Удивительная мерзлота

Давайте обсудим свойства удивительного природного образования - мерзлой породы. Основные компоненты рыхлых отложений - минеральные частички и вода, содержащая растворенные вещества в виде естественных примесей. Ясно, что химический состав компонентов мерзлой породы совпадает с составом исходной талой, из которой она образовалась. Первая неожиданность возникает при анализе физического состояния воды в мерзлой породе. Оказывается, такой грунт не вполне мерзлый: помимо льда в нем (вплоть до очень низких температур ” –70°С) всегда содержится определенное количество незамерзшей воды. Она находится в термодинамическом равновесии с внутригрунтовым льдом и способна течь, как обычная жидкость. Этот факт обнаружен в конце прошлого века шведским ученым П.Холмквистом и имеет фундаментальное значение для понимания очень многих природных явлений, происходящих в мерзлой толще. На первый взгляд, объяснить его можно наличием растворенных солей в поровой жидкости, понижающих температуру ее замерзания. Однако многочисленными исследованиями доказано, что присутствие солей имеет второстепенное значение. Даже в хорошо отмытых и заполненных дистиллированной водой грунтах значительная часть ее остается незамерзшей. Главная причина ее существования - действие особых сил взаимодействия молекул воды с минеральной поверхностью, причем не малую роль играет и кривизна последней [1]. Чем более дисперсна порода, тем более развита ее внутренняя поверхность и тем большее количество незамерзшей воды остается в породе при данной отрицательной температуре. Так, количество воды растет в ряду от песков к глинам. Эти же силы приводят к тому, что грунт остается в талом состоянии при температурах несколько ниже 0°С.

Ледяное древо

Что же может происходить с мерзлой породой, если в ней содержится незамерзшая вода? На рис. 1 приведена фотография ледяного тела - сплошного монокристалла, растущего на поверхности керамического тонкопористого фильтра. Фильтр помещен в стеклянную, заполненную водой U-образную трубку и виден на рисунке, как облачко, под основанием ледяного столбика. (Облачко наверху столбика - снежный комок, использованный как затравка на начальной стадии роста льда.) Верхняя часть фильтра вместе со льдом находятся при отрицательной температуре, а нижняя, соприкасающаяся с водой в трубке, - при положительной.