это чрезвычайно разнообразный по форме частиц материал: зерна в виде рваных осколков, скорлупок, уплощенных пластинок, игольчатых отдельностей причудливой конфигурации. Для газонасыщенных пеплов характерно наличие открытых и замкнутых пор, занимающих до 90% объема пепловых частиц (Кирьянов, 1981). Своеобразна также морфология поверхности частиц, которым свойственны различного рода неровности, хотя иногда встречаются зерна с гладкими гранями. Ребра обычно острые, зазубренные (рис.1). Нередко встречаются моно- и полиминеральные агрегированные частицы. Они сгруппированы из множества зерен одного или разного минерального состава, содержат поры и имеют бугорчатую поверхность.

Одной из исключительных особенностей вулканических пеплов является высокая суммарная площадь поверхности частиц (Мархинин, 1980). Водные вытяжки из пеплов показывают отсутствие в них растворимых соединений. Этим они отличаются от лессов, хотя по некоторым признакам, таким как, например, рыхлость сложения, высокая пористость и просадочность (таб. 1-3; рис. 2-3) пеплы имеют некоторое сходство (Маркин, 1980, 1983). Однако в свежих пеплах, в возрасте нескольких лет (до двух-трех лет), в водных экстрактах обнаруживаются растворимые соединения сульфатов и хлоридов (Гущенко, 1965).

 

 

 

 

 

 

Для ясности следует ввести некоторые понятия при детальном описании свойств пепловых грунтов: удельная поверхность и удельная масса частиц. Первое определение означает соотношение площади поверхности частиц грунта к их массе, а второе – обратная величина, то есть отношение массы грунта к суммарной площади поверхности. Такие определения позволяют анализировать, как меняется площадь поверхности с изменением плотности грунта или частицы и, обратный показатель – сколько массы приходится на единицу площади поверхности в определенном объеме грунта. Порой приходится вводить идентичные этим определениям понятия, такие как поверхностный объем (отношение площади поверхности к объему) и объемная поверхность (отношение объема к площади поверхности).

Площадь поверхности шара нарастает по мере его увеличения в квадратной степени (4рr2), а объем – в кубической (4/3рr3). Для тел неправильной формы эти зависимости иные. Соотношение площади шара к объему есть величина постоянная. При любом изменении формы тела величина соотношения изменяется только в сторону увеличения. Соотношение поверхности к массе тела и массы к площади поверхности изменяется не линейно. При отклонении частицы от правильной формы шара удельная поверхность частиц пеплов возрастает, а с уменьшением размера фракций и веса, удельная масса, наоборот, понижается. В связи с этим мельчайшие частицы вулканического пепла и других тонкодисперсных материалов (обычная, угольная, древесная пыль, лессы, цветочная пыльца, пудра и т.п.) приобретают свойства высокой чувствительности к энергетическому на них воздействию – плавать на поверхности воды, переноситься воздушными течениями на большие расстояния в течение длительного времени, прилипать к ворсинкам насекомых и т.п. Вулканический пепел, например, может при извержениях подниматься на высоту до нескольких тысяч метров в атмосферу (стратосферу, вплоть до мезосферы) и находиться в ней рассеянными шлейфами до 5-7 лет (по некоторым данным до нескольких сотен лет) с момента извержения.

В пепловых частицах размером меньше 0,005 мм наблюдается преобладание влияния так называемой поверхностной энергии (ПЭ) над действием силы тяжести. Это заметно по тем признакам, что пепловые тонкие частицы в воздушно-сухом состоянии при их группировке образуют очень рыхлую «каркасную» структуру – они соприкасаются друг с другом, по преобладанию, не плоскостями, а отдельными точками, – чаще выступающими краями по схеме: «ребро-ребро», «ребро-грань», «острие (угол) – ребро», «острие-грань». Отмечается способность частиц пеплов группироваться в висячие мостики, цепочки, удерживаться на вертикальных гладких гранях других частиц и непосредственно под ними снизу (на весу), а также находиться в устойчивом положении в состоянии шарнирной податливости (гибкости), опираясь на одно лишь острие или ребро. В тонком слое пеплов (до 5 мм) хорошо держатся вертикальные стенки, превышающие по высоте размер мелких частиц в сотни раз. Подобное состояние для крупных обломков является практически невозможным в силу превалирующего действия сил гравитации. Если взять крупный обломок горной породы и попытаться поставить его на острый угол, то он удерживаться в таком состоянии не будет. А мельчайшие частички вулканического пепла вполне могут находится в таком, казалось бы, неустойчивом для них положении.

Под бинокуляром при 50-кратном увеличении заметно, что зерна пеплов чутко реагируют на внешнее энергетическое воздействие. Так, если поверх слоя пеплов, не касаясь частиц, проводить зонд (палочку) из органического стекла, натертого о синтетическую ткань, то частицы поворачиваются, изменяют наклон, сдвигаются и перескакивают на зонд, предпочитая размещаться на его ребрах и в меньшей степени на уплощенных гранях. По существу, в пеплах с размером зерен меньше 0,01 мм наблюдается явление, известное в литературе (Вялов, 1978; Гольдштейн, 1973; Дерпгольц, 1979; Осипов, 1979; Пирумов, 1981; Приклонский, 1955; Хоц, 1966) под названием адгезии или когезии. Данные определения обозначают способность частиц тонкодисперсного материала присоединяться (слипаться).

Возникает необходимость сразу же определиться с природой сил, обуславливающих когезию. Феномен контактного присоединения частиц пеплов обусловлен особым их свойством, наиболее полно описанным во многих работах для тонкодисперсных грунтов (Сергеев, 1978; Осипов, 1979; Вялов, 1978 и др.). Ученые объясняют этот феномен наличием у частиц поверхностных ионно-электростатических сил. Имеются в виду не приобретенные силы в результате трения частиц друг о друга, а постоянно присутствующие в любых сыпучих тонкодисперсных материалах: пыли и порошках минерального и органического происхождения (Пирумов, 1981). Учеными таким образом даются пояснения относительно природы энергетических поверхностных сил вещества: на поверхности частиц ионы как бы не уравновешены в силу наличия границы раздела твердого вещества с воздухом и отсутствия компенсирующей составляющей с наружной стороны. В результате на поверхности образуется некомпенсированная избыточная энергия, названная поверхностной (или когезионной), поскольку регистрируется на поверхности частиц различных тел. И стало быть, значительная часть энергетического поля трансформируется в поверхностное поле напряжений – ПЭ. Поверхностная когезионная энергия твердого вещества – аналог поверхностного натяжения жидкости. Такие взгляды существуют на природу поверхностной энергии тонких частиц, зафиксируем этот момент. Но кто и каким образом мог регистрировать эту энергию или ее аналог внутри тел или частиц?

Что касается когезии тонкодисперсных грунтов и крупных обломков горных пород, то и те, и другие обладают свойствами когезии, но у первых она легко распознаваема в силу превалирующего свойства ПЭ над весом частиц, а у вторых, наоборот, вес преобладает над поверхностной энергией. Только и всего. Если взять крупный обломок породы, расколоть его и к свежему сколу коснуться мелкими частичками пепла, то можно обнаружить их прилипание. Аналогичный результат получится, если раздробить часть обломка до мельчайшего помола и коснуться обломком мельчайших фракций – часть их прилипнет в свежей поверхности куска породы.

Рассматривая когезию в металлах, Н.Ашкрофт и Н.Мермин (1979) также используют понятие когезионной энергии, понимая очевидно под этим энергию электростатического взаимодействия ионов. Они считают, что данный вид когезионной энергии вносит главный вклад в силы взаимодействия между ионами. Полагается, как бы по умолчанию, что теоретически (Вялов, 1978), когезионная энергия и электростатические силы на поверхности частиц, очевидно суть одного и того же понятия.

Автор полагает, что толкование природы поверхностной энергии может быть самое различное. Во избежание рассогласований будем далее называть энергию по поверхности горных пород и их частиц различного размера – от скальных массивов до глыб, щебня и тонкой пыли, поверхностной энергией – ПЭ. Поверхностная энергия принадлежит не поверхностной оболочке вещества, а самому веществу, из которого состоят тела. Энергия существует у частиц вещества как внутри тел, удаленных от поверхности раздела с атмосферной оболочкой, так и снаружи. Однако, внутри тел ее трудно измерить, а на поверхности это вполне доступно (Тараканов, 2015).

Если расколоть камень, то на свежем сколе можно обнаружить многочисленные мельчайшие частицы раздробленной при ударе породы. Это значит, что можно говорить в принципе об энергии самих частиц, которая проявляется через поверхностные силы взаимодействия мельчайших фракций. Отчего же только мелких? Потому что эти силы становятся заметными и доступными изучению, когда они соизмеримы с весом этих частиц. Именно внутренняя энергия частиц вещества предопределяет присутствие поверхностной энергии, которая имеет сложную, по-видимому квантовую природу. По сути, не может существовать вещества без энергии, как, впрочем, и энергия без вещества, но это уже область некой геологической философии (Тараканов, 2015).

ПЭ распределяется по поверхности частиц однородно (равномерно). Однако для частиц, форма которых отличается от сферической, она существенно неодинакова. Проекция поверхности частицы грунта правильной шарообразной формы на внутреннюю поверхность описанной сферы однородна. Неправильная форма частицы создает мозаику энергетических неоднородностей, подобия сложного рельефа местности на топографической карте. Так как поверхностная энергия есть зависимая величина от морфологии тела, то и поверхностная энергия будет распределена адекватно морфологии. Аномальные значения ПЭ концентрируются на острых краях частиц и ребрах, минимальная – на ровных гранях и плоскостях.

Выполним следующие построения. Теоретически, укрупним частицу вулканического пепла и поместим ее внутрь правильной шарообразной сферы, а затем на ее внутреннюю поверхность спроецируем энергетическое поле – ПЭ от частицы грунта. Против ровных граней будут спокойные плавные изометрические линии равных напряженностей поверхностной энергии, а перегибам плоскостей, ребрам и в особенности острым краям будет соответствовать максимальная концентрация напряженностей. Это будет свидетельствовать о том, что вокруг частиц правильной формы шара поверхностная энергия будет однородная, а поскольку таких пепловых частиц практически не существует, то напряженность поверхностной энергии по неровной оболочке и по внутреннему описанному сферическому контуру оболочки вокруг частиц пепла будет существенно неоднородная. Таким образом, ПЭ будет распределена адекватно проекции морфологии частиц на внутреннюю поверхность круглой оболочки шара или же окружающей частицу сферы вмещающего пространства.

Современной аппаратурой можно регистрировать лишь избыточную «не сбалансированную напряженность» поверхностной энергии, которая при определенных условиях может «перетекать» между веществами или телами. Перераспределение электрических зарядов между пепловыми облаками при вулканических извержениях достаточно широко освещена в современной литературе (Руленко, 1979). Вулканические извержения с сильными пеплопадами часто сопровождаются сильнейшими электрическими разрядами в виде вспыхивающих молний (рис. 4). Откуда же образуется избыток электрической напряженности пепловых туч? Молнии – это результат электрических разрядов при их мгновенном перераспределении, как полагаю, при стекании зарядов от более заряженных пепловых туч к менее заряженным. А возникновение зарядов как раз и определяется энергетическими свойствами пепловых туч, извергающихся из жерла вулкана с высокой скоростью и энергией вулканических процессов в атмосферу (рис. 5 и 6). Попутно отметим, что в северных регионах Камчатки случаются «сухие грозы», когда «гром гремит среди ясного неба», а от молний возникают многочисленные пожары в лесу и тундре. Электризация, по-видимому, в этом случае происходит не туч или облаков, а за счет энергетического насыщения ионов воздуха.

