Файл: Общее мерзлотоведение..pdf

влаги и пучения наибольшая, когда в глинистой фракции содер­ жатся минералы группы каолинита, а обменные катионы представ­ лены Н-ионамн или многовалентными катионами, которые ока­

зывают агрегирующее действие и улучшают капиллярные свойства породы.

В опытах 3. А. Нерсесовой с образцами глуховецкого каолина, насыщенного различными катионами, удалось проследить влияние активной поверхности на интенсивность миграции. В результате промораживания в условиях открытой системы, т.е. с возможностью подтока воды, в образцах каолина с многовалентными обменными катионами и Н-ионом наблюдались интенсивная миграция влаги

исегрегационное льдообразование (см. рис. 4, б).

Вверхней части образца Fe-каолина образовались прослойки чистого льда, суммарная влажность нижележащего слоя превы­ шала 400%; в образцах Н- и Са-каолина также формировались

прослойки сегрегационного льда, но несколько меньшей мощности; суммарная влажность подстилающего слоя составляла 180—230%; в образцах каолина, насыщенных катионами Na и К, образовались тонкие прослойки льда, но преимущественно вследствие перерас­ пределения содержавшейся в образцах воды.

Как следует из данных табл. 1, дисперсность и водные харак­ теристики каолина не изменялись при различном составе обмен­ ных катионов, но капиллярные свойства отражали их влияние. Очевидно, отмеченные особенности миграции влаги и льдообра­ зования были обусловлены' различной активной поверхностью образцов. При этом активные центры поверхности — обменные катионы — оказывали влияние не только на интенсивность сегре­ гационного льдообразования, но и на структуру льда.

Сложение и плотность породы определяют ее капиллярные свойства, т. е. пути миграции влаги. Существует критическое зна­ чение плотности, соответствующее максимальной интенсивности миграции воды, льдовыделения и пучения.

Скорость промерзания наряду со скоростью подтока влаги является одним из основных факторов, определяющих интенсив­ ность миграции влаги, толщину ледяных включений и интерва­ лов между ними. Для тонкодисперсных горных пород существует оптимальная скорость промерзания, которая зависит от состава, сложения и влажности породы. Е.А. Втюрина считает, что это та скорость, при которой интенсивность кристаллизации слабосвя­ занной воды соответствует максимально возможной интенсивности ее миграции. В работах зарубежных исследователей последних десятилетий (Лоу, Пеннер, Уинтеркори, Юмикис и др.) также признается большое значение минералогического состава и фи­ зико-химических особенностей тонкодисперсных горных пород для процессов миграции влаги и пучения при промерзании [18, 19]. Вместе с влагой в промерзающих породах перемещаются раство­ римые в ней соединения, что сопровождается химическими реак­ циями обмена, растворения и др.

41

Миграция воды происходит не только в промерзающих тонкодисиерсных породах, но и в мерзлых, что доказано опытами А. А. Лнаняна по электроосмосу в мерзлой глине и наблюдениями И. А. Тютюнова в природных условиях. При этом, как указывает II. А. Цытович, движение пленок незамерзшей воды начинается лишь при определенной величине температурного градиента.

Коагуляция и агрегирование. В процессе промерзания тонкодисперснкх горных пород возникает коагуляция их коллоидной фракции и агрегирование. Специальными лабораторными опы­ тами показано отчетливо выраженное агрегирование некоторых грунтов и глин в результате их промерзания в условиях «открытой системы».

При замерзании водонасыщенных тонкодисперсных пород ко­ агуляции и агрегированию способствуют компрессионные про­ цессы, обусловленные образованием льда.

