Сила разуплотнения поверхностного слоя воды и ее роль в геологических процессах (стр. 19 )

Подобным образом происходит образование эмульсий, т. е. растворов с ликвационными мельчайшими взвешенными капель­ками одной жидкости в другой, например капельками масла в мо­локе, придающими ему соответствующую жирность и белый цвет. Образование капелек жидкости и их размер определяются нача­лом действия Т-СРПС в виде расклинивающего давления Деря­гина в поверхностном слое, т. е., по существу, возникновением са­мого этого слоя при достижении ими определенного размера. Эмульсионные капельки в процессе движения в жидкости могут при сближении и контакте легко разрывать этот слой и сливаться, образуя более крупные капли как это показано выше на примере тарелки с супом, в котором плавают кружочки жира.

1.4.4. О возможности экспериментального определения Т‑СРПС

Как показано выше, экспериментально опре­делена только минимальная часть Т-СРПС, проявляющаяся в виде расклинивающего давления при разрыве поверхностного слоя в процессе его сдавливания. Эта часть сопоставима с величиной поверхностного натяжения –  по существу, своеобразного его про­явления, если поверхностный слой не растягивать, а сдавливать. Но истинная полная величина Т-СРПС, проявляющаяся в виде раздвигания стенок трещин и микропор при проникновении в них воды, экспериментально еще не определялась, хотя в природе большая сила ее действия, как показано выше, проявляется ши­роко.

Известно, и это показано выше, что экспериментальное опре­деление только плотности воды в контакте с твердыми вещест­вами очень сложно и дает противоречивые результаты, а для га­зов и твердых веществ еще вообще не проводилось. Это обуслов­лено очень незначительной толщиной поверхностного слоя. Еще сложнее проведение экспериментов по определению величины самой Т-СРПС. Следует обратить внимание на то, что эта сила проявляется, когда система является открытой, т. е. Т-СРПС воз­никает только в период движения веществ, когда, например, вода проникает в самую узкую новообразующуюся часть микротрещины при увеличении ее длины. При этом вода, разуплотняясь за счет действия Т-СРПС, создает давление на стенки трещины, но одно­временно создает гидравлическое давление и на всю жидкость в трещине, заставляя ее выдавливаться оттуда. Поэтому, чтобы оп­ределить истинную величину Т-СРПС, необходимо знать ее дав­ление на обе эти среды.

Это сходно с определением силы давления порохового за­ряда в огнепроводном бикфордовом шнуре. Если поджечь этот заряд с одного края шнура, то взрывная сила горения пороха не разорвет даже мягкой водонепроницаемой оболочки шнура, хотя, как известно, эта сила при выстреле из автомата чрезвычайно ве­лика. Причина этого в том, что часть взрывной силы пороха уходит в пустое пространство уже выгоревшей части шнура, и поэтому давление на оболочку относительно слабое.

Чтобы определить истинную силу давления порохового за­ряда, надо поместить его в закрытый сосуд и поджечь электриче­ской или ударной искрой (детонатор) изнутри в этом сосуде. В са­мом же бикфордовом шнуре эту силу можно определить только расчетным способом, учитывая давление на стенки шнура и ско­рость истечения газов в пустое пространство.

Определение величины Т-СРПС тоже можно выполнить только методом расчетов, так как давление на стенки трещин яв­ляется ее частью, причем в ряде случаев не самой большой. Вто­рая часть силы, направленная на выдавливание жидкости из тре­щины, зависит от множества причин, конкретное определение ко­торых как единой силы весьма затруднено. Такими причинами яв­ляются скорость действия самой Т-СРПС, площадь поперечного сечения трещины, количество жидкости, содержащейся в трещине, ско­рость возникновения новых участков трещины и скорость попада­ния в них воды, температура, общее гидростатическое давление и т. д. Каждый из этих факторов по-разному влияет на проявление Т-СРПС, раздвигающей трещину. Например, чем быстрее действует Т-СРПС, тем сильнее ее воздействие на стенки трещины. Так, мгновенный взрыв порохового заряда может разорвать твердое вещество вдоль трещины, а медленное истечение газов не окажет никакого давления на стенки.

Подобным образом действует скорость попадания воды в но­вообразующиеся участки трещин. Если это происходит мгновенно, то Т-СРПС сразу вдоль всей широкой поверхности будет созда­вать давление на стенки и с большой силой, как взрыв, раздвигать их. А если жидкость медленно втекает в острие трещины, то Т-СРПС возникает и действует только в самых узких краевых частях наступающего фронта жидкости и создает последовательное ни­чтожное давление на стенки, так как площадь этих краевых фрон­тов очень небольшая; кроме того, давление разуплотняющейся жидкости будет мгновенно передаваться в пустое воздушное про­странство острия трещины и здесь гаснуть.