 

Накопление поверхностной (электростатической) энергии пеплов возникает в результате трения частиц пепла с воздушной средой при высоких скоростях перемещения вулканического материала и между частицами в самой пепловой туче и в атмосфере. Очевидно, значительную роль при этом имеет процесс образования частиц пепла, когда при отделении лавины мельчайших пузырьков газа из остывающего при соприкосновении с атмосферой раскаленного магматического расплава, оболочки пузырьков лопаются, происходит дробление тонких перемычек магматического расплава пузырьков на мельчайшие осколочки (частицы) самых разнообразных форм и их выброс в атмосферу. Возникает как бы двухфазовый вариант возникновения ПЭ в пеплах: первый – при лавинообразном отделении из вскипающей раскаленной вулканической лавы пеплового материала и второй – в результате трения и соударения частиц в воздухе друг с другом и с воздухом. По-видимому, важен также скоротечный температурный переход возникающих пеплов из высоко температурного расплава (1200 градусов) в низкотемпературную сферу атмосферного воздуха. В принципе, не зависимо от условий и факторов образования избыточного потенциала ПЭ можно констатировать наличие ее на поверхности пеплового материала.

При избыточной напряженности не сбалансированную поверхностную энергию можно обнаруживать визуально, например, по разрядам молний при вулканических извержениях. Что же касается напряженности частиц, обусловленной собственно поверхностной сбалансированной фоновой (кларковой) энергией, то она обнаруживается лишь косвенными экспериментальными исследованиями и наблюдениями.

Существуют публикации по разнополюсности заряженных пепловых облаков со знаками «плюс» и «минус». Не отрицая таких взглядов, автор по своему многолетнему опыту не обнаруживал такой полярности и больше склоняется к мнению, что энергетическое взаимодействие между частицами пепла происходит не из-за разной полярности в напряженности энергии на поверхности пеплов, а при различиях интенсивности поверхностной энергии у частиц, при которой происходит перетекание (перераспределение или выравнивание) зарядов от частиц с более высокой энергетической напряженностью к частицам с меньшей, или же, – от пепловых частиц с большей напряженностью к любым другим телам с меньшей напряженностью, а также, наоборот, – от более заряженных тел к пеплу.

 

 

В журнале «Frech Line» (№52, 2015 г.) была помещена заметка «Извержение алмазами» о том, что ученые на Толбачинском вулкане (Камчатка) в лавах обнаружили алмазы. Было высказано предположение, что в образовании этих драгоценных материалов «присутствовала молния, ударившая вулканические газы, содержащие углерод». Аналог получения синтетических алмазов из газов был еще в 1964 г. запатентован во Франции путем воздействия сильного электрического заряда. «Не исключено, что российские ученые нашли в лавах Толбачика природный аналог французских синтетических драгоценных камней», – отмечается в материале. Интересное сообщение.

ПЭ присутствует не только на мелких частицах, а практически повсеместно – на крупных камнях, на морском песке, древесных опилках, листьях деревьев, капельках воды, сосульках и т.д., однако зафиксировать ее чрезвычайно сложно в связи с тем, что действие сил гравитации у крупных тел преобладает над действием ПЭ. Поэтому на внешнее энергетическое возмущение наэлектризованным зондом заметно реагируют лишь мелкие частицы пеплов – мельче 0,01 мм. В первую очередь, к наэлектризованному зонду устремляются мельчайшие частицы размером меньше 0,005 мм – они подпрыгивают на высоту до 30 мм и прикрепляются на его поверхности. Происходит это в форме массовой миграции. Более крупные частицы, больше 0,1 мм, реагируют слабее, но тем не менее также способны хотя и в меньшем количестве, подпрыгивать вверх к зонду и отскакивать обратно, причем многократно. Более того, они могут перескакивать по самому зонду в разные стороны после непродолжительного покоя. Это явление автор объясняет некоторым перераспределением интенсивности ПЭ во времени.

Пепловые тучи в период вулканических извержений представляют собой определенную опасность для самолетов из-за возможного негативного воздействия высоко абразивного вулканического пепла на двигатели и еще, по-видимому, из-за вероятного воздействия аномально избыточной ПЭ пепловых облаков на электронные приборы воздушного судна.

Формирование рыхлой упаковки частиц вулканического пепла в массиве (структуры грунта) обусловлено исключительно поверхностной энергией и неравномерным ее распределением в связи с неоднородной морфологией частиц. Частицы пепла при вулканических извержениях входят в соприкосновение не случайно, а сообразно неоднородной напряженности поверхностной энергии по краевому контуру каждой частицы. Представляется, что вулканические пеплы в свободном падении, войдя в зону взаимного энергетического влияния, меняют пространственную ориентировку, сближаются и входят в соприкосновение при наземной аккумуляции чаще не гранями, а выступающими краями, где напряженность ПЭ наибольшая.

Данными о разнополюсности напряженности ПЭ у пепловых частиц автор не располагает. Более того, стоит обратить внимание на то, что наряду с широко распространенным явлением слипания, отталкивания между мелкими частицами не наблюдалось. Автору не ясно, слипаются ли частички пепла, когда они транспортируются энергией вулканических извержений и воздушными потоками непосредственно в атмосфере, либо они входят в контактное соприкосновение только в зоне аккумуляции, т.е. уже на поверхности земли. Представляется, что возможны оба сценария развития событий. Наиболее вероятно, что изменение пространственной ориентировки частиц сообразно их неравномерной энергетической напряженности по поверхности пепловых частиц начинается сразу же за выбросом в воздушную среду и завершается в зоне аккумуляции.

Для осмысления указанного сделаем небольшое отступление.

Перепончатые крылышки бабочек имеют максимально возможную величину отношения площади поверхности к весу для обеспечения подъемной силы и перемещения в пространстве. У летающих птиц также поверхность крыльев соизмерима с весом тела, между которыми существует строгая закономерность (Шмидт-Ниельсен, 1987). Самым большим весом обладают африканские дрофы (13 кг). Птицы с большим весом летать не могут. Например, грифы уже не столько летают, сколько парят над восходящими потоками воздуха, а индюки и страусы «бегают», используя крылья для курсовой устойчивости и бега. Так что птерозавры мелового периода с размахом крыльев до 11 м

(по некоторым данным, до 15 м) и весом до сотен килограммов, которых представляют в фантастических фильмах и научных изданиях летающими, реально летать не могли. В крайнем случае, они могли бегать как страусы, поскольку для их размеров и веса у них было недостаточно мышечной массы, с наращиванием которой, соответственно, увеличивается общий вес. Иначе бы и коровы летали.

Большинство летающих насекомых не машут крылышками, а вибрируют, быстро перемещаясь в пространстве, а птицы, наоборот, не вибрируют крыльями, а машут. По соотношению собственных размеров, вибрирующие крылышками насекомые самые быстрые в полете, скорость полета у них даже больше, чем у самых быстрых стрижей. За определенный период времени они покрывают расстояние, во много больше размеров своего тела, в сравнении с птицами. Из этих принципов, самым сильным является не слон с массой до 80 т, а обычный муравей, который может тащить груз в сотни раз больше собственного веса. Слону это не под силу.

В когезии пеплов усматривается проявление второго начала термодинамики – стремление вещества перейти в более устойчивое термодинамическое состояние. Площадь поверхности двух плотно присоединенных частиц всегда меньше суммы площадей каждой из них. Отсюда выигрыш всей системы в поверхностной энергии и как следствие этого – уменьшение общих энергетических затрат по вновь образованной суммарной поверхности. В описываемом явлении проявляется своего рода обменная реакция поверхностной энергии твердого вещества между частицами. Попутно отметим, что именно благодаря свойствам когезии растительный мир во многом обязан своему процветанию на земле. Армада насекомых, питаясь нектаром цветов, попутно захватывает пыльцу посредством прилипания ее к ворсинкам и переносят ее на другие цветоносы, обеспечивая этим самым оплодотворение и воспроизводство.

Агрегация пеплов в воздухе при вулканических извержениях носит много общих черт с описанным явлением. В свободном падении происходит «электростатическое слипание» частиц. При испарении влаги частицы пепла стягиваются лапласовским давлением и испытывают всестороннее обжатие. В результате образуются агрегированные твердые шарики, состоящие из множества сгруппированных частиц. Процесс агрегирования пеплов в воздухе называют электростатической коагуляцией (по В.Кирьянову). На этом принципе основан технологический процесс гранулирования дисперсных материалов методом распылительной сушки (Поляков, Круглицкий, 1982). Распыленная форсункой суспензия подается в сушильную камеру. За счет выпаривания влаги и поверхностного всестороннего обжатия капельки суспензии превращаются в твердые гранулы.

Когезия во многом ответственна за сохранение растительного мира природы. Насекомые, питающиеся нектаром цветов, разносят пыльцу, прилипающую к ворсинкам на поверхности тела, по другим цветоносам на большие расстояния, обеспечивая этим самым опыление и воспроизводство растений. А вездесущие споры мха слабыми воздушными потоками переносятся на тысячи километров. Мхи и лишайники поэтому можно увидеть повсеместно – на голых камнях, валунах, валежнике, на пнях деревьев и даже на крышах домов. Нередко насекомые также используют подобные методы перемещения в пространстве. На паутинках странствующие паучки подхватываются ветрами и переносятся на новые ареалы обитания. А посмотрите на семена одуванчика – каждое семечко наделено своим личным парашютом на длинной палочке; сверху – несколько раскрытых зонтиком тычинок с пушинками. Под действием небольшого движения ветерка пушинки снимаются из семейного «домика» и улетают на новые поселения. Тоже энергетическое взаимодействие элементов растительной среды и тонких материй атмосферы (воздушные потоки).

Рассмотрим далее влияние ПЭ пеплов на некоторые физико-механические свойства пепловых грунтов и протекающие них микропроцессы.

 

1. Увлажнение пепла на стекле

Слой воздушно-сухого пепла толщиной 2 мм разравнивался на стеклянной пластинке, на площади 4-5 см2. Процесс миграции воды и физические преобразования в системе «пепел-вода» наблюдались через бинокуляр с 70- и 100-кратными увеличениями. Рядом с пеплом помещалась капля воды. Благодаря поверхностному натяжению она имела выпуклый профиль.

Капля воды стремится к сохранению формы поверхности, но стоит подвести к ней узенький «мостик» из пепловых частиц как вода быстро устремляется по сухому пеплу, передвигаясь от одного зерна к другому через точечные контакты. Хорошо заметно, что смачивание происходит по всей поверхности зерен, в том числе по выступающим наружу ребрам и совершенно гладким граням. Для удобства наблюдений слой пепла сверху закрывался также стеклом.

Считать, что смачивание происходит за счет действия капиллярных сил не совсем правильно, ибо «полных» и «правильных» капилляров слой пепла не образует, а узкие «каппиляровидные» каналы (субкапилляры) есть только непосредственно между близко расположенными частицами пепла. Характерно также, что вода способна проникать довольно быстро (практически мгновенно) через тончайшие отверстия (меньше 0,001 мм) по микропорам самих тонких пепловых частиц, выталкивая из них потоком вытесняемого воздуха частички еще меньшего размера. Последние отлетают на расстояние, превышающее их истинные размеры в сотни раз. Из этого можно заключить, что в таких узких отверстиях происходит что-то наподобие ударной воздушной волны при «втягивании» влаги. Смачивание сопровождается переориентировкой частиц – они сдвигаются, поворачиваются, шевелятся, как живые, и изменяют точки соприкосновений. Неравномерное смачивание слоя пепла, зажатого между стеклами, приводит к защемлению воздушных включений, обособляющихся в круглые шарики, иногда приплюснутые.

