Файл: Общее мерзлотоведение..pdf

Рис. 28. Реальное температурное поле горных пород при го­ довых колебаниях температуры (район г. Мирного).

где Хти Хм — коэффициенты теплопроводности талых и мерзлых пород; tT и £м —■температура в талой и мерзлой зонах; <2ф— затраты тепла на фазовые превращения единицы объема породы; ? — глубина протаивания или промерзания горных пород. Левая часть равенства (VI.9) представляет собой разность тепло­ вых потоков — приходящего к границе раздела и проходящего ее. Поглощаемое на границе количество тепла затрачивается на за­ мерзание или оттаивание горных пород, следовательно, вызывает

8 Заказ № 101

ИЗ

dl

движение границы со скоростью ~ , что и выражается правой

частью равенства (VI.9), которое можно написать иначе:

Ут Ум — I

где qTи дм — потоки тепла на границе раздела фаз в талой и мерз­ лой зонах; — скорость движения границы раздела фаз. Если ут= Ям, то £' =0, т. е. граница раздела мерзлых и талых пород не движется. Режим, характеризующийся постоянством потока тепла в разных точках среды, называется стационарным. По ана­ логии мерзлые горные породы, у которых граница раздела с та­ лыми породами неподвижна во времени, называются стационар­ ными мерзлыми горными породами.

Мерзлые породы со стационарным режимом очень широко распространены. Своим существованием они обязаны малой из­ менчивости условий, определяющих температуру поверхности и внутриземной поток тепла. Изменения температуры поверх­ ности (не считая годовых и короткопериодных) происходят очень медленно и имеют небольшую амплитуду. В этих условиях гор­ ные породы, содержащие небольшое количество воды, способны достаточно быстро протаивать, промерзать и приводить свой тепловой режим в соответствие с изменившейся обстановкой. Эти изменения ниже точности измерений определяющих пара­ метров мерзлых горных пород, поэтому в течение длительного времени их считают постоянными, стационарными.

Мерзлые породы стационарного режима обычно представлены плотными слаботрещиноватыми осадочными и кристаллическими, в том числе изверженными, породами.

Рассмотрим основные закономерности температурного поля мерзлых горных пород в стационарном режиме.

При стационарном режиме температура однородных горных пород линейно увеличивается с глубиной:

где tu — температура пород на глубине затухания годовых коле­ баний температуры; q — тепловой поток из недр Земли.

Отсюда мощность зоны мерзлых пород

Как видим, она зависит от температуры пород в основании слоя с годовыми колебаниями, называемой средней годовой темпера­ турой горных пород, внутриземного потока тепла и коэффици­ ента теплопроводности горных пород.

Чем ниже средняя годовая температура мерзлых пород, тем больше мощность мерзлой зоны (рис. 29,а). Изменение темпера­ туры в 2 раза приводит к соответствующему изменению мощности

114

а6

мерзлой зоны во столько же раз. Мощность зоны мерзлых пород меньше в тех районах, в которых тепловой поток выше (см. рис. 29, б). В более плотных и, следовательно, более теплопро­ водных горных породах формируется мерзлая зона большей мощ­ ности.

Осадочные комплексы горных пород часто характеризуются слоисто-однородной текстурой. В этом случае и при горизонталь­ ном их залегании температурное поле и мощность зоны мерзлых пород будут определяться свойствами и толщиной каждого слоя и их количеством. Температура на глубине z от дневной поверх­ ности в т-ш слое

m—1

терма 0°, можно рассчитать мощность мерзлой зоны по формуле

Например, если под покровом рыхлых отложений, мощность ко­ торого h, залегает однородная толща плотных осадочных пород, то мощность мерзлой зоны

K = - t n ^ - K h (£

115

Так как А,]<^А,2 и , следовательно, 1 > j-1, то выражение в скобках

положительно. Поскольку первое слагаемое справа опреде­ ляет мощность мерзлой зоны при отсутствии рыхлого покрова, из формулы видно, что при его наличии мощность мерзлой зоны уменьшается тем больше, чем больше толщина этого покрова и чем ниже его теплопроводность. Уменьшение мощности мерзлой зоны под влиянием покрова рыхлых отложений не зависит ни от температуры пород, ни от теплового потока. Рыхлые поверх­ ностные отложения оказывают отепляющее влияние на нижеле­ жащие горные породы. При этом влияние преимущественно гли­ нистых отложений сильнее, чем песчано-гравийных (при отсут­ ствии в последних конвективного теплообмена).

