12. Жидкая фаза в мерзлых дисперсных породах
Незамерзшая вода в мерзлых горных породах может быть в двух состояниях:
1) прочно связанная поверхностью минеральных частиц (с избытком энергии активизации), когда вследствие больших электромоллекулярных сил поверхности, вода не может перейти в гексагональную кристаллическую решетку льда даже при очень низких температурах;
2) рыхлосвязанная – вода переменного фазового состава (с недостатком энергии активизации) замерзающая при температуре ниже 00С.
В тонкодисперсных горных породах, вследствие их большой удельной поверхности, значительная часть адсорбированной воды оказывается ориентированной поверхностными силами частиц породы, и характеризуются искаженной структурой. При замерзании таких пород часть воды переходит в лед с неискаженной или слабо искаженной структурой. Остальная часть воды не кристаллизуется, так как этому препятствуют искажение ее структуры.
Количество незамерзшей воды в мерзлых породах уменьшается с понижением их отрицательной температуры.
13.Газообразная составляющая в мерзлых дисперсных породах
Газообразная составляющая мерзлых горных пород представлена парами воды, воздухом и газами. Газы могут находиться в мерзлых горных породах в следующих видах:
а) в свободном виде, в крупных порах, пустотах и трещинах;
б) в адсорбированном виде, на поверхности минеральных частиц и льда;
в) в иммобилизованном виде, защемленном в микротрещинах и порах пород, свободных от воды и льда;
г) в растворенном, в незамерзшей воде, состоянии.
Пары воды, перемещаясь к зоне охлаждения (промерзания) под влиянием разности упругости, определяемой температурой пород,конденсируются, замерзают и вызывают увеличение их льдистости. Этому способствует и то обстоятельство, что упругость пара над поверхностью льда ниже, чем над охлажденной и даже переохлажденной водой. Воздух и газы, особенно в абсорбированном и защемленном состоянии, увеличивают упругие свойства мерзлых пород.
3.2.5 Выводы
Все перечисленные компоненты, слагающие мерзлые горные породы – твердые минеральные частицы, лед, незамерзшая вода, водяные пары, воздух и газы, обладая специфическими свойствами, находятся во взаимодействии друг с другом. Это взаимодействие обусловлено в первую очередь, силовым полем поверхности минеральных частиц и льда с водой, различных состояний, интенсивность которого зависит от удельной поверхности и физико-химической природы твердых компонентов породы, состава обменных катионов слагающих ее минералов, и от влияния внешних воздействий (температуры и давления).
Важнейшим компонентом мерзлых пород является лед. Наличие льда определяет особенности физико-механических свойств мерзлых горных пород, их поведения под нагрузками, развитие ряда мерзлотных геологических процессов и явлений.
14. Особенности строения мерзлых горных пород.
Важнейшей особенностью состава мерзлых горных пород, является присутствие в них льда. Лед может присутствовать в них в виде микроформ, являясь своеобразным породообразующим минералом. В этом случае он представлен кристаллами, их скоплениями, мелкими прослойками и прожилками. Кроме этого, лед может быть представлен в мерзлых породах и в виде макроформ, различных слоев, линз, жил и других ледяных тел. В этом случае он представляет мономинеральную породу.
Различное распределение льда в горных породах оказывает влияние на их строение, т.е. структуру и текстуру. В скальных и полускальных породах, как отмечалось выше, при промерзании воды лед образуется только в трещинах и пустотах. Структуры их при этом не изменяются, а лед является самостоятельной мономинеральной горной породой.
В криогенном строении дисперсных горных пород различают криогенную структуру и криогенную текстуру. Под криогенной структурой мерзлых пород подразумевается размер, форма и характер поверхности ледяных включений, количественное соотношение слагающих породу элементов (льда и минеральных частиц) и характера связей между ними. В зависимости от формы и кристаллографической ориентировки зерен выделяются следующие структуры:
1. Неправильно-зернистая, когда зерна льда возникают неправильной формы в результате механического воздействия друг на друга в стесненных условиях. Они обнаруживаются в виде беспорядочных, неориентированных включений.
2. Призматическая, в которой кристаллы льда имеют правильную форму с упорядоченной кристаллографической ориентировкой.
3. Промежуточная, которая подразделяется на а) пластинчатую, б) столбчатую.
Обычно в тонких шлирах сегрегационного льда кристаллы имеют пластинчатую форму, а в более мощных – столбчатую.
Криогенная текстура определяется особенностью относительного расположения в пространстве сцементированных льдом частиц пород. Иными словами, криогенная текстура – это рисунок, узор мерзлой породы, создаваемый в ней льдом.
Криогенное строение мерзлых пород во многом определяет их строительные свойства, и поэтому необходимость его изучения регламентируется существующими методическими и нормативными документами.
Текстура мерзлых пород, в которых присутствует только лед-цемент, называется массивной.
Текстура мерзлых пород, в которых присутствует лед в виде включений, называется шлировой, а включения льда –шлирами.
В зависимости от формы льда и условий его залегания в мерзлой породе наиболее широко распространены следующие текстуры: массивная, слоистая, сетчатая, корковая, порфиповидная (пятнистая), базальная и атакситовая (рис.3.1).