При дефиците влаги, когда ее недостаточно для полного смачивания всего сухого пепла, граница смачивания четко обозначена. Поры между частицами при этой фазе увлажнения остаются не заполненными водой, однако на стыках частиц появляются мениски (утолщения) влаги, а сами частицы в увлажненной зоне смочены. За пределами зоны увлажнения на удалении от капли воды, пеплы остаются совершенно сухими, а капля воды вся расходуется на «обедненное» смачивание. Пепел как бы втягивает («затаскивает» на частицы) воду, распределяя ее по поровому пространству, по контактам между частицами и, что особенно важно для понимания этого процесса, – по всей поверхности частиц пепла, включая острые выступы, края и ребра.

Не смотря на некоторую пространственную перекомпоновку частиц при увлажнении, структура пепла остается рыхлой, а сами частицы полностью не утрачивают, казалось бы, невыгодное, с точки зрения их гравитационной устойчивости, состояния и пространственное взаимное расположение. В этом случае, наряду с энергетическими связями между частицами участвует энергия связей тончайших пленок воды, обволакивающих зерна. Капля же воды полностью расходуется на смачивание при дефиците водонасыщения.

Дополнительный подток воды при смачивании приводит к постепенному утолщению водной оболочки вокруг частиц, смыканию ее в узких местах, изоляции воздуха в порах и разрушению структуры пеплового слоя при переходе его из воздушно-сухого состояния в увлажненное. Подвешенные частицы пепла и состоящие из них мостки и цепочки рушатся, отвесные стенки в слое пепла оплывают, пленка воды на поверхности слоя пепла сливается в единую поверхность. При этом общие фрагменты поля пеплового слоя могут сохраняться. Иногда даже не исчезают локальные неровности водной пленки, отражающие выступающие зерна или агрегированные частицы. Вода перемещается по порам и по оболочкам частиц, транспортирует по треку движения фронта увлажнения мельчайшие зерна, оседающие на стеклянную пластинку по мере остановки движения жидкости.

Смачивание пеплов избыточной порцией воды отличается некоторым своеобразием. При первом же соприкосновении воды с частицами грунта последние скачком (мгновенно) сами втягиваются в жидкость. Данный феномен обусловлен действием сил смачивания поверхности частиц. Впрочем, последние суть того же проявления ПЭ пепловых частиц и жидкости.

Более наглядно явление втягивания в жидкость частиц наблюдается, если каплю воды поместить снизу стеклянной пластинки таким образом, чтобы капля провисала и этой каплей нужно коснуться небольшой порции тонкого пепла (рис. 7). Часть зерен мгновенно втянется внутрь капли. Причем зерна будут располагаться не на самой пластинке, а непосредственно в самой капле воды на нижней ее части, как камни в мешочке из прозрачной пленки с водой (эффект провисания). В каплю можно добавлять частицы до тех пор, пока их вес не превысит силы поверхностного натяжения жидкости или силы сцепления ее со стеклянной пластинкой. Примерно по такому же сценарию в природе протекают грандиозные по масштабу проявления микроэнергетических преобразований, когда «дождинки», смачивающие листья растений, траву, деревья (удалил про козявочек) смывают адсорбированную на поверхности различного рода пыль, пыльцу растений, гарь от дыма при отработке топлива транспортными средствами, котельными и при пожарах, а также другие твердые взвеси. Поэтому после дождей и циклонов воздух становится свежим, чистым и прозрачным, а растения как бы оживают, освободившись от засорения поверхности листьев пылью. Птички чистят перышки в лужицах и с превеликой радостью извещают разноголосицей этот прекрасный мир о принимаемых ими водных процедурах. Активнейшие процессы адсорбции загрязненного различными твердыми взвесями атмосферного воздуха и предметов окружающего мира происходят при дождях, циклонах и снегопадах.

 

Под водой частицы пеплов не обнаруживают признаков энергетического взаимодействия, – каждое зерно обособлено и не удерживает на своих гранях более мелкие фракции, как это наблюдается в сухих пеплах. Такое впечатление, что энергетические связи между тонкими частицами, обуславливающие необычное поведение фракций с висячими мостиками и вертикальными стенками, в воде исчезают полностью. Частицы в результате этого группируются более компактно: точечные контакты распадаются, зерна сближаются и входят в соприкосновение значительно большим количеством контактов в том числе и гранями, «пустотность» уменьшается. Некоторые частицы – это в основном легкие и уплощенные (мельче 0,005 мм), смачиваются не полностью. Они обладают свойством плавать на поверхности воды в полупогруженном состоянии. Со стороны водной поверхности они смочены водой, а противоположная часть, обращенная наружу, остается сухой. Такие частицы не втягиваются вовнутрь подведенной к пеплам воды, а «затаскиваются» на ее поверхность. Причины такой избирательности в увлажнении плавающих частиц пепла автору не ясны.

Плавающие на пленке воды частицы пепла очень чувствительны к ее кривизне. Если плавучесть их велика, то они поднимаются на выпуклую часть пленки воды на стеклянной пластинке. Чаще же мы сталкиваемся с другим явлением, когда вес частиц превалирует над подъемной силой. Тогда они соскальзывают по поверхностной пленке воды вниз к контакту ее со стеклянной пластинкой. Если профиль пленки не выпуклый, а вогнутый (вода в цилиндре), то плавающие частицы группируются во впадине по центру вогнутой водной поверхности. По поверхности воды частицы распределяются обычно в один слой. После принудительного смачивания многие из частиц тонут, погружаются также частицы пепла, поднятые со дна пузырьками воздуха, если они освобождаются от пузырьков при подъеме их своей плавучестью на поверхность.

Частицы на пленке воды, если находятся на расстоянии примерно равном двум собственным размерам, как бы «чувствуют» близость друг друга, проявляя в своем поведении реакцию сближения и присоединения (слипания). По мере сокращения между ними расстояния скорость сближения возрастает, а сам момент соприкосновения происходит в виде скачка. В зоне сближения частицы меняют пространственную ориентировку в плоскости поверхности пленки воды и присоединяются друг к другу не случайными, а определенными частями (сторонами). Чаще они соприкасаются выступающими краями (рис. 8). Опять, как и в сухих пеплах, наблюдается точечное присоединение частиц. На пленках воды таким образом образуется целое поле сцепленных силами взаимодействия пепловых частиц, со значительными промежутками («пустотами») между ними подобно торошенным льдинам на замерзающей акватории.

Отдельные зерна находятся в неконтактной связи друг с другом, т.е. они сближены почти вплотную, но прямого контакта не имеют. Если отодвигать одно зерно, то за ним увлекается другое, находясь в незримой связи с первым. Заметно также, что отдельными частями зерна не могут сомкнуться так как этому препятствуют силы от деформированной частицами пепла поверхностной пленки воды.

С целью расшифровки причин сближения частиц, пространственной переориентировки и вхождения в контакт частиц пепла на пленке воды автор провел точно такие же наблюдения за крупными (4-6 мм) застывшими каплями парафина, обнаруживающими аналогичное поведение. Выяснилось, что такие кусочки парафина деформируют вокруг себя пленку воды подобно тому, как изгибается она под тяжестью стальной иголки, удерживаемой на поверхности силами поверхностного натяжения жидкости. Однако сам характер искривления пленки чрезвычайно разнороден – наряду с вогнутостями по наружному контуру у плавающих частиц парафина имеются многочисленные локальные выпуклости, обусловленные сложным строением краев и своеобразным распределением пленки воды у этих неровностей. Общая зона возмущения естественного «профиля равновесия» водной оболочки распространяется в радиусе, примерно равном размеру плавающих частиц (рис. 8 и 9).

 

В силу поверхностного натяжения воды искривленное состояние пленки против оптимальной формы «не выгодно» для жидкости с термодинамической точки зрения. Поэтому всякое изменение кривизны поверхностной пленки, направленное в сторону сокращения суммарной площади поверхности водной оболочки, имеет тенденцию к восстановлению оптимальной формы, т.е. минимально возможной площади поверхности (Айзатулин, Лебедев и др., 1979). Именно поэтому пузырьки воздуха всегда вытесняются из воды на выпуклую часть водного зеркала и группируются вместе. Подобно пузырькам воздуха кусочки парафина также группируются на выпуклой части водной пленки. Здесь они попадают в зону локального искривления водного зеркала, окружающую каждую частицу и начинают быстро сближаться. Одновременно они разворачиваются относительно друг друга таким образом, что их сближение сопровождается уменьшением суммарной площади искривленной поверхности водного зеркала за счет выпуклостей и впадинок по кромке частиц. Процесс же слипания приводит к выигрышу внутренней энергии жидкости, идущей на содержание поверхности раздела с воздухом подобно тому, как это происходит при слиянии двух капель воды (Гегузин, 1973).

 

 

Механизм взаимного сближения плавающих пепловых частиц на пленке воды, подготовка к присоединению, а также сам процесс сближения и слипания имеют ту же энергетическую (микроэнергетическую) природу, как и для сухих пепловых частиц. Частицы пепла имеют большую плотность чем у воды и давят силой тяжести на пленку, которая неодинаково деформируется и создает этим самым искривление зеркала воды вокруг каждой плавающей частицы. Вот эти искривления (микровпадинки и микровыпуклости) и предопределяют какими краями сближаются частицы пепла, а какими не могут присоединиться, но находятся в незримой неконтактной связи друг с другом.

Случаи неконтактной связи частиц пепла объясняются своеобразием распределения выпуклостей и впадин по краям частиц, когда полному сближению и вхождению в прямой контакт препятствуют условия кривизны водной пленки, исходящие от ее неровностей, окружающих каждую плавающую частицу. Однако, при этом, процесс сближения в целом сопровождается некоторым сокращением площади поверхности водного зеркала и уменьшением поверхностной энергии жидкости на содержание его площади при данной общей поверхности воды в сосуде или на поверхности стеклянной пластинки.

Если погружение частиц пепла целиком в воду сопровождается полным стеканием поверхностной энергии с их поверхности, то пребывание в полупогруженном плавающем на воде состоянии способствует снятию ПЭ только со стороны смоченной поверхности. Верхняя же часть при этом остается совершенно сухой. Присутствие ПЭ на сухой стороне поверхности плавающих пепловых частиц обнаруживается тем же наэлектризованным зондом – частицы реагируют на его приближение и устремляются к нему, скользя по пленке воды. Зонд при этом не касается жидкости. Если зонд поднести не сбоку, а сверху, то приподнимающиеся к нему пепловые частицы тянут за собой воду и искривляют водную поверхность, создавая микровыпуклость.

Вариант опыта с воздействием на частицы наэлектризованным зондом сверху подтверждает высказанную мысль – они реагируют на него, но оторваться и перескочить с поверхности воды на зонд, как сухие пепловые частицы, не могут. Кроме того, как станет ясно из нижеследующего, аномалий ПЭ пепловые частицы на пленке воды как в слое сухих пеплов не создают из-за того, что попадают в более сильное энергетическое поле взаимодействия частиц и воды. Зерна пепла, полностью погруженные в жидкость, совершенно не реагируют на действие наэлектризованного зонда и абсолютно инертны к его воздействию. На этом основано заключение, что вода снимает ПЭ с пепловых частиц, за счет «компенсации» энергетических сил пеплового материала при их энергетическом взаимодействии. Броуновского беспорядочного движения мельчайших частиц, о котором упоминается в некоторых работах для мелкодисперсного материала автор настоящей работы не наблюдал. Поведение пепловых частиц при увлажнении подчиняется закономерностям, описанным выше.

