Файл: Втюрина, Е. А. Криогенное строение пород сезонно протаивающего слоя.pdf

в подзоне СТС с трехчленным сложением. Севернее геоизотермы -5° маркирующей для нижнего горизонта является атакситовая криотексту­ ра. Однако для более точного определения мощности слоя криотекстурным методом необходимо знать среднюю мощность его нижнего гори­ зонта, поскольку криотекстура его нередко весьма сходна с текстурой верхней части мерзлой толщи. По имеющимся данным, мощность ниж­ него горизонта с атакситовой криотекстурой 4-7 см. Следовательно, при четырехчленном и двучленном шлирово-атакситовом криогенном сложении слоя нижняя поверхность его лежит на 4-7 см ниже положе­ ния поверхности горизонта с атакситовой криотекстурой. Большей мощ­ ности нижний горизонт слоя при атакситовой текстуре его пород мо­ жет достигать на арктических островах, где температура ММП ниже -10 . Но данных об этом нет. При трехчленном эакономерно-чередую- щемся сложении СТС маркирующим является нижний шлировый гори­ зонт. Но криотекстура верхней части ММП нередко сходна с криотек­ стурой нижней части СТС. Поэтому для определения мощности СТС при трехчленном криогенном сложении необходимо знать возможную в данных условиях мощность его нижнего шлирового горизонта. Как ука­ зывалось, при естественной влажности пород СТС она зависит в основ­ ном от интенсивности охлаждения снизу, показателем которой может служить температура ММП. Имеющиеся данные позволяют указать сле­ дующую величину его в зависимости от температуры ММП.

Следовательно, нижняя поверхность СТС в зависимости от темпера­ туры ММП находится на расстоянии от 1-2 до 15-20 см ниже поверх­ ности нижнего шлирового горизонта, имеющего обычно слоистую или сетчато-слоистую криотекстуру. Ошибка определения мощности СТС при четырехчленном и двучленном шлирово-атакситовом криогенном

сложении не превышает 2-3 см, т.е. 5-10%, а при трехчленном 5-10 см, т.е. также примерно 5-10%. Большинство расчетных методов дают меньшую точность определения мощности СТС.

Основным преимуществом расчетных методов определения мощности СТС по сравнению с методом экстраполяции (Тумель, 1945 и др.) и даже натурными определениями считается возможность прогноза ее изменений с изменением природных условий. Знание закономерностей криогенного строения СТС позволяет повысить точность такого прог­ ноза. Увеличение мощности СТС происходит в результате протаивания самой верхней части ММП, обычно сингенетической. Криотекстура ее близка к текстуре нижнего горизонта СТС. Поэтому знание криотек­ стуры и льдистости пород нижнего горизонта СТС позволяет точнее рассчитать величину смещения его границы при изменении природных' условий.

109

Рассчитывать приращение мощности СТС следует с учетом осред—' ненных теплофизических и влажностных характеристик не только СТС, но и верхней части ММП. По осредненным характеристикам СТС мож­ но подсчитать лишь тепловой поток к его нижней поверхности при из­ менении условий. Для расчета же увеличения его мощности необходи­ мо знать теплофизические характеристики верхней части мерзлой тол­ щи или нижнего горизонта слоя, существенно отличные от средних по СТС. Даже в южных районах, как указывает П.Н.Каптерев (1938), льцистость мерзлой толщи нередко в два раза больше, чем СТС. Тем более это касается северных районов. Если изменение условий ведет к уменьшению СТС, для прогноза его будущей мощности также необ­ ходимо знание криогенного строения слоя. В этом случае для расче­

тов следует брать значения влажности и льдистости СТС: а) несколь­ ко меньше средних для него значений при первоначальных условиях, если слой имеет трех- и четырехчленное криогенное сложение и дву­ членное шлирово-атакситовое, б) увеличить немного их значения при шлирово-массивном сложении слоя, соответственно изменив значения теплофизических характеристик. В первом случае сокращение мощно­ сти слоя ведет к исключению из его состава наиболее льдистого ниж­ него горизонта или части его, и следовательно, уменьшению средней влажности слоя, во втором - к некоторому увеличению ее, поскольку исключается слабовлажный массивный горизонт или часть его. Это необходимо учитывать при расчетах, независимо от того, какой будет влажность слоя после протаивания в новых условиях. Это своего рода первый этап прогноза изменения мощности СТС. Затем необходимо раосчитать мощность СТС в новых условиях, приводящих нередко к изме­ нению также криогенного сложения СТС, влажности его пород. Изме­ нение мощности СТС может существенно повлиять на его состав и сложение. При увеличении мощности СТС в его составе могут бказаться породы, резко отличные от слагающих его ранее, например, грубодисперсные иди торф при супесчано-суглинистом составе СТС до на­ чала изменений или наоборот. Это неизбежно скажется на криогенном строении и свойствах пород СТС. Закономерно-чередующееся криоген­ ное сложение может смениться незакономерно-чередуюшимся с соот­ ветствующим изменением влажности и льдистости нижнего горизонта

исредних по СТС. При уменьшении мощности СТС может наблюдаться

иобратная смена подклассов сложного криогенного сложения и даже смена его простым. Кроме того, необходимо учитывать диапазон воз­ можных изменений температуры ММП, поскольку она предопределяет режим промерзания (одностороннее, двухстороннее) и характер крио­ генного сложения СТС. При существенных изменениях температуры ММП меняется характер закономерно-чередующегося криогенного сло­ жения СТС даже без изменения состава его пород. Все это влияет на мощность СТС и должно учитываться при прогнозе ее изменений.

