Механизм эволюции пористой структуры песчаника под совместным воздействием циклов влаги и температуры и раствора Na2SO4

Почему крошение пород имеет значение

На первый взгляд холмы и утёсы из песчаника кажутся твёрдыми и вне времени. Тем не менее во многих долинах, водохранилищах и выемках вдоль дорог эти породы ослабевают всего за несколько лет, вызывая оползни и падения камней, угрожающие людям и инфраструктуре. В этом исследовании изучается тихий, но мощный виновник: повторяющиеся циклы увлажнения и нагрева в присутствии солёной воды. Наблюдая, как крошечные поры внутри песчаника меняются в таких условиях, учёные объясняют, почему некоторые откосы постепенно теряют прочность и как инженеры могли бы лучше их защищать.

Дождь, солнце и соль действуют вместе

Во многих горных районах откосы из песчаника подвергаются регулярному ритму дождя, солнца и снова дождя. Вода в таких условиях редко бывает чистой: она часто содержит растворённые соли, в том числе сульфат натрия. Команда сосредоточилась на образцах песчаника, собранных на откосе в районе Ваньчжоу, Чунцин, Китай, и подготовила небольшие цилиндрические пробки. Их затем пропитывали растворами сульфата натрия трёх разных концентраций, а также дистиллированной водой для сравнения. Каждый образец подвергали повторным циклам: час вымачивания при комнатной температуре, час сушки при 60 °C — приближённо как на горячей солнечной поверхности скалы — и затем охлаждение до комнатной температуры.

Наблюдение за изменением пор изнутри

После каждых десяти циклов исследователи измеряли изменения песчаника. Они отслеживали потерю массы по мере отхождения мелких зерён, проверяли поверхностную твёрдость, использовали звуковые волны для оценки внутренней жёсткости и применяли низкопольный ядерный магнитный резонанс для картирования пористой структуры. За 50 циклов образцы в солёных растворах теряли больше массы, чем в чистой воде: в самом концентрированном растворе потеря массы составила примерно 4,5%. Твёрдость снижалась до 10%, особенно после примерно 20 циклов, что указывает на то, что поверхность породы становилась более рыхлой и менее стойкой к износу.

От крошечных пор к большим полостям

Измерения на уровне пор показывают, как развивается это ослабление. Сначала, когда насыщенная солью вода впитывается и затем испаряется, сульфат натрия кристаллизуется внутри самых мелких пор. На ранних стадиях кристаллы могут заполнять пустоты и на первый взгляд делать породу чуть более плотной и способной проводить звуковые волны быстрее. Но по мере повторения циклов увлажнения и высыхания кристаллы многократно растут и рассасываются, оказывая давление на стенки пор. В конечном итоге это приводит к разрушению перегородок между соседними порами, превращая многие микропоры в меньшее число, но более крупные поры и даже микротрещины. Общая пористость возрастает, особенно при более высокой концентрации соли, а скорость звуковых волн достигает максимума примерно к 20 циклу, после чего падает по мере накопления повреждений.

Соль как скрытый двигатель разрушения откосов

В целом эксперименты показывают, что циклы влаги, содержащие сульфат натрия, являются эффективным механизмом разрушения пород. Солёная влага сначала проникает в существующие поры, затем кристаллизация и повторная кристаллизация постепенно расширяют и связывают их между собой. По мере того как распределение пор сдвигается в сторону средних и крупных пустот, песчаник становится легче, мягче и хуже проводит волны — признаки ослабления внутреннего каркаса. Для инженеров, проектирующих или обслуживающих откосы вблизи водохранилищ, дорог или памятников культурного наследия, посыл ясен: не вся вода одинакова. Содержание солей и климатические циклы увлажнения–высыхания могут незаметно превращать, казавшийся прочным, песчаник в значительно более хрупкий материал, повышая со временем риск эрозии и обрушения.

Цитирование: Geng, J., Li, X., Wu, Y. et al. Evolution mechanism of pore structures in sandstone under coupled effect of hygrothermal cycles and Na₂SO₄ solution. Sci Rep 16, 10554 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46746-w

Ключевые слова: выветривание песчаника, кристаллизация солей, поровая структура, стабильность откосов, циклы увлажнения и высыхания