Возникает как бы парадокс – откуда берется энергия по субкапиллярному перемещению воды против силы тяжести? Ответ прост – поверхностная энергия есть в любом веществе, а в рассматриваемом случае – в частицах пепла и воде. При присоединении их эта энергия вступает во взаимодействие, в результате чего и происходит перемещение зоны увлажнения и изменение энергетического потенциала поверхности. Система «грунт – вода» при этом снижает энергетический ресурс, в сравнении с вариантом суммы ПЭ обеих неприсоединенных сред, только и всего.

Чистая вода, в том числе и дистиллированная, без пепла на ее пленке также обнаруживает энергетические свойства, реагируя на зонд искривлением водной поверхности – возникновением локального микровздутия. Под этим свойством воды автор подразумевает наличие поверхностной энергии воды на границе раздела с воздухом, способной реагировать на внешнее энергетическое возмущение. Свойством обладать ПЭ обладает не сама поверхность – пленка воды, а само вещество – вода, энергия же регистрируется через поверхностную пленку точно так же, как и в пеплах.

С не смачиваемыми телами вода также обнаруживает реакцию обмена поверхностной энергией. Однако лапласовские силы пленки воды в этом случае существенно превосходят над силами энергетического взаимодействия жидкости и твердого не смачивающегося вещества. Поэтому капля воды не смачивает закопченное стекло, но мельчайшие частички аэрозоля, возникшие при сгорании свечи, когда наносили продукты сгорания на стекло, также как и легкие фракции пепла «затаскиваются» на поверхностную пленку капелек воды и удерживаются на них силами энергетического взаимодействия. Подобное наблюдается и во взаимодействии различных жидкостей, например, воды и масел. Последние не растворяются в воде, но и не отторгаются. Более того, масла взаимодействуют с водой – удерживаются на поверхности и выталкиваются на выпуклую часть пленки воды; для разделения жидкостей требуется приложения определенных усилий.

Свойства не смачивания с одной стороны у некоторых частиц пеплов на поверхности пленки воды обусловлены, по-видимому, особым энергетическим состоянием таких фракций, при котором в силу высокой концентрации поверхностной энергии и веса частиц пленка воды не может присоединиться ко всей поверхности пепла, а лишь соприкасается с ней снизу. Так, примерно происходит с иголкой, когда ее кладут в ложку и осторожно наливают пипеткой воду. Снизу пленка воды не раскрывается (но соприкасается с иголкой) и силой поверхностного натяжения держит стальную иголку на поверхности, искривляя зеркало воды вокруг неё. Таким образом, взаимодействие есть, а смачивания не образуется. Так, примерно, и с не смачиваемыми фракциями пеплов – вода затаскивает их на свою поверхность, но полного смачивания не происходит вследствие того, что пленка воды на контакте с частицами не раскрывается (не разрывается). Очевидно этому препятствуют высокий уровень сил поверхностной энергии у пепла в связи с их аномально высокой удельной поверхностью. Если частицы искусственно притопить, то пеплы смачиваются и тонут.

Учеными (Новиков, Сайфутдинов, 1981) обращено внимание на аномальные свойства воды, образующейся при таянии снега. Она способна стимулировать биологические процессы живых организмов и растений. Представляется, что данный феномен обусловлен быстрой утратой воды вначале твердого, затем жидкого капельного состояния, образованием единой поверхностной пленки и изменением энергетического баланса воды. Очевидно, что подобные свойства воде можно придать искусственно путем расщепления ее на мельчайшие капли с последующим обращением в «сплошную среду», либо введения в нее множества пузырьков воздуха. Этим резко увеличивается интегральная площадь поверхности водной пленки и изменяется ее энергетический потенциал. Перестройка энергии поверхностных сред протекает при этом не мгновенно, а в течение определенного промежутка времени. По аналогичному принципу в бассейнах (типа «джакузи») делают водный «пузырьковый массаж»: под давлением в воду накачивают воздух, он распадается на множество пузырей, которые всплывают, приятно и весьма полезно воздействуя на поверхность тела человека.

Известно, что в республике Саха с сильнейшими морозами и студеными реками с водным питанием за счет таяния снежников и ледников высокий процент долгожителей, что связывается, по предположению некоторых, именно с преобладанием потребления талой воды. Кстати, дачники об этом прекрасно осведомлены и стараются поливать рассаду и саженцы именно «снеговой» талой водой и когда возможно – заготавливают ее весной, пусть даже на короткий период до схода снега, впрок для полива. Талая вода способна активировать и стимулировать биологические процессы растений. И это доказано вековой народной практикой, не так все просто, а просто замечательно.

Имеются сведения, что перелетные птицы по северным приполярным областям РФ и других стран, где широко распространены озера с талой водой, на местах гнездовий и выращивания детенышей теряют свойства воспроизводства, если в силу каких-либо причин не реализуют возможности «кормиться» на озерах с талой водой. Подобные регионы стоянок и гнездовий перелетных птиц имеют строго охраняемый государственный или даже международный уровень заказников. На Камчатке, например, в долине р.Пенжина и р.Таловки колоссальные урочища гнездовий, отдыха птиц и восполнения сил для трансатлантических перелетов. И ближайшее поселение имеет одноименное с рекой название – село Таловка. Урочище имеет статус государственного заказника, на его территории запрещено охотиться и тем более движение транспортных средств.

Используются еще два приема для подготовки семян перед высадкой в грунт – активирование пузырьками воздуха и замораживание в холодильнике. При активировании пузырьками семена заворачиваются в пористый проницаемый материал небольшими мешочками и помещаются в сосуд с водой. Из небольшого компрессора затем накачивают воздух, который выходит мелкими пузырьками. Они проникают к семенам, контактируют с ними и взаимодействуют, чем и активируют биологические процессы по эффективному прорастанию. А охлаждение в холодильнике закаливает семена и будущие из них растения к переносу холодных ночных температур.

Существует небольшое водяное насекомое типа удлиненной палочки длиной до 3 см, на длинных складных лапках, как у паучка (клоп водомерка). Она скользит по зеркалу воды как на лыжах. Под лапками зеркало воды прогибается, туловище приподнято над водой и не касается зеркала. Перемещается водомерка толчками, отталкиваясь лапками. Если увеличить ее на пленке воды в тысячу раз – впечатляющая была бы картина из области «фэнтези». Лапки не смачиваются с водой, но соприкасаются с поверхностной пленкой. Полагаю, что лапками попеременно водомерка создает энергетические опорные точки на зеркале воды, которое служат как бы упором для отталкивания. Примерно таким же образом перемещаются мухи на отполированном вертикальном стекле или зеркале, или даже свободно удерживаются снизу и перемещаются.

Окружающий мир энергетического взаимодействия различных сред в природе обширен и разнообразен. Это можно наблюдать, например, на избирательном распределения капелек росы по оторочке листьев, их краевых зон, по опушке и т.п. (рис. 10-13). Перышки птиц не смачиваются, и капельки дождя и брызги воды скатываются с них «как с гуся вода». Но если птицы случайно приводняются на пленку ГСМ, разлитых на поверхности водного бассейна, то перья смачиваются и тогда птицы погибают, примеров тому предостаточно.

Энергетические преобразования в форме электризация капель при разбрызгивании воды хорошо известны в метеорологии (Дубинский и др., 1965) под названием эффекта Гезехуса-Ленарда. Аналогичные процессы энергетических изменений сопровождаются также при образовании льда, дроблении твердых пород и т.п. Проводимые опыты слияния текущих струй воды из сливных желобков двух сосудов, когда струйчатые потоки обращены близко друг к другу, обнаруживают интересное явление. Струйки некоторое время как бы подстраиваются к взаимному положению, а затем скачками сливаются в единый поток. Полагаю, что из описанных выше экспериментов становится понятным механизм данного явления – струйки воды обнаруживают таким образом энергетическое взаимодействие по аналогии группирующихся обычно в своеобразные колонии частиц пепла друг с другом или присоединения с водой. Аналогично происходит присоединения в единые семейства на поверхности пленки водного зеркала пузырьков воздуха.

Поверхностное смачивание слоя пепла на стеклянной пластине в совокупности со строением и размерами пор обуславливает субкапиллярные свойства тонкодисперсного материала. Поверхность частиц пеплов содержит множество неровностей; смачиванию подвержены не только эти неровности (впадины), но и совершенно гладкие грани, выступающие ребра и острые углы. В противном случае невозможна была бы миграция пленки воды через точечные контакты между зернами.

 

 

 

 

Можно лишь удивляться как быстро перемещается вода в пеплах, если частицы находятся в воздушно-сухом состоянии. Движение ее обусловлено поверхностным смачиванием частиц. На ее перемещение оказывают влияние два основных фактора: наличие достаточного количества сухих частиц, контактирующих друг с другом и присутствие путей беспрепятственного оттока воздуха, замещаемого (вытесняемого) водой. Для компенсации поверхностной энергии частиц пепла требуется определенная толщина пленки воды, поэтому пеплы чутко реагируют на истощение или неравномерность толщины слоя жидкости. В силу этого в основе выравнивания толщины пленочной и капиллярной воды лежит процесс энергетического взаимодействия твердого вещества и воды.

Автор приходит к выводам, что данные факторы обусловлены вещественным (минералогическим) составом частиц грунта, а стало быть уровнем энергии вещества – с одной стороны и энергетическими свойствами воды – с другой. При изменении свойств частиц грунта и жидкости будет изменяться толщина пленки воды при энергетическом взаимодействии обеих сред. Именно при конкретных параметрах толщины пленки происходит компенсация энергетических свойств твердого вещества жидкостью и переход ее ПЭ в состояние относительного равновесия с водной средой. Для различных материалов и жидкостей толщина пленки, обволакивающей их поверхность, будет неодинакова.

После заполнения пор в пеплах жидкостью движение ее в пеплах замедляется из-за сопротивления капиллярной и пленочной воды, удерживаемой поверхностью частиц ПЭ. Представляется, что силы взаимодействия ПЭ способны затормаживать миграцию в порах не только воды, но и газов.

Сущность поверхностного смачивания заключается в том, что твердое вещество (частицы пеплов) и жидкость (вода), будучи наделены энергетическими свойствами, вступают в реакцию обмена поверхностной энергией в своем стремлении перейти в более устойчивое термодинамическое состояние и таким образом повысить свою пассивность (синерезис) по отношению к окружающей среде. В явлении субкапиллярности заложен тот же механизм смачивания, обусловленный, в свою очередь, энергетическими свойствами веществ как твердых, так и жидких тел.

«Твердая вода» – лед в одинаковой мере наделена поверхностной активной энергией. Тончайшие трубочки стебелькового льда ведут себя как типичные капилляры (Тараканов, Быкасов, 2015); интенсивно впитывает «жидкую» воду и снег (Гегузин, 1973). Капиллярными свойствами обладает естественно и «пленочная» вода плавающих на воде пузырьков. Доказательством этого служит факт наличия менисков вокруг плавающих на поверхности воды пузырьков воздуха, а также существование сложно построенных водяных каналов на стыках таких пузырьков (например, в мыльной пене). В обоих случаях наблюдается проявление капиллярных сил, а иначе говоря – сил «смачивания» в самой жидкости (!), обусловленных ее энергетическими свойствами – действием ПЭ.

