Файл: Общее мерзлотоведение..pdf

полученные В. Ф. Тумелем по району Иркут-Байкальского водо­ раздела:

Согласно этим данным, протаивание на склонах южной и запад­ ной экспозиции одинаково. Глубины протаивания на склонах северной и восточной экспозиции соответственно на 22 и 16% меньше.

В южных районах на крутых склонах южной экспозиции глубина сезонного протаивания может на 50—60% и более пре­ восходить глубину сезонного протаивания на склонах северной экспозиции.

На глубину сезонного протаивания значительное влияние может оказывать к о н в е к ц и я в о з д у х а и в о д ы , кото­ рые служат теплоносителями.

Конвекция воздуха интенсивнее всего протекает в трещиноватых скальных и крупнодисперсных неводонасыщенных грунтах. В районе Алдана глубина сезонного протаивания в скальных поро­ дах, в которых летом происходит интенсивный воздухообмен, достигает 7 м, тогда как в четвертичных мелкодисперсных отло­ жениях она не превышает 4 м.

Конвекция воды заметнее всего протекает в водонасыщенных крупнодисперсных и крупнообломочных породах. Она может быть вынужденной (фильтрация и инфильтрация) и свободной, обусловленной изменением плотности воды от температуры (тер­ моградиентная конвекция), состава и концентрации солей. Вы­ нужденная конвекция образуется при инфильтрации весенних паводковых вод и летних доящей.

Дождевая вода при инфильтрации в грунт переносит к гра­ нице протаивания не только свое тепло (которое невелико по сравнению с затратами тепла на фазовые переходы), но и почвен­ ное тепло радиационного происхождения, которое она снимает с «подстилающей поверхности», просачиваясь через нее вниз (по В. Г. Гольдтману).

Влияние инфильтрации на формирование сезоннопротаивающего слоя еще не изучено, однако значительная роль ее несо­ мненна. Об этом свидетельствует опыт искусственного оттаивания мерзлых пород путем дождевания, когда удается за один сезон оттаять толщу мерзлых галечников на 6—8 м.

На склонах в весенне-летний период отмечается повышенная интенсивность протаивания вследствие инфильтрации воды, обра­ зующейся в результате выпадения осадков и особенно после тая­ ния снега. Свободная конвекция грунтовой воды моя?ет возникать в протаивающем водонасыщенном слое между изотермами +4

88

и 0°. Влияние ее на формирование сезонноталого слоя практи­ чески неизвестно.

Процессы, сопутствующие сезонному промерзанию и протаиванню. Сезоннонромерзающпй (сезоннопротаивающий) слой яв­ ляется, как уже отмечалось, наиболее активным слоем земной оболочки в отношении кругооборота тепла, движения поровой влаги и ее фазовых превращении. В этом слое происходят:

1)процессы физического выветривания;

2)физико-химические, химические ц микробиологические про­

цессы;

3)формирование криогенных текстур при промерзании и постриогениых при протаивании;

4)мерзлотные физико-геологические процессы (пучение, солифлюкция, морозное растрескивание).

Физическое выветривание происходит в результате многократ­ ного повторения процессов замерзания и таяния влаги в породах, их увлажнения и высыхания, изменения в объеме. Это приводит к образованию тонкодисперсных частиц. Пределом механического разрушения являются пылеватые частицы размером 0,05—0,005 мм.

Физико-химические процессы, протекающие в замерзающих и мерзлых грунтах, приводят к необратимой коагуляции тонкодисперсных частиц (как минеральных, так и органических), к фор­ мированию вторичных пылеватых частиц.

Таким образом, в результате физического выветривания мине­ ралов и коагуляции глинистых и коллоидных частиц в слое сезон­ ного протапвания образуются пылеватые частицы. Поэтому в об­ ласти мерзлой зоны пылеватые отложения весьма распростра­ нены. Имеется тенденция к увеличению пылеватости отложений от зон с мягким климатом к зонам с суровым климатом.

Наблюдения за промерзанием и протаиванием пород в при­ родных условиях. Глубину промерзания-протаивания в природ­ ных условиях определяют путем непосредственных наблюдений и с помощью различных косвенных методов.

Непосредственные определения глубины промерзания-протаи­ вания проводят с помощью щупа, мерзлотомеров (наиболее рас­ пространен мерзлотомер А. И. Данилина), а также путем про­ ходки шурфов и бурения скважин.

Самый простой и наименее трудоемкий способ определения границы протапвания — зондирование пород щупом. Щуп, пред­ ставляющий собой стальной стержень, вбивают в талый слой до границы мерзлых пород, которые служат упором. Выдерги­ вают щуп с помощью трубного ключа.

