Состав мерзлых дисперсных (осадочных) пород

Состав, строение и свойства мерзлых пород

При изучении мерзлых горных пород следует выделять монолитные скальные и полускальные породы с жесткими связями и дисперсные осадочные отложения. Первые практически не меняют свои свойства при промерзании (оттаивании). Дисперсные отложения при фазовых переходах воды в них коренным образом меняют свои механические и физические свойства.

Состав мерзлых дисперсных (осадочных) пород

Породы без жестких связей являются сложными многокомпонентными и многофазными системами, в которые входят следующие составляющие:

1) скелет (минеральный и органно-минеральный);

2) твердая фаза воды (лед и кристаллогидраты);

3) жидкая фаза воды;

4) газообразная составляющая (пар и газы).

Скелет мерзлых осадочных отложений состоит преимущественно из минеральной части, а в почвах и биогенных породах – в значительной степени или практически полностью (торф) из органических частиц. Основной особенностью состава мерзлых пород является наличие нового породообразующего минерала – льда, строение которого определяется генезисом.

В минеральной части мерзлых пород обычно выделяют первичные и вторичные минералы. Первичные минералы и их агрегаты образуются в результате физического выветривания изверженных и метаморфических пород, Вторичные, образованные преимущественно за счет химического выветривания, делятся на нерастворимые и растворимые в воде минералы. Первые образуются в криолитозоне в основном в результате разрушения и преобразования слоистых и ленточных силикатов и полевых шпатов (монтмориллонит, гидрослюды, бейделлит). Растворимые минералы представлены солями различных кислот. Соли, содержащие воду, образуют кристаллогидраты.

Органическое вещество в мерзлых отложениях может находиться в виде слаборазложившихся растительных и животных остатков и продуктов их разложения – гумуса. Широко распространены в криолитозоне торфяные отложения, образующиеся при отмирании и разложении болотной растительности в условиях избыточного увлажнения, недостатка кислорода и низких температур.

Физические и физико-механические свойства мерзлых пород в большей степени зависят от их морфологических особенностей и вещественного состава: 1) от степени дисперсности, т.е. величины удельной поверхности частиц скелета; 2) от минерального и химического состава скелета, особенно коллоидной его части; 3) от формы и взаимного расположения частиц, т.е. от сложения.

Величина удельной поверхности влияет на содержание в породе связанной воды, замерзающей при различных отрицательных температурах, а, следовательно, и на механические свойства породы.

Крупнообломочные и песчаные породы состоят из обломков первичных минералов, удельная поверхность которых обычно мала и в них физико-химические процессы ослаблены. Тонкодисперсные отложения состоят, как правило, из вторичных глинистых минералов: каолинит, монтмориллонит и гидрослюды. Эти минералы способны адсорбировать большое количество воды, которая замерзает при низких отрицательных температурах, поэтому и в мерзлом состоянии глинистые породы будут обладать определенной пластичностью.

Форма и расположение частиц в породе определяет распределение в ней льда. Если они контактируют между собой, то прочностные свойства такой породы будут выше, чем у той, где контакты между минеральными частицами нарушены льдом.

Лед является важнейшим породообразующим минералом в мерзлой породе. Этот лед называется подземным, несмотря на характер залегания. Он может присутствовать в виде льда-цемента, включений, в виде отдельных скоплений. Все виды льда в горных породах можно объединить в четыре основные группы.

Конституционный, или текстурообразующий лед, являющийся основным элементом, формирующим текстуру мерзлой породы. Он может находиться в порах и быть невидимым невооруженным глазом, а может залегать в виде включений, прослоек, линз и пр.

Инъекционный лед образуется при замерзании подземных вод, внедрившихся в породу под давлением. Он встречается в виде интрузий (гидролакколиты) и пластов на небольших, как правило, глубинах от поверхности. Размеры залежей инъекционного льда могут достигать в плане тысяч м².

Повторно-жильный лед образуется при многократном заполнении водой или снегом морозобойных трещин с отрицательной температурой стенок. Он имеет клиновидную или столбчатую форму в поперечном разрезе. Размеры жил по вертикали составляют от нескольких сантиметров до нескольких десятков метров, в плане – до 3-5 м.

Залежеобразующие (пластовые) льды встречаются на глубинах до 100 и более метров (Дубиков, 2002). Это крупные скопления иногда совершенно чистого без грунтовых примесей льда мощностью от 0,5 до нескольких десятков метров. Природа их различна. Это может быть погребенный под склоновыми отложениями снежник или остатки глетчера, наледи и пр.; возможен инъекционный тип образования, когда вода внедряется под напором между слоями пород различного состава; вероятен также длительный процесс формирования залежи при медленном поступлении подземных вод к фронту промерзания (сегрегационный механизм) и т.д.

Жидкая фаза воды в мерзлых породах является весьма динамичным и важным компонентом, определяющим ее свойства. Вода в порах породы может находиться как в свободном (гравитационная), так и связанном (пленочная) состоянии. Пресная свободная вода замерзает при температуре 0⁰С, но с увеличением минерализации температура начала замерзания понижается: примерно 1 град. на каждые 18-20 г/л минерализации (зависит от состава солей). Теоретически температура может понизиться до эвтектической, когда начинается выпадение солей из раствора. При отрицательных температурах близких нулю градусов замерзает капиллярная влага, находящаяся в классификационной схеме где-то посередине между свободной и связанной водой.

Связанная вода условно подразделяется на прочносвязанную и рыхлосвязанную. Чем ближе молекула воды к частице породы, тем сильнее она к ней притягивается за счет водородных связей. Прочносвязанная вода имеет высокую плотность (до 2.45 г/см³) и замерзает при очень низких отрицательных температурах – при минус 70-80°С.

Рыхлосвязанная вода по своим свойствам мало отличается от свободной, но она имеет повышенную вязкость, медленно передвигается в пустотах породы. Скорость передвижения тем меньше, чем тоньше пленка воды, образующаяся вокруг минеральной частицы. В обычных условиях эта вода не передает гидростатическое давление; замерзает она при температурах от близких к нулю значений до минус 10°С и ниже.

Практически всегда в горной породе присутствует вода в виде пара. Велико ее значение в процессах, протекающих в зоне аэрации, где наблюдаются высокие градиенты влажности и температуры в условиях повышенной свободной пористости пород. Благодаря конденсации парообразной влаги происходит увеличение влажности и льдистости пород.

В последнее время большое значение уделяется природным газам, содержащимся в породе иногда в значительных количествах. При определенных давлениях и температуре такие газы как метан, сероводород и др. легко вступают во взаимодействие с водой, образуя гидраты газа. Процесс этот энергоемкий и может происходить не только при отрицательной, но и положительной температуре (при высоких давлениях на больших глубинах).