Стекание ПЭ с частиц пеплов при смачивании и изменение площади поверхности пленки воды сопровождаются внутренними энергетическими превращениями веществ на молекулярном и электронном уровнях. В известных нам опытах это фиксируется через изменение теплового поля веществ. Общеизвестно, например, выделение тепла при смачивании частиц грунта или, понижение температуры жидкости в зоне испарения.

Соприкасающиеся две капли воды стремятся приобрести единую оболочку и вследствие этого самопроизвольно сливаются в одну каплю большого размера. Пузырьки воздуха на поверхности воды также стремятся сблизиться и сократить площадь поверхности. Но в связи с тем, что стенки пузырьков стянуты лапласовским давлением не с одной стороны, как в капле воды, а с обеих, то их пленка обладает значительным сопротивлением на разрыв. В результате сблизившиеся пузырьки хотя и группируются вместе, но единой поверхностной пленки могут не образовывать, сохраняя каждый свою собственную оболочку. Одновременно происходит перестройка оболочек контактируемых пузырьков – из полусфер они превращаются в плоские перегородки.

Строгого разделения воды в дисперсных грунтах на пленочную и капиллярную очевидно нет; степень связанности ее определяется не только толщиной самой пленки, но и строением порового пространства в пеплах. Векторы силы когезионного взаимодействия ориентированы перпендикулярно поверхности частиц.

При интенсивных атмосферных осадках свежевыпавшие на земную поверхность вулканические пеплы могут интенсивно смываться поверхностными водами, перемешиваться с водой и в виде пеплово-суспензионных образований стремительными потоками стекать по долинам «сухих рек» у подножий вулканов (рис. 14 и 15), не редко прокладывая при своем движении самостоятельные транспортные пути, иной раз даже по залесенной или кустарниковой местности.

 

 

 

2. Смачивание пепла в закрытой системе

Вначале опишем опыт смачивания пепла в стеклянном цилиндре. На его дно насыпаем крупного песка или мелкого гравия толщиной слоя около 2 см. На него сверху подготовим слой вулканического тонкого пепла толщиной 12-14 см. Далее осторожно наполним цилиндр чистой водой (3 см), а сверху добавим сантиметровый слой любого прозрачного масла, чтобы более наглядно регистрировать выход пузырьков воздуха (в масле пузырьки всплывают медленней, чем в воде). И будем наблюдать за происходящими процессами.

Сразу же заметим интенсивное впитывание пеплом воды и промачивание частиц пепла сверху вниз. По мере продвижения фронта смачивания из пор будет вытесняться воздух и мелкими пузырьками всплывать на поверхность. Пузырьками будут захватываться мельчайшие фракции пепла; при достижении поверхности пузырьки будут раскрываться и освобождаться от присоединенных частиц, которые затем буду возвращаться обратно вниз и выстилать поверхность пепла под водой тончайшим слойком (2-4 мм) частиц мельчайшей размерности.

Однако дальнейшее промачивание пепла вглубь будет постепенно замедляться при избытке воды сверху, поскольку этому будет препятствовать нарастающее давление воздуха в порах. Так оно и называется – поровое давление при смачивании грунта. Вверх отделение пузырьков воздуха также будет приостанавливаться, поскольку затрудняется преодоление зоны смоченного водой пепла со сложными лабиринтами возможных путей перемещения пузырьков.

Впитывание воды будет еще некоторое время продолжаться в замедленном режиме, а поровое давление нарастать. Однако, вытеснить воздух из пор это давление не в состоянии из-за сопротивление возникшей увлажненной «поровой завесы». Далее произойдет неожиданное – часть столбика увлажненного грунта в цилиндре оторвется от общего массива вблизи границы раздела сухого и мокрого пепла и образует свободное, ничем не заполненное, пространство – воздушную подушку (прослойку). Мощность такого возникшего зазора будет увеличиваться и может достичь величины 1-1,5 см (рис. 16).

После разрыва столбика пепла прерываются каналы миграции влаги по частицам пепла и процесс продвижения фронта увлажнения прекращается, не смотря на наличие свободной воды на поверхности. Прекратиться и увеличение зазора в разорванной части насыпанного в цилиндр пепла. Система перейдет в стадию относительного равновесия, при котором все процессы затухают. И такое состояние может длиться сколь угодно долго. Но если проколоть слой пепла до самого низа стеклянной тонкой трубочкой с закрытым верхним концом, а затем открыть его, тогда вся система вновь придет в движение. Зазор в столбике песка закроется, вода устремиться по поровому пространству до самого низа, а вытесняемый воздух выйдет наружу через трубочку. Этот эксперимент показывает каким образом протекают микропроцессы в грунтах – миграция влаги, изменение порового давления, перемещение воздуха по поровому пространству и т.п. На основании чего можно полагать об аналогичных процессах, протекающих и в природных гетерогенных грунтовых средах.

Теперь другой опыт, однако не в цилиндре, а в стеклянной колбе, перевернутой горловиной вниз в чашку Петри с водой (рис. 17). Наполним колбу доверху вулканическим пеплом и перевернем горловиной вниз на слой насыщенного водой песка. Сверху на песок в этой чашке также нальем воду. Будем наблюдать что происходит. Вначале фронт увлажнения за счет поверхностного взаимодействия обеих сред – частиц пепла и воды быстро будет подниматься снизу вверх в колбе и будет протекать против направления действия силы тяжести.

Перемещаясь по поровому пространству и по поверхности частиц пепла, вода начнет сжимать воздух, находящийся в порах пепла в колбе. Он будет искать выход из системы и пузырьками выдавливаться из-под колбы вниз, а затем через слой воды в чашке Петри вверх. Затем, по мере продвижения фронта увлажнения пепла выделение пузырьков приостановится. В верхней части колбы образуется воздушный зазор – свободное воздушное пространство (рис. 17). В системе возникнет избыток порового давления, эквивалентного энергетическим силам взаимодействия пепла и воды. Опять, как и в первом случае, мы наблюдаем взаимодействие энергетических поверхностных сил воды и грунта, изменение порового давления воздуха, выталкивание пузырьков воздуха из пор наружу и перегруппировку частиц пепла с возникновением свободного пространства в колбе. Маленькие пузырьки воздуха, как подвижные пружинки, по мере продвижения сквозь пепловые частицы и воды по порам, расталкивают по сторонам твердые фракции и выталкиваются наружу. На сжатие такие мелкие пузырьки обладают высоким сопротивлением и в ряде случаев, когда энергии недостаточно для расталкивания частиц пепла они застревают в поровом пространстве и остаются в нем надолго. Поверхность пузырьков с их увеличением возрастает по квадратной степенной зависимости, а объем – по кубической. Поэтому чем мельче пузырек, тем более устойчива его правильная шарообразная форма поверхности и тем меньше он подвержен деформациям. Крупные же воздушные включения деформируются при незначительном возрастании давления.

Теперь обобщим результаты наблюдений по увлажнению пепла в открытой системе со свободным притоком воды. Вулканические пеплы как типичные представители тонкодисперсных грунтов, обнаруживают в обеих случаях свойства субкапиллярности. В свете развития идеи о наличии у частиц поверхностной энергии – ПЭ представляется, что названное свойство обусловлено стремлением вещества увеличивать пассивность поверхностной когезионной энергии (синерезис). Вода и является той мобильной и податливой средой, способной нейтрализовать поверхностную энергию частиц, а точнее – вступать в реакцию взаимного обмена поверхностной энергией.

 

 

 

 

3. Смачивание пеплов в прозрачной трубочке

Проделан такой опыт – в тонкую гибкую прозрачную трубочку из пластика внутренним сечением 4 мм был насыпан мелкий вулканический воздушно-сухой пепел. Края трубочки закрыты фильтрующим воду сетчатым материалом. Один край был опущен в стеклянный цилиндр с водой, а другой перекинут через верх цилиндра и опущен ниже уровня в нем воды. Сразу же стало происходить намокание пепла, каемочка увлажнения стала быстро подниматься вверх и когда достигла самой верхней точке перегиба трубочки, начала опускаться вниз. Затем, по истечении некоторого времени произошло капельное стекание воды из трубочки.

Принято считать, что небольшое поднятие уровня воды в трубках малого сечения (из смачиваемых материалов) происходит в результате действия так называемых капиллярных сил. Но в рассматриваемом варианте уровень смачивания перемещается на значительную высоту, составляющую несколько сантиметров. Если аналогичную трубку не заполнять пеплом, то уровень воды в ней поднимется незначительно, всего на 5-6 мм. Следовательно можно полагать, что перемещение фронта увлажнения в пепловом материале вызвано не капиллярными свойствами трубочки, а какими-то иными силами.

И на самом деле, можно было прослеживать, что увлажнение происходит не только по поровому пространству между частицами пепла, но и по всей поверхности частиц, как нами было отмечено в экспериментах увлажнения пеплового материала на стекле при подтекании воды сбоку. Следовательно, увлажнение протекает в обеих случаях аналогичным образом не по признакам капиллярных сил, а в силу энергетического взаимодействия жидкости и пеплового вулканического материала. Полных трубчатых каналов между пепловыми частицами в эксперименте нет, а смачивание происходит. По этим признакам автором введено понятие «субкапиллярности», т.е. «близко к капиллярности», «почти капиллярность», но тем не менее не капилярность в классическом понимании.

Далее, как только граница смачивания поднимется до перегиба трубочки, так сразу происходит движение (скольжение) капиллярной и пленочной воды вниз и если ее край опущен ниже уровня воды в сосуде, то по насыщению пепла влагой начнет образовываться свободная вода и капельками «скапывать» вниз. Воздушные поры в пепле постепенно замещаются (вытесняются) водой, но не все – часть их остается в защемленном состоянии между частицами. Водяными оболочками («рубашками») происходит обволакивание зерен, что не препятствует скольжению пленки воды. Т.е. пленка воды не стекает по трубочке, а обтекает по наружным оболочкам частиц, обволакивая их. Что же следует из этого опыта? Он подтверждает, также как и другие рассмотренные эксперименты, что смачивание пеплового материала происходит не благодаря действию капиллярных сил в их классическом понимании, а вследствие энергетического взаимодействия вещества раздробленной горной породы – вулканического пепла и воды. Здесь правда есть интересный момент – когда весь пепел в трубочке намокнет, то возникает классический капиллярный эффект трубочки, заполненной тончайшим по крупности пеплом. Таким образом субкапиллярность трансформируется в классическую капиллярность. Энергетические силы пепла и воды здесь предопределяют заполнение трубочки водой, а далее включается известный гидравлический принцип перетекания воды, при котором заполненная трубка водой с опущенном краем ниже уровня воды в стеклянном цилиндре вызывает ее перетекание.

Если не заполнять трубочку пеплом, то истечение воды из цилиндра самопроизвольно не произойдет, а небольшой капиллярный скачек уровня воды в несколько миллиметров все же будет зафиксирован. Но если мы заполняем трубочку мельчайшим пеплом, то благодаря этому происходит втягивание воды, движение фронта увлажнения против сил тяжести с последующим соединением водной пленки в единую струйчатую сложно построенную систему, возникновение водной оболочки в поровом пространстве и по поверхности частиц с перетеканием ее из стеклянного цилиндра через нижний край трубочки.