Прослеживается отчетливая связь между возрастом геологи­ ческих образований, геологическим строением регионов и глу­ биной их промерзания.

Рассматривая эти положения в самом общем виде, можно кон­ статировать, что с увеличением степени диагенеза и метаморфизма пород, как правило, величина их теплопроводности будет воз­ растать. И наоборот, обычно рыхлые или слабо уплотненные от­ носительно молодые породы имеют наименьшие величины тепло­ проводности. Выявлено, что древние кристаллические щиты об­ ладают пониженным теплопотоком по сравнению, например, с от­ носительно молодыми наложенными межгорными впадинами, в которых величины теплового потока обычно выше. Промежу­ точное положение в этом отношении занимают платформенные области.

Подобное соотношение теплопроводности горных пород и теп­ ловых потоков приводит к тому, что максимальные глубины промерзания отмечаются в пределах древних кристаллических щитов, тогда как в межгорных впадинах при прочих равных условиях величины мощности мерзлой зоны оказываются зна­ чительно меньшими. Платформенные области занимают в этом отношении промежуточное положение.

Отмеченные закономерности свидетельствуют об активной роли геологических факторов в формировании мерзлой зоны горных пород в различных природных условиях.

Анализ температурного режима и мощности мерзлой зоны. Основывая анализ температурного режима и мощности зоны мерзлых пород на формулах (VI.10) и (VI.11), мы полагали, что температурное поле одномерно, т. е. во всех точках тепловой поток направлен строго вертикально к поверхности. Это самый простой случай, но не самый распространенный в природе. Как правило, температурное поле горных пород трехмерно, а тепло­ вой поток имеет вертикальную и горизонтальные составляющие. Это означает, что нижней поверхности зоны мерзлых пород свой­ ственна сложная конфигурация.

116

Двух- и трехмерность температурного поля обусловливается, во-первых, изменениями средней годовой температуры мерзлых пород по территории, во-вторых, холмистым или горным рель­ ефом, в-третьих, неоднородностью состава и свойств пород по про­ тяженности, в четвертых, локальными очагами, выделяющими или поглощающими тепло, и, наконец, составом, минерализацией и скоростью движения подземных вод. Это — главные и наиболее распространенные факторы, определяющие морфологию нижней поверхности мерзлой зоны.

Совершенно очевидно, что под соседними участками, имею­ щими разную температуру поверхности, мощность мерзлых по­ род неодинакова (рис. 30). Ее величина на каждом участке не пропорциональна температуре поверхности из-за взаимного теп­ лового влияния соседних участков друг па друга, которое при­ водит к перераспределению плотности теплового потока, посту­ пающего из глубины. Вектор теплового потока отклоняется в сто­ рону наиболее охлажденных участков поверхности. Под охлаж­ денными участками плотность теплового потока увеличивается, а под более теплыми уменьшается. Перераспределение теплового потока таково, что он стремится снивелировать нижнюю поверх­ ность мерзлых пород, повышая ее над холодными участками и понижая под теплыми. Если различия темпе; атуры поверх­ ности невелики и охватывают участки небольшой площади, то неоднородность температурного поля быстро затухает с глу­ биной. Нижняя поверхность мощной мерзлой зоны не реаги­ рует на такие различия, и ее положение определяется средней температурой поверхности на большой площади.

Рассмотрим теперь влияние рельефа на морфологию мерзлой зоны. Оно связано с тем известным фактом, что тепловой поток всегда приходит к поверхности перпендикулярно ей, если она изотермическая. При постоянстве средней годовой температуры на всех элементах рельефа перераспределение теплового потока в горных породах приводит к увеличению его плотности под доли­ нами и уменьшению под водоразделами. На рис. 31 пред­

ными формами рельефа и разрежение их под положительными. В результате под долинами формируется зона мерзлых пород пониженной мощности, а под водоразделами, наоборот, аномально повышенной. Нижняя поверхность мерзлой зоны в сглаженном виде повторяет форму рельефа. При небольшой мощности мерз­ лой зоны на положение нижней поверхности оказывают влияние и мелкие, и крупные формы рельефа. По мере увеличения мощ­ ности мерзлой зоны влияние мезо- и микроформ рельефа исче­ зает тем быстрее, чем меньше их относительное превышение и про­ тяженность. Средняя мощность зоны мерзлых пород в горном районе, характеризуемом правильным чередованием параллель­

117