Рис. 3.1 Криогенные текстуры многолетнемерзлых пород
1-массивная; 2-линзовидная; 3-полосчатая; 4-волнистая; 5-косая; 6-плойчатая; 7-прожилковая; 8-поясковая; 9-сложнослоистая; 10-ячеистая; 11-плетенчатая; 12-чешуйчатая; 13-плитчатая; 14-блоковая; 15-сложносетчатая; 16-корковая; 17-порфировидная; 18-базальная; 19-атакситовая
Массивная криогенная текстура характеризуется равномерным распределением порового льда и содержанием ледяных включений не превышающим 3% общего его объема. Массивная криогенная текстура образуется при интенсивном промерзании пород различного состава и генезиса, с любой начальной влажностью в суровых температурных условиях, когда породы цементируются льдом.
Порфировидная криогенная текстура создается изометрическими зернами льда, имеющими овальную, глазковую форму и присутствующими в мерзлой породе в виде линз, вкрапленников, пятен неправильной формы. Расположение включений льда в массиве обычно беспорядочное, но может быть и ориентированным. Наиболее часто размеры вкрапленников в поперечнике не выходят за пределы 1см. Порфировидная текстура формируется в тонкодисперсных породах – супесей, суглинках и глинах, в торфах, а так-же в валунно-галечных суглинках (озерных, озерно – ледниковых и ледниковых отложений) в условиях небольшого их увлажнения. Общее содержание льда включений, таких породах, не превышает 10%.
Корковая криогенная текстураобразуется в крупнообломочных породах в виде не выдержанных по толщине корок и линз льда около крупных обломков и ихагрегатов. Обычно форма корок определяется формой полости, которую заполняет лед. Распределение в массиве льда – беспорядочное, максимальная толщина корок редко превышает 0,5см. Льдосодержание отложений с корковой криогенной текстурой редко превышает 5%.
Слоистая криогенная текстура характеризуется наличием горизонтальных, косых и вертикально расположенных прослоек и линз льда. Эта текстура создается удлиненными ледяными телами или линзами, более или менее параллельными друг к другу и ориентированными в одном направлении. Толщина шлиров и линз может варьировать от долей миллиметров до десятков сантиметров. Слоистая криогенная текстураобразуется в глинистых, песчаных мелкозернистых и пылеватых породах различного генезиса. Содержание льда мерзлых пород со слоистой криогенной текстурой может составлять 30-40%. Криогенные текстуры слоистого типа делятся на виды и разновидностями в зависимости от формы, размера включений расстояния между ними, ориентации прослоек льда, распределения ледяных прослоек (линз) в разрезе. Так, в зависимости от формы включений льда и их положения в пространстве выделяются: простые–линзовидная, полосчатая; сложные – косая, прожилковая и плойчатая.
В зависимости от простирания прослоек льда слоистая текстура подразделяется на горизонтально–слоистую, вертикально–слоистую и наклонно–слоистую; от расположения льда включений по глубине разреза слоистые криогенные текстуры подразделяются на равномерно – и неравномерно слоистые. Слоистая текстура мерзлых пород определяет меньшую прочность в мерзлом состоянии и наибольшие осадки при оттаивании
Сетчатая криогенная текстура характеризуется расположением ледяных включений по правильной, завершенной или неправильной, незавершенной сетке и т.п. Ледяные тела удлиненной формы пересекаются между собой и образуют в массиве каркасные (решетчатые, ячеистые) формы. В зависимости от размера ячеек выделяют микросетчатую (менее 10мм), среднесетчатую (10-100мм) и крупносетчатую (более 100мм) текстуры. Общее льдонасыщение породы с сетчатой текстурой, как правило, меньше 50%. Сетчатая криогенная текстура образуется только в тонкодисперсных грунтах и подразделяется на несколько морфологических видов и разновидностей.
Сетчатая криогенная текстура развивается при заполнении льдом диагенетических трещин, возникших в породе еще до ее промерзания, и трещин, образующихся в процессе промерзания, обезвоживания талого грунта ниже границы промерзания, его усадки и растрескивания. Выделяются следующие основные простые виды сетчатой криогенной текстуры: ячеистая (сотовая), плетенчатая, плитчатая (блоковая), чешуйчатая. В тех случаях, когда в массиве присутствуют лишь отдельные элементы решетки или каркаса, выделяют неполносетчатую криогенную текстуру.
Базальный тип криогенной текстуры характерен для грубозернистых и обломочных пород и образуется при промерзании этих отложений в условиях полного водонасыщения, редко встречается и в тонкодисперсных грунтах. Обычно промерзание водонасыщенных пород идет в условиях замкнутой системы, когда отжатие излишков воды в стороны не происходит, что приводит к раздвиганию частиц скелета и увеличению объема пор. Считается, что базальная текстура может развиваться и при напорной миграции воды к границе промерзания. И в этом и в другом случае промерзание приводит к образованию грунта, зерна и обломки которого на отдельных участках массива могут не соприкасаться между собой.
Атакситовый тип криогенной текстуры (или лед с включением грунта) формируется при промерзаниисодонасыщенных тонкодисперсных минеральных и органо-минеральных пород. В результате промерзания образуются высокольдистые мерзлые породы, в которых минеральные агрегаты и блоки как бы «плавают» во льду. Атакситовая текстура образуется в условиях медленного промерзания и наиболее часто встречается у подошвы сезонноталого слоя в отложениях склонов, поймы, органо–минеральных отложениях озер и болот.
Помимо основных типов криогенных текстур существуют их многочисленные промежуточные или переходные виды. Например: группа неполных криогенных текстур – неполносетчатых или неполнослоистых, когда в массиве мерзлой породы присутствуют лишь отдельные элементы ледяного каркаса или ледяной решетки, создающие в плане неполный, незаконченный рисунок сетки.