Что же заставляет воду перемещаться в пеплах против сил гравитации? Ведь в результате капиллярного подъема воды протекает процесс, казалось бы, обратный синерезису – увеличивается площадь поверхности пленки воды, следовательно, как бы возрастают затраты энергии на поддержание ново измененной поверхности. Однако, вместе с этим снижается или вовсе нейтрализуется поверхностная энергия твердых частиц и в целом система «грунт-вода» приобретает более устойчивое термодинамическое состояние.

Опыт можно предельно упростить – возьмем полотенце, наберем полванны воды и опустим один край полотенца в ванну, а другой перекинем через верх ванны до пола. Спустя некоторое время вся вода подобно невидимому насосу самопроизвольно без нашего участия «перекачается» на пол. И это при отсутствии полных капиллярных каналов в полотенце – в нем же нет трубочек.

Аналогичные описанным выше процессы увлажнения и миграции влаги протекают и в природных грунтовых средах. В этом и состоит сущность проведенного опыта. Он помогает понять, каким образом происходит миграция фронта увлажнения, инфильтрация атмосферных осадков и образование из пленочной и капиллярной влаги свободной воды.

 

4. Набухание

Обычные структурные пеплы относятся к не набухающим. Это обусловлено наличием в них крупных пор, сообщающихся друг с другом, по которым беспрепятственно вытесняется пленочной и капиллярной водой воздух при увлажнении, при котором влага «вытесняет» поровое пространство и заполняет его. Однако, уплотненные пеплы с нарушенной структурой при размере фракции меньше 0,05 мм увеличиваются в объеме при замачивании. Наблюдение за процессом смачивания через бинокуляр дает ключ к пониманию механизма набухания. Особенность заключается в том, что смачивание пеплов является доступным лишь при условии вытеснения водой воздуха из пор грунта. Вытеснению же воздуха порой препятствуют силы поверхностного смачивания частиц пеплов, удерживающих на своей поверхности пленку воды определенной толщины. Поэтому пузырьки воздуха при вытеснении через зону промачивания деформируются, приспосабливая свою форму к конфигурации порового пространства. Мельчайшие же пузырьки, мельче 1 мм в диаметре в силу высокого поверхностного натяжения почти не деформируются (Гегузин, 1973). Они сами способны расталкивать частицы по сторонам на пути миграции через зону промачивания, устремляясь к поверхности под действием сил «всплытия», точнее гидростатического выталкивания.

Замещению водой порового воздуха препятствуют не только поровая и пленочная вода, но и сама структура грунта – строение порового пространства, создающего своего рода ловушки, сложные лабиринты и препятствия для продвижения воздушных пузырьков. При затрудненном оттоке воздуха из пор поверхностное смачивание сопровождается наращиванием давления в защемленных пузырьках и при обособлении пузырьков малого размера оно достигает такого высокого предела, что происходит разрыв связей между частицами и раздвигание их в стороны. В результате система «пепловый грунт – поры – вода» разрастается в объеме – происходит набухание грунта. Получается, что вследствие взаимодействия энергетических сил воды и пепла, по поровому пространству устремляется субкапиллярная вода, которая может перемещаться только при условии вытеснения из пор воздуха. Некоторая часть воздуха не может быть вытеснена из межпорового пространства и заместиться водой, поскольку из-за неоднородного сложно построенного порового пространства и его узких лабиринтов происходит защемление множества фрагментов поровых «коридоров» замысловатой формы. Последние под действием энергетических сил взаимодействия обеих сред обособляются в большое количество воздушных образований в форме мельчайших шариков. На сдавливание такие воздушные пузырьки чрезвычайно устойчивы и при своем образовании расталкивают частицы пепла в разные стороны. Когда свободного порового пространства для беспрепятственного вытеснения воздуха нет, то нарастает поровое давление и грунтовый массив разрастается в объеме – так происходит набухание грунта.

В стеклянном цилиндре хорошо заметно расслаивание столбика пеплов на части и даже подъем частей этого столбика на высоту до 1 см. Грунт способен удерживаться на воздушной подушке. Разрыв столбика пепла приводит к разобщению частиц, разрыву путей миграции воды к сухим частицам, затуханию процессов смачивания и набухания с одновременным наращиванием порового давления.

«Расклинивающего действия гидратных пленок» связанной воды, с которыми принято отождествлять процесс набухания некоторыми исследователями, автор не наблюдал. Утолщение пленок воды между частицами есть процесс вторичный, вызванный зарождением (обособлением) колонии мельчайших пузырьков воздуха, которые в силу высокого лапласовского давления не могут деформироваться и принимать форму пор, а способны образовывать конфигурацию множества пузырьков, иногда незначительно приплюснутых. Такие мелкие пузырьки образуются в тончайших порах, свойственных тонкодисперсным грунтам, в результате изоляции воздуха в поровом пространстве в момент неравномерного смачивания их поверхности. При этом для набухания необязательно движение самих пузырьков – достаточно того, что они образуются, когда происходит обособление воздушных пузырьков энергетическими силами взаимодействия частиц грунта и воды. Частицы расклиниваются не гидратными пленками, а обособляющимися пузырьками воздуха в поровом пространстве грунтов. Обособление протекает в силу энергетического взаимодействия воды и пепла. Этот механизм служит первопричиной образования пузырьков и, следовательно, набухания.

Под пузырьками автор рассматривает безусловно не вещество, а лишь форму свободного пространства, окруженного жидкостью. Внутренняя оболочка пузырьков, т.е. граница раздела жидкости с воздухом наделена теми же энергетическими свойствами, что и поверхностная пленка воды. Пузырьки способны адсорбировать на своей оболочке мельчайшие частицы пеплов и транспортировать их при своем движении по поровому пространству. Гидротермальные растворы выносят с больших глубин тончайший глинистый материал гидродинамическим напором восходящих потоков, в результате чего происходит его накопление в очагах разгрузки на дневную поверхность (рис. 18).

В явлении набухания пеплов вновь проявляется действие энергетических сил, обуславливающих смачивание поверхности, обособление между частицами мельчайших воздушных пузырьков из воздуха порового пространства, способных не только разрывать структурные связи, но и создавать эффект объемного расширения грунтовой массы. Этим же механизмом объясняется разрушение агрегированных частиц пеплов, смачиваемых водой. Представляется, что свойства набухания пеплов можно снять вакуумированием образцов под водой. Подобные исследования для глинистых грунтов описаны М.Н.Гольдштейном (1973).

Под вакуумом происходит более активное вытеснение воздуха из порового пространства (отсасывание) и при заполнении пор водой уже не возникает такое количество воздушных пузырьков, которые могли бы раздвигать частицы и наращивать объем массива. Наличием пузырьков воздуха обусловлено «разжижение» пепловых грунтов деятельного слоя в период весенней распутицы, при котором высвобождающиеся при вытаивании ледяных образований из сезонной мерзлоты колонии мельчайших пузырьков устремляются к поверхности, оказывая взвешивающее воздействие на частицы грунта и создают эффект набухания. Этим же объясняется высокая подвижность разжиженных грунтов (солифлюкция), способных как известно «течь» даже при уклонах местности меньше 5°.

Набухание есть свойство не только вещественного состава грунтов (минеральный и гранулометрический состав), но и их структуры. Отсутствие пучинистых свойств у структурных пористых пеплов обусловлено рыхлостью сложения частиц, – образующиеся при замачивании пеплов пузырьки не раздвигают зерна, а беспрепятственно оттесняются пленкой воды. В пеплах нарушенной структуры и уплотненных искусственно частицы пеплового материла сближены, а поры становятся значительно меньше диаметра образующихся пузырьков и тогда уплотненные пеплы могут приобретать пучинистые свойства. Образующиеся в порах при замачивании мелкие пузырьки, приобретая сферичность, расталкивают частицы по сторонам, вызывая описанный выше процесс набухания. Парадоксально, но именно так обстоит рассматриваемый вопрос – ликвидируя одно неблагоприятное для объектов строительства качество пеплов – просадочность, можно придать ему не менее худшее «строительное» свойство – набухание.

Пузырьки газа (воздуха) в жидкости, устремляющиеся к поверхности, способны переносить адсорбированный на сферической поверхности частицы тончайшего твердого материала с плотностью значительно выше плотности самой жидкости. В жидком магматическом расплаве, вероятен перенос пузырьками газа рудного диспергированного вещества с температурой плавления выше температуры магматического расплава. Увеличение объема пузырьков при подъеме вверх, происходящие в силу уменьшения гидростатического давления жидкости, сопровождается перестройкой баланса внутренней энергии веществ, участвующей во взаимодействии и преобразовании на молекулярном энергетическом уровне.

 

 

5. Пучинистость и солифлюкция

Вулканический пепловый грунт покровных почвенно-пирокластических образований на Камчатке (ППЧ) относится по ГОСТ 25100.2011 к чрезмерно пучинистым грунтам при сезонном промерзании. Это связано с его высокой влажностью, которая определяется наличием в ППЧ дисперсного органического материала или даже погребенных почв. Сезонное промерзание приводит к подсасыванию влаги снизу, льдообразованию, возникновению многочисленных пузырьков воздуха в структурах ледяных образований за счет криогенной кавитации (Тараканов, Быкасов, 2015). Происходит разрастание объема среды, именуемого в инженерно-геологической практике морозным пучением. При таянии происходит высвобождение пузырьков воздуха изо льда, обогащение ППЧ избыточной водой от вытаивающих кристаллов льда и превращение пепла в суспензию – разжиженную массу, способную стекать даже по слабонаклонным поверхностям. Эта суспензия в изначальный период своего образования чрезвычайно подвижна из-за наличия в ней колоний мельчайших пузырьков воздуха, высвободившихся из ледяных включений при таянии грунта. Они играют роль маленьких пружинок, не позволяющих грунту уплотниться. По истечении некоторого времени пузырьки всплывают, влага из порового пространства испаряется и грунт самоуплотняется. Пока пузырьки из суспензии не выйдут на поверхность, уплотнить такой грунт принудительно специальными механизмами невозможно и достижимо лишь после выхода пузырьков и испарения влаги. Для достижения плотности бетона обычно вибрируют жидкий раствор специальными устройствами и этим самым вытесняют многочисленные пузырьки воздуха, что приводит к уплотнению бетона и повышению его прочности. При сезонном промерзании грунта происходит увеличение объема за счет криогенной кавитации, а таяние в результате высвобождения воздуха объем грунта, наоборот, сопровождается уменьшением объема.

При замерзании и таянии воды происходят сложные преобразования ее структуры на молекулярном уровне. Известно, например, искусственное приготовление так называемой протиевой воды. Вначале воду частично замораживают, затем проводят некоторые манипуляции с незамерзшей водой и наружной замерзшей «ледяной коркой». После чего, талую из льда воду «вторичного перегона» отделяют, как весьма полезную для здоровья. Вот она и называется протиевой водой. Протиевая вода «живет» не долго и примерно через 8 часов изменяет свою структуру.

Между процессами набухания и морозного пучения много общего. При тех и других процессах наращивание объема массива грунта протекает в результате образования пузырьков воздуха. Но в первом случае это происходит в результате взаимодействия ПЭ воды и частиц, а во втором – вследствие сегрегации ледяных образований и криогенной кавитации при превращении воды в лед. Но могут быть и более сложные варианты, когда промораживается набухающий грунт. Тогда проявляются оба процесса – вначале происходит обособление пузырьков воздуха в грунтах при подсасывании влаги в поры грунта, а затем промерзание и возникновение дополнительной колонии пузырьков в ледяных линзах промерзающего грунта. Во втором случае эффект нарастания объема грунта будет существенно больше.