Количество жидкости в микротрещине имеет значение как масса вещества, которая закупоривает микротрещину при «взрыве» Т-СРПС. Чем больше эта масса, тем более она инерци­онна, и значит, «взрыв» Т-СРПС передается на стенки микротре­щины с большей силой, чем сама эта жидкость выдавливается из нее. Это аналогично тому, как общий вес ружья влияет на его от­дачу при выстреле: чем больше масса ружья, тем меньше отдача и больше сила выстрела.

Площадь поперечного сечения трещины имеет значение для скорости истечения жидкости из нее при действии Т-СРПС. Со­вершенно очевидно, что, чем она больше, тем легче жидкость вы­давливается из трещины и тем меньшее давление она создает на стенки трещины.

Температура сказывается в самой силе проявления Т-СРПС, которая увеличивается с ее возрастанием.

Таким образом, прямое экспериментальное определение мак­симальной величины Т-СРПС при проникновении воды в микро­трещины практически и теоретически невозможно, так как она дей­ствует в условиях открытой системы, а косвенное определение с использованием расчетных математических методов связано с большими трудностями в определении конкретных параметров. Этим вопросам в будущем должны быть посвящены специальные исследования.

Однако все же составить представление о величине Т-СРПС можно, если производить эксперименты по сдавливанию поверх­ностного слоя воды между двумя твердыми параллельными пла­стинами. Если при сдавливании между выпуклыми поверхностями, и в частности между двумя частицами коллоидов или золей, по­верхностные слои сопротивляются с силой расклинивающего дав­ления Дерягина (так как в этом случае это давление действует на разрыв слоев или на их «разрубание» вдоль узкой линии разрыва), то между параллельными пластинками сдавливанию сопротивля­ется не эта узкая часть разрыва, а вся широкая площадь поверх­ностных слоев. Значит, усилие, прилагаемое, чтобы раздавить эти слои, возрастает во столько же раз, во сколько раз площадь сдав­ливающих пластин больше площади разрыва. Совершенно оче­видно, что силы, необходимые для этого, возрастут на много по­рядков по сравнению с расклинивающим давлением Дерягина. Ка­ждый может убедиться в том, что выдавить пленку воды из проме­жутка между стеклянными пластинками обычными способами, по крайней мере усилием человека, невозможно. И наоборот, чем меньше площадь сдавливания пластинок, тем больше возрастает вероятность выдавливания; наконец, это легко сделать, сдавив воду острым краем осколка стекла.

Сила сопротивления поверхностных слоев сдавливанию ме­жду параллельными пластинками близка действию Т-СРПС, рав­ной силе температурного расширения, но, вероятно, несколько больше ее, так как выдавливанию жидкости препятствуют также повышенная вязкость поверхностного слоя и его трение о твердые поверхности.

По-видимому, наиболее убедительным подтверждением большой величины действия Т-СРПС могут служить проведенные (1971) эксперименты по выдавливанию под прес­сом воды из глинистых и иловых пород. Из глины вода продолжала выдавливаться вплоть до максимально возможных в эксперимен­тах давлений в 20000 кг/см2. Причем экстраполяция кривых отжи­мания показывает, что полное отжимание возможно только при давлениях 30000–50000 кг/см2. Крюков отмечал, что главную роль при отжимании играет не прочность твердой фазы, легко дезинтег­рирующейся до молекулярного состояния, а собственно «механи­ческие свойства воды» (с. 47). Из этих свойств, как показано выше, главнейшим является Т-СРПС. Причем можно предполагать, что в этом эксперименте вязкость поверхностного слоя и трение не иг­рают существенной роли, так как твердая фаза присутствует в виде молекул, а не частиц.

В целом можно сказать, что Т-СРПС в принципе, обладая большой силой температурного расширения, реально в природе проявляет только часть этой силы в зависимости от множества факторов, усиливающих или уменьшающих ее действие.

1.5. Т-СРПС твердых веществ

Поскольку я выдвинул идею о существовании силы разуплот­нения поверхностного слоя жидких и газообразных веществ, пред­ставляется вполне логичным предположить существование такой же силы и в твердых веществах, тем более что наличие в них ра­зуплотненного поверхностного слоя отмечается в ряде научных работ (Джапаридзе, 1976; Каур и др., 1991). Попытаемся предста­вить себе реальность такой силы, анализируя явление под тем же углом зрения, что и для жидкостей и газов.

Известно, что твердые вещества очень быстро осуществляют передачу тепла от одного участка к другому. Причиной этого про­цесса являются тепловые колебания атомов около узлов кристал­лической решетки. Если бы таких колебаний не было, то, сколько бы ни нагревали металлический стержень с одного конца, это те­пло не распространилось бы не только по его длине, но даже за пределы первого слоя поверхностных атомов этого стержня. Пе­редача тепла осуществляется за счет того, что создаваемое на­греванием ускорение колебания атомов передается соседним атомам, а те передают его другим и т. д. Это передается по веще­ству. Значит, колебания атомов определенным образом взаимо­связаны между собой, т. е., образно говоря, они ощущают колеба­ния соседних атомов, которые передаются им.