Учет количества незамерзшей воды в модели диэлектрической проницаемости мерзлых почв и грунтов

Процессы замораживания-оттаивания воды в почвах существенно влияют на значение диэлектрической проницаемости (ДП) почвы и радиояркостной температуры (England, 1990; Mironov et al., 2006; Zhang et al., 2010). Однако, известно, что в замерзших почвах остается некоторое количество незамерзшей воды. При понижении температуры мерзлой почвы, количество незамерзшей воды постепенно уменьшается вследствие ее превращения в лед (Осипов, 2011; Kozlowsky, 2003a, b, 2007). Правильный учет количества незамерзшей воды является существенным в модели диэлектрической проницаемости. Незамерзшая вода также влияет на физико-механические свойства грунтов, их пластичность (Цытович, 2009). Поэтому актуальным является определение количества незамерзшей воды в мерзлых грунтах, на которых расположены строительные конструкции. Методы дистанционного зондирования применяются для оперативного мониторинга поверхности Земли, в том числе и в труднодоступных регионах Крайнего Севера, поэтому разработка дистанционного метода определения количества незамерзшей воды в почвах может оказаться востребованным. Используя изменение значения радиояркостной температуры при фазовом переходе воды в почвах из замерзшего состояния в талое и наоборот, в работе (Zhang et al., 2010) предложен метод радиотеплового дистанционного зондирования для определения количества незамерзшей воды. Данный метод предполагает использование модели диэлектрической проницаемости, изложенной в (Zhang et al., 2003), в которой количество незамерзшей воды задано некоторой эмпирической формулой. Однако авторами не была установлена погрешность определения количества незамерзшей воды, а точность описания ДП почв не была оценена путем сравнения рассчитанных с помощью модели значений с экспериментальными данными. Такая оценка была проведена в работе (Миронов, Каравайский, Лукин, 2013) и показано, что диэлектрическая модель (Zhang et al., 2003) обладает существенной погрешностью.

В (Миронов, Лукин, 2010; Mironov, Savin, 2015) была разработана температурно-зависимая рефракционная диэлектрическая модель (ТРДМ) для талых и мерзлых почв. При построении диэлектрической модели для мерзлых почв были введены следующие компоненты воды: лед, незамерзшая рыхлосвязанная и незамерзшая прочносвязанная вода. В отличие от работы (Zhang et al., 2003) предложенная модель была протестирована с использованием данных диэлектрических измерений и показала хорошее соответствие между рассчитанными и экспериментальными данными комплексной диэлектрической проницаемости (КДП). Также в (Миронов, Лукин, 2010; Mironov, Savin, 2015) приводится методика, позволяющая определить КДП и количество каждого типа воды в почве с помощью диэлектрического метода измерений. Тем не менее, оставался невыясненным вопрос действительно, ли температурная зависимость параметров ТРДМ, соответствующих количеству льда и незамерзшей воды в почве является следствием фазового перехода. В настоящей работе это установлено путем измерения количества незамерзшей воды в бентонитовой глине с помощью калориметрии и сравнения полученных данных с количеством связанной воды, измеренном с помощью диэлектрического метода. Калориметрические измерения количества незамерзшей воды были основаны на методе дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК). Данный метод был выбран в виду того, что он уже был использован в работах (Kozlowsky, 2003a, b) для определения количества незамерзшей воды.

С помощью методики, изложенной в (Миронов и др., 2010; Mironov et al., 2013) были измерены частотные спектры вещественной и мнимой части комплексного показателя преломления бентонита. Измерения проводились для образцов бентонитовой глины в диапазоне массовых влажностей от 0 до 1 г/г и в диапазоне температур от -30 до 25 °С. Для поддержания стабильной заданной температуры образца использовалась температурная камера. С использованием данных диэлектрических измерений и ТРДМ были идентифицированы следующие компоненты воды в мерзлой почве: прочносвязанная незамерзающая вода, рыхлосвязанная незамерзающая вода, незамерзшая рыхлосвязанная вода и лед. Получены температурные зависимости массы каждой из компонентов почвенной воды.

Для той же бентонитовой глины с использованием ДСК метода в диапазоне температур от -30 до 0 °С было проведено измерение теплоты, выделившейся при фазовом переходе воды в глине. Было обнаружено, что в образцах с влажностью до 0,17 г/г отсутствует поглощение или выделение тепла в рассматриваемом диапазоне температур как в процессе замораживания, так и оттаивания, что свидетельствует об отсутствии фазового перехода. Таким образом была идентифицирована незамерзающая вода, т.е. вода, которая не испытывает фазового перехода. Для образцов с влажностью от 0,17 г/г до 0,69 г/г были проведения измерения поглощенной теплоты в процессе оттаивания. В результате были идентифицированы незамерзшая вода и лед. Из измеренных данных получены температурные зависимости, характеризующие увеличение массы незамерзшей воды за счет уменьшения массы льда, которое являлось фазовым переходом воды и наблюдалось при увеличении температуры. Кроме того, с использованием данных ДСК измерений найдены значения скрытой теплоты плавления в двух случаях, а именно: при переходе льда в незамерзшую связанную почвенную, и при переходе льда в жидкую несвязанную почвенную воду.

Температурная зависимость массы незамерзшей воды, полученная из ДСК измерений, находится в хорошем количественном соответствии с температурной зависимостью массы общего количества связанной воды, полученной из данных диэлектрических измерений (СКО определения массы воды на единицу массы минерала составило 0,01 г/г, коэффициент корреляции равен 0,93).
Таким образом, было доказано, что температурная зависимость общего количества связанной воды, полученная с помощью диэлектрических измерений, является следствием фазового перехода и может быть использована при определении характеристик фазового перехода льда в незамерзшую связанную воду, а также для учета количества незамерзшей воды в диэлектрической модели. Таким образом, создана основа для разработки дистанционного метода определения количества незамерзшей воды.

Найденные значения скрытой теплоты плавления рыхлосвязанной и свободной воды в почве могут быть использованы для разработки метода определения с помощью дистанционного зондирования кажущейся теплоемкости грунта.

Работа выполнена при финансовой поддержке Программы фундаментальных научных исследований СО РАН II.12.1.