Файл: Общее мерзлотоведение..pdf

Рис. 95. Карта равных сопротивлений горных пород промышленной пло­ щадки и прилегающей территории.

Неслявающаяся мерзлая' зона, глубина залегания мерзлых пород: 1 — не более 10 м (рк <50 Ом-м); 2 —5—10 м (рк от 50 до 150 Ом-м); 3—3—5 м (рк от 150 до 300 Ом-м).

Сливающаяся мерзлая зона: 4 — высокотемпературные мерзлые породы, залегающие на глубине 0,5 — 3 м (рк от 300 до 1000 Ом-м); 5 —низкотемпературные высоко льдистые

мерзлые породы (рк >1000 Ом-м); в —талики внутри мерзлой зоны (межмерзлотные);

7 — перелеток; 8 — скважина (цифра — глубина залегания мерзлых пород); 9 — точ­ ка ВЭЗ (цифра—то же). Римскими цифрами обозначены линии электропрофилирования.

ванием, либо использование конструкций, способных выдержать последующие неравномерные осадки. На рис. 96 приведены ти­ пичные кривые ВЭЗ. По этим кривым можно определить мощности протаявшей части сезонноталого слоя, мерзлых рыхлых отложе­ ний и глубины залегания нижней границы мерзлой зоны, мощ­ ности талика и слоя зимнего промерзания под таликом (рис. 97). Часть перечисленных выше задач решается и другими геофизи­ ческими методами. С помощью сейсморазведки производится опре­ деление глубины залегания верхней границы мерзлой зоны, мощ­ ности мерзлых рыхлых отложений, в частных случаях — уста­ новление положения нижней границы мерзлых пород. Сейсмоакустические методы эффективны для изучения физико-механи­ ческих свойств мерзлых рыхлых отложений [10, 11]. Мощность мерзлых рыхлых отложений, если она достаточно велика, может быть определена с помощью гравиметрии. Существенна роль гео­ физики при исследовании разреза скважин, особенно пройденных с малым выходом пли без отбора керна. С ее помощью определяют положение границ талых и мерзлых пород, детали литологического строения, распределение льдистости, влажность, плотность, мо­ дуль Юнга, коэффициент Пуассона и другие характеристики мерзлых горных пород.

276

предполагается обязательная увязка геофизических данных с результатами общей мерзлотной съемки и определенное число опорных и заверочных скважин.

Геотермические исследования. Целью геотермических иссле­ дований является определение теплового режима и пространст­ венного размещения мерзлых пород, выявление динамики и направления развития мерзлой зоны. Они базируются на изме­ рениях температуры, тепловых потоков и теплофизических свойств горных пород как в мерзлой, так и в талой зоне. Геотермические исследования бывают региональными и стационарными.

П р и р е г и о н а л ь н ы х и с с л е д о в а н и я х изучают температурное поле и мощность мерзлых пород в разных физикогеографических, геоморфологических, геологических и климати­ ческих условиях. С их помощью устанавливаются границы рас­ пространения мерзлых пород, их монолитность или прерывистость, средняя температура мерзлых пород и градиент температуры, мощность мерзлой зоны и ее изменение на исследуемой площади.

во времени в ходе годовых и многолетних колебаний температуры, динамики процессов промерзания и протаивания, определения

температуры поверхности почвы и условий ее формирования в ходе тепло- и влагообмепа с атмосферой. По мере необходимости они дополняются комплексом теплобалансовых, микроклиматических и теплофпзпческих исследований.

Оба вида исследований проводятся в полевых условиях и пред­ полагают наличие скважин, шахт, штолен и других горных вы­ работок. Наиболее благоприятны для геотермических нсследо-

Рис. 97. Кривая ВЭЗ над открытым таликом.

1 .— отложения верхнего плейстоцена и голоцена (галька и пе­ сок с небольшой примесью ила); 2 — межледниковые верхне­ плейстоценовые отложения (галька с песком и глиной); 3 — нижнеплейстоценовые отложения (глина с галькой); 4 —• верх­ няя граница мерзлых пород; а — летний период (28/VIII 1957 г.);

б — зимний период.