Как известно, снег (и лед) может испаряться зимой под воздействием отрицательных температур, минуя жидкое состояние; называется это явление сублимацией. Обычно в деревнях и селах женщины приспособились высушивать на морозе белье, отчего оно приобретает необычайную свежесть и особый ни с чем несравнимый приятный запах. Механизм сублимации состоит в энергетическом взаимодействии поверхностной энергии снега (и льда) с атмосферой, точнее с ионами воздуха, кристаллической влагой, пылинками, диспергированным органическим материалом, аэрозолями в атмосфере и т.п.

Аналогичным образом, полагаю, протекает «сублимация» любых даже очень прочных по твердости минералов и горных пород: алмаза, гранита, базальта, корунда и т.п. Только скорости протекания этих процессов у различных минералов и пород неодинакова. А испарение снега доступно прямым наблюдениям из-за рыхлости сложения его, состоящего из скоплений множества снежинок, имеющих, как известно, ажурную структуру кристаллов и низкую «температуру плавления». Геологи постоянно при полевых исследованиях обнаруживают коррадированные поверхности глыб, валунов и скальных пород, если они соприкасаются с атмосферным воздухом.

Сублимация протекает не только снега и льда, но и замерзшей капиллярной и пленочной воды. Например, возьмем горку песка или песчано-гравийной смеси и посмотрим, что произойдет с наступлением морозов. С поверхности на несколько сантиметров грунт перейдет из спаяно-мерзлого состояния в сыпуче-мерзлое, при котором температура у него такая же, как и у наружного холодного воздуха. А частицы грунта при этом утрачивают «цементацию» мерзлотой именно потому, что замерзшая влага у них сублимировалась (испарилась) при морозном воздухе на некоторую глубину (до 20 см).

Благодаря обменным энергетическим преобразованиям можно заметить, как быстро преобразуется выпавший снег в природной среде – из рыхлого состояния («пухляк») он кристаллизуется постепенно в сыпучий как песок снег, а затем, при долгом слеживании, превращается уже в промежуточное фазовое состояние – фирн, и далее переходит в завершающую стадию переформирования – в многолетний лед, так называемый, глетчер (рис. 19). Таким образом на горах формируются грандиозные по размерам и мощности снежники и ледники. Глетчерный лед хрупкий и колется топором, но одновременно с этим обладает реологическими свойствами – способен медленно течь по наклонной поверхности подстилающего основания. Ледники на своем пути способны производить огромную разрушительную работу – выпахивать долины в крепких коренных скальных породах и формировать так называемые троговые корытообразные долины. По бортам троговых долин ледники буквально сдирают крепкие скальные породы (экзарация), не редко вовлекая с собой глыбы горных пород большого размера (до десятков метров) при медленном реологическом течении.

Механизм мерзлотного пучения заключается в увеличении объема влаги, содержащейся в грунтах при переходе ее в лед и обособлением в нем множества мельчайших пузырьков воздуха. При таянии пузырьки «обратно» не схлопываются, а высвобождаются из тающего грунта. Сам процесс образования пузырьков связан с кристаллизацией льда при переходе жидкой воды в иное твердое фазовое состояние – лед. Поэтому назван процесс возникновения пузырьков воздуха при переходе воды в лед криогенной кавитацией (Тараканов, Быкасов, 2015). При этом, на величину суммарного объема возникающих пузырьков (примерно 10%) происходит наращивание всего объема вспучиваемого грунта. Возникающие при этом силы пучения чрезвычайно велики и способны приподнимать тяжелые конструкции, разрывать водонесущие сети и даже приводить к взрывам ледяных бугров пучения на реках, когда снаружи бугров образуется толстая оболочка льда, а внутри ледяного бугра еще некоторое время остается порция жидкой не замерзшей воды. При ее промораживании в центральной части бугров объем льда стремится к наращиванию, а твердый каркас льда по наружной оболочке препятствует этому.

 

 

Возникающие при этом молекулярные силы роста кристаллов льда приводят к разрыву наружной части бугров со взрывным эффектов. Это может происходить, когда питающий канал воды со стороны русла реки «перехватывается мерзлотой», что препятствует возврату жидкой воды из центральной части ледяного бугра в реку по питающему каналу.

При кавитационных явлениях в воде, когда схлопываются колонии мельчайших пузырьков, выделяется большое количество тепла. На этом принципе созданы, так называемые, кавитационные вихревые теплогенераторы, в которых нет обычных греющих элементов – в закрытом барабане с водой раскручиваются с большой скоростью диски своеобразной конструкции. В барабане и происходят образование кавитационных пузырьков, их схлопывание с выделением большого количества тепла. Кавитационные процессы возникают не только в воде, но и в других средах, например, в магматическом расплаве при вулканических извержениях.

При таянии промороженного грунта происходит переувлажнение массива вследствие перехода льда в жидкую воду; этот процесс сопровождается дезинтеграцией (разрушением) структуры грунта. Процесс же подсасывания влаги при промерзании вызывается утонением пленки воды в зоне охлаждения в грунтах со стороны зоны отрицательных температур и одновременным компенсационным выравниванием ее толщины путем перемещения капиллярной и пленочной воды из нижних горизонтов с более высокой положительной температурой. Происходит «выталкивание» влаги с нижних горизонтов вверх к зоне промерзания с последующим возникновением ледяных образований или даже стебелькового льда. Если фронт нулевых температур располагается в массиве грунта на глубине, тогда происходит накопление ледяных линз и прослоев внутри грунтового массива, при котором весь массив подвергается пучению и локальному сдавливанию вмещающего нарастающий лед, грунта. Иной раз в зоне перманентного колебания нулевых температур на глубинах подошвы деятельного слоя может происходить локальное обогащение линзами и прослоями ледяных образований суммарной мощностью до 10-12 см.

Своеобразный механизм роста стебелькового льда при промерзании пепловых грунтов. С использованием бинокуляра можно наблюдать образование пузырьков воздуха в нем, закономерности распределения их по ледяному массиву, наличие кристаллической структуры льда, дезинтеграционные превращения, протекающие в грунтах при стебельковом образовании.

Весной при таянии сезонной мерзлоты происходит высвобождение мельчайших пузырьков воздуха из линзочек тающего льда, пронизывающих сезонно - мерзлый слой. Эти пузырьки, при всплытии к поверхности через тающий слой грунта снизу-вверх, выносят большое количество мельчайших частиц грунта (эффект захвата) и тогда, местами на дорогах, иной раз через трещины асфальта или бетона в дорожном покрытии выжимается глинистая суспензионная разжиженная масса. Такого грунта в виде самостоятельных отдельных слоев в мерзлом сезонном слое обычно не бывает. Это новообразованные небольшие порции грунта, захваченные и вынесенные «попутно» с собой силами энергетического взаимодействия пузырьками воздуха и мельчайших глинистых фракций. Так происходит вертикальная миграция мелких фракций снизу вверх в слое сезонной мерзлоты и очаговое поверхностное накопление в некоторых грунтовых средах при ее весеннем таянии.

Между различными контактирующими телами, веществами и минералами также постоянно протекают обменные энергетические процессы взаимодействия через поверхностную энергию (Тараканов, 2015). Автору приходилось наблюдать как бы впаянные микроскопические частицы горных пород на «изъеденной» поверхности зерен россыпей полудрагоценного альмандина – разновидности граната высокой прочности (по шкале Мооса равного 7-7,5 ед. по 10-балльной шкале твердости), с замечательными переливами ярких насыщенных цветовых оттенков. Все без исключения приповерхностные четвертичные мелкодисперсные грунты также подвержены аналогичным криогенным процессам при сезонном промораживании, причем «при посредничестве» влаги и воды.

 

6. Усадка

Наряду с замачиванием пеплов автор проводил опыты по высушиванию предварительно замоченного пепла. По мере испарения воды площадь ее поверхности, облекающей пепловый материал стремится к уменьшению. Под действием сил поверхностного натяжения пленка воды стягивается. Когда она утончяется с появлением из-под воды частиц пепла, то в результате взаимодействия лапласовского давления в жидкости и сил поверхностного смачивания пепла частицы грунта начинают сдвигаться и сближаться, следуя вместе с сокращающейся в размерах пленкой воды.

«Свежевыпавшие» пеплы на земле переносятся водными потоками, интенсивно промачиваются талой водой или же атмосферными осадками до тех пор, пока частицы не «срослись» друг с другом посредством молекулярных сил. Тогда просадочные свойства пеплы теряют. Кроме того, пеплы обладают своеобразными свойствами тиксотропии и пуццолонизации (цементации). Убедительной ясности нет какие факторы все же определяют превращение пеплового рыхлого материала в затвердевшую массу – химическая цементация минералов, энергетическое взаимодействие или же механическое зацепление частиц, обладающих сложной морфологией, при утрате влаги и сжатия образцов силами взаимодействия (рис. 20 и 21). Как показали лабораторные определения растворимых солей пеплы не содержат. Затвердевание обнаруживается только когда грунт теряет воду (усыхает). Следовательно, можно полагать, что в наибольшей степени уплотнение связано именно с утратой грунтом влаги, стягиванием (сжиманием) частиц энергетическими силами сокращающейся пленкой воды и поверхностной энергии самих частиц. Было много примеров, когда геологи отбирали структурные образцы из пеплов и отвозили пробы в лабораторию. От вибрации машины и тряски по неровной дороги аккуратно вырезанные образцы в форме правильных кубиков или выбуренных цилиндриков теряли форму, иной раз как бы сплющивались, с отделением из них свободной воды, но не рассыпались, сохраняя при этом структурные связи между частицами. В других случаях образцы, наоборот, затвердевали. Удивительные, на первый взгляд, казалось бы, противоречивые явления, предмет для долгих споров. На самом деле все просто – когда отбираем пепловые образцы с высокой влажностью, то они обладают свойствами тиксотропии и при вибрации отдают воду, если ее достаточно для выделения в свободном «жидком» виде. Когда изначально влаги мало в образце или же для увлажненных проб создаются условия дальнейшего выпаривания капиллярной и пленочной воды, то грунт постепенно сжимается, частицы пепла входят в более плотное соприкосновение и стягиваются энергетическими связями – ПЭ. Тогда пепловые грунты затвердевают.

 

 

Некоторые присваивают пепловым грунтам свойства пуццолонизации – цементации, основанной на присутствии в них цементирующих веществ. Пуццолонизация определяет свойство легкой цементации частиц пепла при плотном присоединении их и при дегидратации (утраты влажности). Но химические определениям растворимых химически соединений пеплы не содержат, кроме «свежевыпавших» пеплов в процессе вулканических извержений. Автор все же склоняется к мнению, что затвердевание обусловлено свойствами самих пеплов, наделенных способностью «молекулярного срастания» частиц при сдавливании энергетическими силами при постепенном обезвоживании. Возможно также, что применяемые обычные лабораторные методы определений присутствия в пеплах растворимых соединений недостаточно точны и достоверны. Не исключено, что для их установления требуются более высокоточные специальные исследования. По-видимому, вулканические пеплы наследуют своего рода «молекулярную память» материнской породы, из которой они произошли и скрытые процессы структурных молекулярных изменений после отделения от магматического расплава еще долго «живут», сохраняя высокую активность. Вот, например, есть такая порода как пемза. Она твердая, пористая, обломки могут плавать на воде, но прочно сцементирована. Ее пилят на кусочки и применяют для чистки заусениц на пятках при соответствующих гигиенических процедурах. А образуется пемза в результате спекания пирокластических потоков или «палящих туч» из пеплового вулканического материала при остывании в атмосферных условиях. 