И. А. Тютюнов [14] связывает пылеватость, характерную для тонкодисперсных пород северных районов, с необратимой коагу­ ляцией и агрегированием их глинистой и коллоидной фракций при промерзании. А. И. Попов [15], признавая агрегирование глинистых частиц специфическим процессом криолитогенеза, все-таки основную роль отводит дезинтеграции пород и механи­ ческому разрушению. Согласно А. И. Попову, криолитогенез как особый тип литогенеза, свойственный зонам охлаждения земли, включает криогенный диагенез и криогенное выветривание. Крио­ генному диагенезу присущи следующие физические процессы: миграция рыхлосвязанной воды к фронту промерзания и обезво­ живание, уплотнение и внутриобъемное сжатие минеральных аг­ регатов. Особенностями криогенного выветривания являются дезынтеграция плотных пород до вторичного пылеватого про­ дукта выветривания вследствие процессов сезонного промерзания и оттаивания и механическое разрушение пород в результате замерзания свободной воды, циркулирующей в трещинах.

Однако криогенное выветривание не ограничивается процес­ сами физического выветривания. Как было показано И. А. Тютюновым, в мерзлых тонкодисперсных горных породах протекают реакции обмена между минеральным скелетом и соединениями, растворенными в незамерзшей воде, т. е. процессы химического выветривания.

Физические процессы при оттаивании. При оттаивании тонко­ дисперсных мерзлых пород ослабляются и разрушаются цемента­ ционные связи. Часть воды, образующейся при таянии льда, идет на гидратацию обезвоженных при замерзании частиц и их агрегатов и на набухание, часть остается в виде капиллярной воды, остальная масса воды перемещается под действием гравита­ ционных сил. Одновременно происходит уплотнение породы за счет отжатия воды и уменьшения пористости.

В природных условиях уплотнение при оттаивании преобла­ дает над набуханием и приводит к осадкам и просадкам.

42

Г л а в а I V

СЕЗОННОЕ ПРОМЕРЗАНИЕ И ПРОТЛИВАНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД

С е з о н н о е п р о м е р з а н и е представляет собой про­ мерзание горных пород, средняя годовая температура которых выше температуры замерзания ts (£3<l0o); происходит оно вслед­ ствие теплопотерь горных пород за зимний период. Сезоннопромерзающий, или сезонномерзлый, слой подстилается всегда не­ мерзлыми породами. Мощность сезонномерзлого слоя обычно меньше возможной глубины оттаивания за летний период. Поэтому

вэтот период сезонномерзлый слой полностью оттаивает.

Вотдельные годы могут наблюдаться существенные измене­ ния в условиях промерзания н оттаивания горных пород. В част­ ности, в малоснежные зимы промерзание может быть настолько значительным, что-промерзший слой не успевает за лето полностью оттаять. Если аномально интенсивное охлаждение пород происхо­ дит из года в год, начинается многолетнее промерзание земной коры и образуется мерзлая зона литосферы с температурой ниже темпе­ ратуры замерзания.

Влетний сезон мерзлые породы протаивают на некоторую глубину. С е з о н н о е п р о т а й в а н и е представляет собой протаивание мерзлых пород, средняя годовая температура которых ниже температуры замерзания; происходит оно вследствие теплоприходов в горные породы за летний период. Сезоннопротаи-

вающий, или сезонноталый, слой всегда подстилается мерзлыми породами. Мощность сезонноталого слоя обычно меньше возмож­ ной (потенциальной) глубины промерзания за зимний период. Лишь у южной границы мерзлой зоны мощности сезонноталого слоя и возможные глубины промерзания постепенно сближаются. Даже в самых северных районах с мерзлыми породами природные условия обеспечивают сезонное протаивание пород. Так, на Земле Франца-Иосифа протаивание на конец лета достигает глубины

40 см.

Получить представление о возможной глубине сезонного про­ мерзания в районах мерзлой зоны можно только в том случае, если мерзлые породы залегают глубоко или совсем отсутствуют (т. е. имеется талик). В некоторых районах мощность слоя сезон-

44

ного промерзания достигает 4—5 м. Однако чаще всего слой зим­ него промерзания оказывается значительно меньшим, так как через некоторое время после начала промерзания он смыкается с мерзлыми породами.