ваний буровые скважины. В области распространения мерз­ лых пород измерения температуры в скважинах имеют свою спе­ цифику.

В процессе бурения нарушается тепловой режим горных пород вокруг скважины. Наибольшее его нарушение, вплоть до оттаи­ вания мерзлых пород на значительное расстояние от скважины, имеет место при бурении с жидкими теплыми растворами, а наи­ меньшее — при бурении «всухую».

Восстановление естественного теплового режима в мерзлых породах продолжается более длительное время, чем в талых. Слабо сцементированные силыювлажные породы восстанавливают свой режим 5—10 лет, плотные породы — 3—7 лет, скважины, пробуренные «всухую», выстаиваются за 0,5—2 года.

Для сохранения скважин в рабочем состоянии на длительный период необходимо удалять раствор из зоны мерзлых пород путем откачки, замены его рассолом или соляркой. Лучшим вариантом является консервация сухой скважины.

278

Измерения температуры проводятся с точностью не менее + 0,1° С медными или полупроводниковыми термометрами сопро­ тивления с полной их выстойкой па каждом измеряемом горизон­ те. Полевые геотермические исследования сопровождаются от­ бором кернов, принадлежащих всем литологическим разностям пород, по всей глубине проходки скважины. Теплофизические свойства кернов — коэффициент теплопроводности, теплоем­ кость, объемный вес и степень полного водонасыщения — опре­ деляются в лабораторных условиях. Тепловой поток па разных горизонтах в мерзлой и талой зонах находится расчетным мето­ дом по данным о коэффициенте теплопроводности и градиенте температуры на каждом горизонте.

Геотермические исследования проводятся как для решения собственно мерзлотно-геотермических задач, так и для решения вопросов инженерно-геокриологической съемки. В первом слу­ чае исследованиям подвергаются глубокие скважины, прошед­ шие всю толщу мерзлых пород, с отбором керна и полной лито­ логической характеристикой разреза. Определяются гидрогеоло­ гические и гидрохимические условия подмерзлотных горизонтов, а также поверхностные условия, формирующие температуру мерзлых пород. При инженерно-геокриологической съемке иссле­ дования направлены в основном на получение детальной характе­ ристики температурного поля слоя годовых колебаний темпе­ ратуры и происходящих в этом слое процессов промерзанияпротаивания. Вследствие быстрого изменения здесь геотерми­ ческих условий наблюдения проводятся периодически в течение года.

Вотличие от многих других природных явлений процессы теплопроводности в горных породах строго обоснованы физически

исформулированы математически в виде дифференциальных урав­ нений. Это позволяет привлечь для анализа естественных температурных полей аппарат математики и аналоговых и электронновычислительньтх машин. Теоретическая обработка п физико-математическая интерпретация фактических геотерми­ ческих данных является важным этапом в геотермических иссле­ дованиях.

Всложных природных условиях, характеризуемых много­ сторонностью связей и взаимовлиянием факторов, определяющих тепловой режим горных пород, эмпирически невозможно выде­

лить п проследить влияние отдельного конкретного фактора. Эта задача успешно решается при теоретической обработке данных. Применение математического аппарата позволяет решить и та­ кую важную задачу, как построение температурного поля мерзлых горных пород на большом пространстве по данным геотермических исследований в отдельных точках. Ввиду слабой изученности территории мерзлых пород эта сторона геотермических исследо­ ваний приобретает большое значение для картирования толщ мерзлых горных пород.

