Лед

ЛЁД (а. ice; н. Eis; ф. glace; и. hielo) — вода в твёрдом состоянии. Известны 10 кристаллических модификаций льда и аморфный лед. Наиболее изученным является лед 1-й модификации — единственная модификация, обнаруженная в природе. Лед встречается в природе в виде собственно льда (материкового, плавающего, подземного и др.), а также в виде снега, инея и т.д. Лед — одно из самых распространённых твёрдых тел на земной поверхности (около 30 млн. км³).

В природе имеется много видов льда разного возраста. Продолжительность существования одних видов определяется часами, возраст других — сотнями тысяч лет. Лед — низкотемпературная мономинеральная горная порода, слагаемая наиболее лёгким минералом. В условиях Земли он находится в состоянии, близком к фазовому переходу его в воду. Поэтому лед встречается только в верхних слоях литосферы и гидросферы. Лед весьма устойчив относительно инородных примесей, не вступает с ними в химическое взаимодействие и не образует твёрдых растворов и сростков с кристаллами других веществ.

Лед имеет гексагональную пространственную решётку и образуется путём замерзания воды при 0°С и атмосферном давлении. Решётка всех кристаллических модификаций льда имеет тетраэдрическое строение: каждый атом кислорода окружён четырьмя другими на расстоянии 0,276 нм, размещёнными в вершинах правильного тетраэдра. Параметры элементарной ячейки льда (при t 0°С): а=0,45446 нм, с=0,73670 нм (с — удвоенное расстояние между смежными основными плоскостями). При понижении температуры они меняются крайне незначительно. Молекулы Н₂О в решётке льда связаны между собой водородными связями. Подвижность атомов водорода в решётке льда значительно выше подвижности атомов кислорода, благодаря чему молекулы меняют своих соседей. При наличии значительных колебательных и вращательных движений молекул в решётке льда возникают трансляционные соскоки молекул из узла пространственной их связи с нарушением дальнейшей упорядоченности и образованием дислокаций. Этим объясняется проявление у льда специфических реологических свойств, характеризующих зависимость между необратимыми деформациями (течением) льда и вызвавшими их напряжениями (пластичность, вязкость, предел текучести, ползучесть и др.). В силу этих обстоятельств ледники текут аналогично сильно вязким жидкостям, и, таким образом, природные льды активно участвуют в круговороте воды на Земле. Кристаллы льда имеют относительно крупные размеры (поперечный размер от долей миллиметра до нескольких десятков сантиметров). Они характеризуются анизотропией коэффициента вязкости, величина которого может меняться на несколько порядков. Кристаллы способны к переориентации под действием нагрузок, что влияет на их метаморфизацию и скорости течения ледников.

Физико-генетические и петрографо-генетические основы формирования ледяных пород позволяют подразделить льды на конжеляционные, сегрегационные осадочные и метаморфические. Конжеляционные льды образованы в результате замерзания свободной воды. К ним относятся ледяной покров морских и пресных водоёмов, льды быстро движущихся вод, внутриводный или донный лед, ледяной покров относительно спокойных вод, ледяные образования в виде эффузивных пород, наледей, натёчных образований, лёд-цемент в мёрзлых дисперсных горных породах, трещинный и поровый лед в горных породах с жёсткими связями, ледяные ядра инъекционных бугров пучения, сталактитов и сталагмитов, повторно-жильные (полигонально-жильные, клиновидно-жильные) льды в дисперсных мёрзлых горных породах, ледяные шлиры и интрузивные пласты в мёрзлых отложениях. Сегрегационные льды образуются в промерзающих пылевато-глинистых горных породах в процессе миграции связанной воды под влиянием градиентов температур и влажности. Они образуют шлиры (прослои, линзы и включения другой формы), обусловливающие криогенную текстуру дисперсных горных пород, и мономинеральные пластовые залежи (мощностью до нескольких метров), ядра миграционных бугров пучения. Различают пять видов осадочных льдов: пушистый снег, метелевый снег, мелкозернистый снег, зернистый снег и снег-плывун. Метаморфические льды формируются в процессе изменения внутренней энергии или под воздействием давления и температуры. К ним относятся: фирн, первичные осадочные метаморфические льды, динамометаморфические льды (возникают под влиянием высокого всестороннего или ориентированного давления) и термометаморфические льды (формируются под воздействием тепловых процессов, возникающих в ледяной породе). Льды смешанного образования возникают под влиянием термодинамо-метаморфических воздействий рекристаллизации и массопереноса. По местоположению различают поверхностные и подземные льды. Последние влияют на свойства мёрзлых пород и их использование в горном деле.

Большое распространение льдов на Земле, динамика их изменений и преобразований существенно сказываются на формировании климата, гидрогеологических процессах и планетарном круговороте воды. В формировании условий обитания человека на Земле и в его хозяйственной деятельности лед проявляет себя по-разному. Лед и снег препятствуют глубокому промерзанию пород и водоёмов, ледяной покров используется для организации переправ, аэродромов, является самым дешёвым строительным материалом и может служить основанием для сооружений, применяться для создания ледяных буровых платформ. Лед используют как заполнитель выработанного пространства шахт, с целью предохранения мёрзлых пород от обрушения и просадок, в кровле старых горных выработок. В ряде случаев лед наносит большой материальный ущерб. Ледяной покров препятствует судоходству, разрушающе воздействует на портовые сооружения, электростанции, мосты, нефтяные вышки, корабли. Обледенение судов, самолётов приводит к авариям, обледенение и гляциальные сели грозят уничтожением населённых пунктов, промышленных и транспортных сооружений.