Сезонноталый слой промерзает как сверху, так и снизу. В боль­ шинстве районов с резко континентальным климатом промерза­ ние снизу составляет незначительную долю. Только в условиях морского климата, когда промерзание сверху протекает относи­ тельно медленно, промерзание снизу можно сравнивать с промер­ занием сверху.

Слой сезонного промерзания и протаивания (деятельный слой) является наиболее термодинамически активным слоем горных пород в отношении суммарных годовых теплооборотов. Г о д о ­ в ы м т е п л о о б о р о т о м называют, по М. М. Крылову, полу­ сумму прихода-расхода тепла, которое поступает в породы за весь теплый период и выделяется ими за холодный. Суммарные годовые теплообороты в породах слагаются из изменения их тепло­ содержания, расхода тепла на испарение (или приход тепла с осад­ ками), затрат тепла на таяние (замерзание) поровой влаги.

Деятельный слой имеет исключительно важное значение в прак­ тической деятельности человека, Процессы, происходящие в нем, оказывают существенное влияние на устойчивость промышлен­ ных и гражданских зданий, коммуникационных сетей, дорожных магистралей. Особенности деятельного слоя отражаются на от­ крытых горных работах, а также в гидротехническом строи­ тельстве.

Теплофизическая сущность сезонного промерзания и протайванпя горных пород. Промерзание и протаивание влажных гор­ ных пород неразрывно связано с движением границы (или неко­ торой зоны) кристаллизации поровой влаги.

При промерзании крупнозернистых пород влага замерзает при температуре около 0°, образуется граница промерзания, разделяющая мерзлый и талый слой.

Скорость продвижения границы промерзания (называемой также фронтом промерзания) в первые 1—2 месяца с момента перехода температура воздуха от положительных значений к от­ рицательным близка к постоянной. Затем она резко уменьшается. В последние месяцы зимы глубина промерзания практически не изменяется во времени. Наибольшая глубина, на которую про­ мерзает порода за зимний сезон, называется глубиной сезонного промерзания.

Во многих работах содержится предположение, что при промерзании крупнозернистых пород, в которых пленочной влаги практически нет, вода полностью кристаллизуется на месте; тем самым отрицается перемещение (миграция) влаги к фронту промерзания. Однако исследования последних лет, в частности Л. В. Чистотинова на гаммаскопической установке в Институте мерзлотоведения СО АН СССР, доказали возможность миграции

45

парообразной влаги к фронту промерзания в песках. С увеличе­ нием влажности сверх полной влагоемкости начинается движение влаги в обратном направлении (отжатое).

Процесс промерзания тонкодпсперсных пород протекает ина­ че. В них при отрицательных температурах всегда содержится незамерзшая вода. Чем ниже отрицательная температура пород, тем большая часть воды в них превращается в лед. При промер­ зании тонкодисперсных пород образуется зона промерзания (слой, в котором происходят значительные фазовые превращения воды), разделяющая полностью промерзшей и талый слон. Верх-

няя часть промерзшего слоя представляет сооои твердомерзлую породу, в которой замерзла вся свободная вода и значительная часть рыхлосвязанной воды, нижняя часть (слой льдовыделения, по М. II. Гольдштейну)— пластичномерзлую породу, в которой замерзла только свободная вода. Нижняя граница зоны промерза­ ния, названная М. Н. Гольдштейном фронтом льдообразования, со­ ответствует появлению кристаллов льда и определяется темпера­ турой замерзания грунта t3, верхняя граница — ориентировочно температурой —1° для суглинков и —1,5° для глин.

В процессе промерзания увлажненной тонкодисперсной по­ роды влага из талого слоя подтягивается к фронту льдообразо­ вания и частично перемещается (мигрирует) в зону промерзания. Миграционный поток в эту зону может достигать 30—50% от сум­ марного потока, поступающего к фронту льдообразования. В ре­ зультате миграции влаги вблизи подвижной границы льдообра­ зования влажность пород понижается до некоторого критического значения WKр (рис. 5, а), тем самым образуется тонкий обезвожен-

46