Глава XIII

МЕРЗЛАЯ ЗОНА И ХОЗЯЙСТВЕННАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ЧЕЛОВЕКА

Мировая тенденция развития производительных сил все более отчетливо ориентируется на северные территории. И это не слу­ чайно. Действительно, Север — это крупнейший и самый богатый фонд свободных земель. Но вместе с тем Север — это и весьма слабо изученные пространства, таящие в своих недрах уникальные месторождения ценнейших полезных ископаемых. Наконец, Се­ вер — это место обитания многих малых народов, чей быт, уклад

только на Севере, где-то за Полярным кругом, но и на всей гро­ мадной территории Сибири от Урала на западе до побережья Чукотки на востоке человек, осваивая новые районы, неизбежно сталкивается со своеобразием природных комплексов, вызванных наличием мерзлой зоны, широким распространением мерзлых пород, подземных льдов. И результаты взаимодействия человека со сложными природными комплексами во многом определяются уровнем развития мерзлотоведения как науки и степенью исполь­ зования достижений мерзлотоведения в практике. Осветить все многообразные вопросы этой сложной п многогранной проблемы, в той или иной мере затронутые в предыдущих разделах книги, не представляется возможным и не является главным в заключительнох! главе. Здесь можно остановиться лишь на некоторых вопросах естественно-географического и геологического направле­ ния, упуская большинство технических вопросов. При этом имеется в виду, с одной стороны, практика сегодняшнего дня, с другой — перспективы развития мерзлотоведения в связи с об­ щей интенсификацией освоения территории мерзлой зоны.

Разработка рациональных рекомендаций по освоению природ­ ных комплексов на территории мерзлой зоны — одно из главных направлений современного мерзлотоведения.

В этом смысле освоение территории мерзлой зоны приходится рассматривать как взаимодействие двух систем: природный комп-

281

леке — инженерно-технические мероприятия. Основная слож­ ность состоит в том, что наличие мерзлых пород, их высокая льдистость, особенно характерная для покровных отложений северных низменностей, общая суровость климатических условий на большей части этой территории предъявляют особые требования в отношении сохранения или направленного изменения темпера­ турных условий па поверхности Земли. Ничтожные ошибки, которые вне мерзлой зоны остались бы без последствий, в этих условиях приводят подчас к катастрофическим и невосполнимым разрушениям поверхности, растительного покрова, всего природ­ ного комплекса, к развитию нежелательных инженерно-геологи­ ческих процессов, затрудняющих или нарушающих строительство или эксплуатацию инженерных сооружении.

Так, в Якутске за немногим более чем трехсотлетний период освоения территории города температура горных пород понизилась на 3—5°. Казалось бы, условия строительства по принципу сохра­ нения мерзлых грунтов в основании сооружений стали значи­ тельно лучше. Однако наряду с понижением общей температуры непосредственно под многими зданиями возникли глубокие таликовые зоны. Повысилась соленость грунтовых вод деятель­ ного слоя и засоленность самих грунтов, соответственно ухудши­ лась несущая способность последних на многих участках. В целом условия строительства на территории города стали менее одно­ родными и более сложными. Между тем не только строительство городов п поселков, но и вырубка лесов, распашка земель, осу­ шение болот, водно-тепловая мелиорация земель, создание магист­ ральных трубопроводов, линий электропередач неизбежно вызы­ вают изменение теплового баланса поверхности, температуры мерзлых пород, глубины промерзания и в конечном итоге даже приводят к развитию региональных деградационных процессов. Немало тому могут способствовать и попутные явления, связан­ ные с освоением новых районов, такие, как лесные пожары, нару­ шение почвенно-дернового покрова и др. Следовательно, п р о г ­ н о з и з м е н е н и й м е р з л о т н о й о б с т а н о в к и , построенный на основе анализа данных, касающихся мерзлотного строения осваиваемого района и характера инженерных меропри­ ятий,— вот первая задача мерзлотоведа в хозяйственной деятель­ ности по освоению территории мерзлой зоны. Но мало опреде­ лить, что будет с природным комплексом при осуществлении принятых инженерных мероприятий. Прогноз должен содержать и рекомендации для изменения этих мероприятий, если они не обеспечивают оптимального использования природных ресурсов при условии сохранения природных комплексов или их совер­ шенствования. Возможность выдачи такого рода прогнозов и рекомендаций определяется во многом степенью регионального изучепия территории мерзлой зоны. И не только с мерзлотногеологических или инженерно-геологических позиций, но и с точки зрения исследований геотермических, водно-теплового баланса,

282