7.3. Особенности промерзания горных пород. Физические и физико-химические процессы, связанные с промерзанием
Промерзание горных пород сопровождается различными физическими и физико-химическими процессами, приводящими к изменению их состава, строения, физического состояния и формированию их физико-механических свойств.
При промерзании скальных и полускальных пород их состав и свойства меняются мало, однако в строении массивов и толщ этих пород появляются жилы, слои и другие крупные скопления льда как мономинеральной породы, заполняющие трещины и пустоты. Появление льда в массивах скальных и полускальных пород и характеризует формирование их свойств, при промерзании.
Промерзание песчаных и глинистых пород всегда сопровождается миграцией (перераспределением) в них влаги. В водоненасыщенных песках влага передвигается в виде пара под влиянием разности его упругости к фронту охлаждения, где она конденсируется, замерзает и цементирует породу. В водонасыщенных песках при промерзании происходит отжатие воды и ее перемещение от фронта промерзания. В этом случае, при промерзании песчаные породы цементируются льдом, в поровой воде возникает напор-поровое давление, превышающее силы взаимодействия молекул воды с минеральными частицами, и под влиянием этого напора происходит отжатие воды от фронта промерзания в сторону талых пород, т.е. в сторону пониженного напора.
При промерзании глинистых пород, как водонасыщенных, так и водоненасыщщеных, всегда наблюдается перемещение влаги к фронту промерзания под влиянием разности упругости пара (в водоненасыщенных породах), огромной величины поверхностных сил глинистых частиц и значительных капиллярных сил. В промерзающих глинистых породах поверхностные и капиллярные силы превышают силы порового давления и поэтому влага в них, всегда передвигается к фронту промерзания, где происходит ее замерзание и выделение льда в виде прослоек, линзочек, жилок и других форм. В результате этого, в глинистых породах у фронта волны холода резко возрастает их влажность (льдистость), которая существенно влияет на их свойства.
По данным Н.А. Цитовича /6/ и других авторов, далеко не вся вода, содержащаяся в дисперсных породах, переходит в лед при температуре замерзания пород, а лишь часть ее. При замерзании и оттаивании тонкодисперсных пород он выделяет три основные области фазовых переходов воды:
область значительных фазовых превращений, в которой изменения количества перемерзшей воды (Wн) на 10С составляет 1% и более (по отношению к массе сухой породы);
область переходную, где изменение содержания незамерзшей воды менее 1% но более 0,1%;
область практически замерзшего состояния, где фазовые превращения воды в лед на 10С не превышают 0,1%.
Незамерзшая вода и лед, в мерзлых дисперсных горных породах находится в неразрывной связи. Между ними устанавливается динамическое равновесие, которое определяется величиной внешних воздействий и в первую очередь температурой и давлением.
Н.А. Цитович сформировал принцип равновесного состояния воды и льда в мерзлых горных породах. Он формулируется следующим образом: “количество, состав и свойства незамерзшей воды и льда, содержащихся в мерзлых породах не остаются постоянными. Они изменяются с изменением внешних воздействий, находясь в динамическом равновесии с последними” /6. стр.44/. Этот принцип объясняет физическую сущность основных воздействий, обусловливающих формирование и изменения физико-механических свойств мерзлых пород.
Если промерзание породы происходит в условиях “открытой системы”, когда количество влаги увеличивается за счет ее притока извне, увеличение влажности (льдистости) пород у фронта промерзания происходит интенсивнее, чем при промерзании их в условиях “закрытой системы”, когда общее количество влаги в объеме промерзающих пород не меняется.
Перераспределение (миграция) влаги в промерзающих песчаных и глинистых породах увеличение при этом их влажности (льдистости), сопровождающееся пучением и трещинообразованием и составляет, по мнению В.Д. Ломтадзе, сущность процесса формирования их свойств. Следовательно, особенностями формирования свойств мерзлых песчаных и глинистых пород являются постседиментационные (эпигенетические) преобразования при их промерзании. На эти преобразования пород существенно влияют их дисперсность, минеральный и солевой состав, состав обменных катионов и емкость обмена, степень литификации, условия залегания пород, степень их обводненность и другие факторы.
В процессе промерзания тонкодисперсных пород возникает коагуляция их коллоидной фракции и агрегирование. Под коагуляцией понимается процесс укрупнения дисперсной системы за счет уменьшения своей свободной поверхностной энергии. Этот процесс идет самопроизвольно, при этом за счет свободной поверхностной энергии образуются различные связи, совершается внутренняя работа и выделяется теплота образования связей. За счет процессов коагуляции коллоидные почвенные частицы превращаются в более крутые агрегаты. Процессы коагуляции происходят в основном, при замерзании тонкодисперсных горных пород. В результате коагуляции коллоидных и глинистых частиц образуются вторичные микроагрегаты, которые сохраняются при оттаивании породы и проявляют свойства пылеватой фракции.
Процесс обратный коагуляции называется пептизацией. Он связан с разрывом связей, увеличением свободной поверхностной энергии и требует совершения работы над системой, т.е. притока, поглощения и превращения внешней энергии. При различных температурах дисперсная система имеет различные устойчивые степени дисперсности. Коагуляция, обычно идет при охлаждении системы, а пептизация – при ее нагревании. Этому способствуют компрессионные процессы, обусловленные образованием льда.