Если «свежевыпавшие» пеплы на земле переносятся водными потоками, интенсивно промачиваются талой водой или же атмосферными осадками до того момента, пока частицы не «срослись» друг с другом посредством молекулярных сил, то просадочные свойства пеплы теряют. В Центральной Камчатке, где наиболее распространены пепловые отложения, при отсыпке автодорожного полотна из пеплов иногда применяется способ уплотнения перемещенных пепловых грунтов предварительным искусственным водонасыщением. Трамбование и уплотнение катками без увлажнения грунтов оказалось не эффективным.

Из проведенных автором исследований следует, что наиболее плотная упаковка частиц пеплов образуется если избыточное замачивание предварительно нарушенной структуры грунта механизмами сопровождается последующим высыханием – в этих случаях частицы стягиваются и сжимаются лапласовским давлением. Указанные закономерности не могут в полной мере распространиться на структурные пеплы, в которых контактные связи между зернами скреплены структурными прочными связями и существенно противодействуют разрушающему влиянию увлажнения и изменению упаковки в результате утраты влаги.

 

Краткие обобщения

Проведенные исследования позволяют делать более широкие обобщения. Энергетические свойства пеплов (пепловых грунтов) ответственны за формирование пористой структуры и избирательной спорадической (по А.И.Тараканову) просадочности. Энергия с частиц наиболее полно снимается избыточным смачиванием, когда вода полностью покрывает частицы пеплов и если они не успели к этому времени в них образоваться структурные связи, при которых частицы «срастаются» друг с другом уже под действием молекулярных сил. Очевидно, что избыточное увлажнение может быть, в основном, в естественных депрессиях рельефа, где концентрируется поверхностный сток или же при интенсивных атмосферных осадках. Обычная же природная обстановка в районах современного вулканизма такова, что атмосферные осадки быстро впитываются пористыми вулканическими грунтами и просачиваются на значительные глубины в виде инфильтрации «провального» типа (на десятки и сотни метров в глубину). Это не может способствовать полному снятию поверхностной энергии с пеплов и ликвидации спорадической просадочности тем более, что в геологическом понятии пепловые горизонты формируются за короткий промежуток времени, измеряемый продолжительностью вулканического извержения.

По-видимому, аридность климата (по аналогии с лессами) не является единственным и обязательным условием формирования просадочных свойств грунтов, – в значительной мере это должно быть обусловлено подвергаются ли формирующиеся неструктурные осадки увлажнению до такого состояния, чтобы частицы были полностью покрыты слоем воды и в результате этого они подверглись бы перегруппировки в более плотную структурную упаковку. Центральная Камчатка, где наиболее развиты просадочные пепловые грунты спорадического типа, далеко не засушливый район – среднее количество осадков составляет 641 мм/год. Если исходить из критерия оценки просадочности как для лессов, то в Центральной Камчатке просадочных грунтов не должно быть. Практика же показывает иное.

В этой связи, можно полагать, что просадочные тонкодисперсные не засоленные грунты могут формироваться и в других, не вулканических областях, например, полярных, где условия к систематическому промачиванию аккумулятивного тонкодисперсного материала, переносимого воздушными потоками, например, из-за длительного морозного периода, не всегда и не везде благоприятные. Климатическая же избирательная зональность распространения просадочных засоленных лессовых грунтов достаточно широко изучалась специальной лабораторией ПНИИИС при бывшем ранее Госстрое СССР [11-12]. О распространении просадочных лессовидных грунтов в субарктических широтах (например, на Чукотке) также известны обширные публикации (Томирдиаро и др., 1972). Что же касается генезиса просадочных тонкодисперсных грунтов в целом, то представляется, что такие свойства могут быть принадлежны различным по происхождению грунтам в различных регионах, формирование которых связано с переносом мельчайших частиц воздушным путем в условиях дефицита влажности. Камчатка в этом отношении имеет свою особенность распространения спорадически просадочных не засоленных пепловых грунтов, обусловленную современным активным вулканизмом.

 

Выводы

Формирование рыхлой структуры вулканических пеплов и спорадической просадочности обусловлено поверхностной когезионной энергией тонкодисперсных частиц в период вулканических извержений и аккумуляции в результате избирательных контактов частиц в точках максимальной концентрацией поверхностной энергии.

Поверхностная энергия пепловых частиц и воды ответственны за многообразные инженерно-геологические процессы, протекающие в пеплах: поверхностное смачивание, капиллярность, набухание, структурную агрегацию, дезинтеграцию, спорадическую просадочность, усыхание и т.п.

Вода, как природное вещество, наделена также энергетическими свойствами, позволяющими ей вступать с частицами пеплов в реакцию обмена поверхностной энергией.

По своей сути, все многообразие изменений и процессов, протекающих в пепловых грунтах при строительном освоении территорий сводится к взаимодействию трех основных природных сред – частиц грунта, влаги порового пространства и воздуха, а также к обменным энергетическим процессам между пеплом, поровой и пленочной водой.

Главный вклад в ликвидацию спорадической просадочности пеплов методом замачивания вносит снятие или частичное ослабления поверхностной энергии с поверхности тонкодисперсных частиц пепла водой предварительно нарушенной структуры пеплов. Максимальный эффект уплотнения пепловых грунтов достигается принудительным предварительным разрушением структурных связей пепловых грунтов, с предельным их последующим водонасыщением, «высушиванием» и уплотнением.

Многие из отмеченных в настоящей работе закономерностей свойств и явлений, происходящих в вулканических пеплах, могут быть свойственны также другим природным геологическим средам.

 

Список литературы

1. Айзатуллин Т.А., Лебедев В.Л., Хайлов К.М. Океан. Активные поверхности и жизнь. Л.: Гидрометеоиздат, 1979, 192 с.
2. Ашкрофт Н., Мермин Н. Физика твердого тела (в двух томах). М.: Мир, 1979.
3. Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов. М.: Высшая школа, 1978, 447 с.
4. Гегузин Я.Е. Капля. М.: Наука, 1973, 161 с.
5. Гольдштейн М. Н. Механические свойства грунтов М.: Стройиздат, 1973, 372 с.
6. ГОСТ 25100-2011. Грунты. Классификация. М.: Стандартинформ, 2013
7. Гущенко И.И. Пеплы Северной Камчатки и условия их образования. М.: Наука, 1965.
8. Дерпгольц В. Ф. Мир воды. Л., Недра, 1979, 253 с.
9. Дубинский Г.П., Гуральник И.И., Мамиконова С. В. Метеорология. Л.: Гидрометеоиздат, 1965, 400 с.
10. Кирьянов В.Ю. О возможности корреляции пепловых горизонтов в плейстоценовых отложениях Центральной Камчатской депрессии // Вулканология и сейсмология, 1981, №.6, с. 30-38.
11. Кригер Н.И., Кожевников А.Д. О сейсмических свойствах лесса // Техногенные факторы и проблемы прогноза сейсмического эффекта (М-лы Всесоюзной научной конференции 1990 г.). Ташкент: ФАН. 1990, 130 с.
12. Кригер Н.И., Котелъникова Н.Е., Лаврусевич С.И., Севастьянов В.В. Закономерности формирования просадочных свойств лёссовых пород Средней Азии и Южного Казахстана. М., 1981, 132 с.
13. Малеев Е.Ф. Вулканогенные обломочные породы. М.: Наука, 1977, 212 с.
14. Маркин Б.П. Просадки в пепловых толщах Камчатки // Инженерная геология, 1980, №1, с. 61-75.
15. Маркин Б.П. Прочностные свойства пепловых грунтов Камчатки // Инженерная геология, 1983, №2, с. 39-47.
16. Мархинин Е.К. Вулканы и жизнь. М.: Мысль, 1980, 200 с.
17. Мелекесцев И.В., Брайцева О.А., Гептнер А.Р. Генезисе покровных супесей Центральной Камчатской депрессии // Вулканические фации Камчатки. М.: Наука, 1969, с. 72-77.
18. Мелекесцев И.В., Краевая Т.С., Брайцева О.А. Рельеф и отложения молодых вулканических районов Камчатки. М.: Наука, 1970, 104 с.
19. Новиков Ю.В., Сайфутдинов М.М. Вода и жизнь на Земле. М.: Наука, 1981, 184 с.
20. Осипов В.И. Природа прочностных и деформационных свойств глинистых пород. М.: Изд-во МГУ, 1979, 235 с.
21. Пирумов А.И. Обеспыливание воздуха. М.: Стройиздат, 1981, 296 с.
22. Поляков А. А., Круглицкий Н. Н. Распылительная сушка в технологии радиоэлектронных материалов. М.: Радио и связь, 1982, 72 с.
23. Приклонский В.А., Грунтоведение, 3 изд., ч. 1, М., 1955.
24. Руленко О.П. Электрические процессы в парогазовых облаках вулкана Карымского // Доклады АН СССР. 1979. Т. 245, №5, с. 1083-1086.
25. Сергеев Е.М. Инженерная геология. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1978, 384 с.
26. Тараканов А.И. Энергетика природных сред и явлений. Продукт мировоззренчиской философии. СПб.: Типография «MCMG», 2015, 596 с.
27. Тараканов А.И., Быкасов В.Е. Стебельковый лёд вулканогенных грунтов (на примере Камчатки) // Инженерная геология. 2015. № 5, с. 36-43
28. Томирдиаро C.B. и др. Лёссово-ледовый покров северной Якутии и Новосибирских островов / C.B. Томирдиаро, В.К. Рябчун, Ю.В. Кузнецов, З.В. Орлова // Колыма. 1972, №11, с. 38-42.
29. Хоц Б. К. Основы инженерного грунтоведения. М.: Стройиздат, 1966, 460 с.
30. Шмидт-Ниельсен К. Размеры животных: почему они так важны? М.: Мир, 1987, 259 c.

 

Фондовые материалы

Детский сад на 200 мест в п. Ключи Усть-Камчатского района. Технический отчет по инженерно-строительным изысканиям ООО «Сахапроект». Архив ООО «Изыскатель», инв. № 482, 2014 г.

Расширение базы МПМК Усть-Камчатская в г. Ключи. ОАО «КамчатТИСИЗ». Архив ООО «Изыскатель», инв. № 2476, 1991 г.

Спортивно-оздоровительный комплекс в г. Северо-Курильск о. Парамушир. Технический отчет по инженерно-геологическим изысканиям. ООО «ТриУмВираТ». Архив ООО «Изыскатель», инв. № 2821, 2015 г.

 

Примечания

а) В подготовке материалов (редактирование, форматирование) к публикации статьи принимали участие инженер-геолог А.В. Мельникова и геолог Т.В. Мостовая;

б) В тексте помещены фотографии авторов, поименованных под каждым рисунком. Авторство отдельных фотографий было не возможно установить, они заимствованы из  электронных средств информации, в сфере обмена данными в среде профессионалов: изыскателей, геологов, экологов, вулканологов, сейсмологов, географов и любителей природы (медиа ресурс). Редчайшие по колориту фотографии выполнены работниками Камчатских авиалиний благодаря многочисленным, порою опасным полетам на вертолетах в экзотичных районах «страны вулканов».

в) Воспроизведение статьи или любых ее частей без письменного разрешения автора, а также практическое использование творческих разработок из настоящей работы не допускается. Интеллектуальные права авторов защищены законодательством РФ.