Применение щупа дает хорошие результаты для песков. При зондировании тонкодисперсных неводонасыщенных пород пластичиомерзлое состояние в слое льдовыделения чаще всего при­ нимается за талое, и устанавливается не глубина протапвания,

аграница между твердомерзлой н пластичномерзлой породой. Уточнение результатов зондирования проводят путем про­

59

ходки контрольных шурфов. Глубину промерзания-протаивания определяют визуально по наличию в мерзлой породе включений льда, по степени цементации породы, а также по изменению ее цвета (мерзлые породы обычно несколько светлее, чем талые). Пылеватые супеси и суглинки с небольшой влажностью при промерзании превращаются в монолит. Граница между талым и мерзлым состоянием в них выражена довольно четко. В тяжелых, сильно обводненных суглинках и глинах можно установить только зону льдовыделения: резкой границы промерзания здесь нет.

Таким же путем, как и при проходе шурфов, определяют глубину промерзания-протаивания при бурении скважин. Полу­ ченные образцы керна подвергают криотекстурному исследованию. Данный метод определения глубины промерзания-протаивания широко применяется в экспедиционных условиях, а также на агрометеорологических станциях.

Мерзлотомер А. И. Данилина стал внедряться на станциях Гидрометеослужбы с 1953 г. О глубине промерзания пород судят по замерзанию воды в резиновой трубке, опускаемой в текстоли­ товую трубку. Последняя устанавливается стационарно в породе. Этот метод отличается простотой, объективностью и постоянством в отношении времени и места наблюдений. Мерзлотомер Данилина позволяет с достаточной точностью определять глубину протаивания, но завышает глубину промерзания. Объясняется это, в частности, конвекцией холодного воздуха в пространстве между резиновой и текстолитовой трубками. В Якутске мерзлотомеры, установленные в сухих песках, промерзают через 2—3 недели после наступления отрицательных температур воздуха, хотя время смыкания сезонноталого слоя с мерзлой породой не менее 1,5 месяца. Наоборот, в Загорске на протяжении нескольких лет мерзлотомеры давали правильные глубины промерзания суг­ линков.

Кроме криотекстурного, из других косвенных методов опре­ деления глубины промерзания-протаивания чаще применяют тем­ пературный метод. Он менее точен, чем метод непосредственных определений. Это объясняется тем, что температура 0°, по которой судят о промерзании и протацвании, может не соответствовать температуре замерзания пород. При изотермии температура 0° может наблюдаться на значительном интервале глубин, что за­ трудняет определение границы кристаллизации.

Способы расчета глубины промерзания и протаивания пород. Расчеты глубины промерзания и протаивания проводят в следую­ щих основных случаях.

1. При мелиорации участков резко нарушаются поверхност­ ные условия и гидротермический режим пород, поэтому необхо­ димо оценить изменение глубины промерзания и протаивания по сравнению с первоначальными естественными условиями.

2. В экспедиционных условиях чаще всего измеряют глубину протаивания в определенный год и не обязательно в конце лета,

6 0

ют инженеров при решении таких задач, в которых требуется опре­ делить глубину протаивания на определенный момент времени.

Первая формула для расчета промерзания влажных пород, имеющих начальную температуру 0°, была получена Заалъппотцем в 1862 г. В литературе эта формула пользуется широкой известностью как формула Стефана. Вывести ее можно следующим образом. Примем, что поверхность пород имеет постоянную тем­ пературу tn, температура промерзающего слоя в каждый момент времени изменяется с глубиной по линейному закону (т. е. сохра­ няется принцип квазистационарности). При этом допущении коли­ чество тепла, отводимое за время dx от границы промерзания

через промерзший слой, определится законом Фурье dQ1 =

где Ям — коэффициент теплопроводности мерзлой породы, | — глубина промерзания. Равное количество тепла выделится поро­ дой при промерзании dQ2 = LW cyCKdl,- где L — теплота таяния

на замерзание единицы объема пород, обозначим через @ф. Тогда получим следующее выражение для определения глубины про­ мерзания (формула Стефана):

Эта формула приближенная. В ней, в частности, не учитывается влияние внешнего теплообмена и теплообмена мерзлого слоя

сглубжерасположенными талыми породами. Тем не менее она

ив настоящее время нередко применяется в инженерной практике для ориентировочных расчетов.

Более точные данные о продвижении границы раздела фаз с учетом выделения теплоты кристаллизации были получены членами Российской Академии наук Ляме и Клайпероном в 1831 г. Они решали задачу о затвердевании первоначально расплавлен­ ного однородного земного шара при нулевой температуре на по­ верхности. Позднее, в 1889 г., австрийский математик Стефан получил трансцендентное уравнение для определения закона дви­ жения границы раздела фаз в среде с постоянной начальной температурой п постоянной температурой противоположного знака на поверхности. Оно считается классическим решением задачи о промерзании.

61