Тесная связь между характером сложного закомерно-чередующего- ся криогенного сложения СТС и температурой подстилающих ММП поз­ воляет приближенно оценить данную температуру по особенностям криогенного строения СТС. Это также имеет большое практическое

110

значение, особенно если учитывать, что температура ММП довольно изменчива в пространстве, а глубоких скважин, специально оборудован­ ных для температурных наблюдений, не так уж много. Изучение крио­ генного строения СТС в этом случае позволяет несколько детализи­ ровать представление о температуре мерзлых толщ исследуемого района.

Изучение криогенного строения СТС позволяет определить участки, наиболее опасные в отношении солифлюкционного смещения, оплывания и просадок грунтов при изменении природных условий. К ним относят­ ся, прежде всего, участки СТС со шлирово-атакситовым двучленным и четырехчленным криогенным сложением и участки с наличием круп­ ных масс подземных льдов.

Знание основных закономерностей криогенного строения СТС поз­ воляет в какой-то мере предугадывать динамику и относительную ве­ личину пучения грунтов при промерзании. Как известно, пучинистыми считаются породы, увеличивающие свой объем при промерзании более чем на 9%, т.е, более, чем на величину объемного расширения свобод­ ной воды при переходе в лед. Пучение промерзающих пород более чем на 9% связано в основном с сегрегационным и сегрегационно—цемент­ ным льдообразованием. Поэтому интенсивность и закономерности про­ явления данных типов льдообразования в породах СТС неизбежно долж­ ны предопределять интенсивность и особенности режима пучения дан­ ных пород при промерзании. Исходя из особенностей криогенного строе­ ния СТС, можно высказать следующие соображения о возможном ре­ жиме морозного пучения пород СТС при разных геокриологических ус­ ловиях. На участках со шлирово-массивным сложением СТС оно про­ является в основном в начальный период промерзания продолжитель­ ностью около 1-1,5 месяца, когда формируется верхний шлировый го­ ризонт. Это подтверждается наблюдениями В.О .Орлова (1962) в районе г. Игарки. СТС экспериментальной площадки сложен пылеватыми супе­ сями и суглинками, средней влажностью 34-36% при влажности предела текучести от 34,9 до 42,5% и предела раскатывания от 21,4 до 27,1%. Некоторые различия в составе и влажности пород обусловили неодно­ родность пучения в разных точках площадки. Однако по всем 30 точ­ кам максимум пучения приходится на октябрь - первую половину ноября.

В подзоне трехчленного закономерно-чередующегося криогенного сложения СТС с более поздним началом промерзания пород снизу, чем сверху, режим пучения пород сходен с вышеописанным, но несколько растянут во времени. По нашим наблюдениям в районе г. Воркуты в 1962-1963 гг., на участках пятнистой тундры, где температура ММП около -1,0° -1,5 , промерзание СТС снизу начинается на 1-1,5 месяца позднее, чем сверху. За это время успевает сформироваться верхний шлировый горизонт, обусловливающий довольно интенсивное пучение. По данным А.В.Голубева за 1954 г., на таких участках к середине но­ ября пучение наибольшее и достигает 80 мм. Формирование нижнего шлирового горизонта, во времени сменяющее формирование верхнего, удлиняет период пучения. Оно продолжается до конца ноября и, по дан­

ным А .В.Голубева, увеличивает общую величину пучения пород на 3-4 мм.

111

Таким образом, более позднее начало промерзания СТС снизу, чем сверху, не увеличивает интенсивность пучения, но несколько удлиняет его период и общую величину, по сравнению с более южной подзоной.

Максимальная интенсивность пучения в этой подзоне приходится на на­ чало периода промерзания.

В северной части подзоны с тем же основным типов криогенного сложения СТС, но при условии одновременного начала промерзания его сверху и снизу, пучение при промерзании пород идет более интенсив­ но и более неравномерно во времени. Максимальной интенсивности оно достигает в первый месяц промерзания, когда идет одновременное фор­ мирование шлировой криотекстуры в верхнем и нижнем горизонтах СТС. Позднее при формировании массивной криотекстуры в среднем горизон­ те пучение пород должно вообще прекращаться.

В подзоне четырехчленного сложения СТС с началом промерзания пород снизу развивается и процесс их пучения. Через одну-две неде­ ли в зависимости от разницы во времени между началом промерзания слоя снизу и сверху интенсивность пучения резко возрастает. Пучение за счет льдообразования в нижнем горизонте усиливается сегрегацион­ ным льдообразованием в верхнем горизонте слоя. Позднее, через 1-2 недели, оно или совсем прекращается, или проявляется весьма незна­ чительно.

Наиболее интенсивное пучение пород СТС при промерзании должно быть свойственно северной подзоне со шлирово-атакситовым сложени­ ем. Здесь оно продолжается весь период промерзания слоя при макси­ мальной интенсивности в середине периода, когда промерзание пород снизу начинает сочетаться с промерзанием их сверху.

Таким образом, по динамике и интенсивности пучения супесчано­ суглинистых пород СТС при промерзании область его распространения можно разделить на пять зон: 1) зона наименее интенсивного пучения, наблюдающегося только в начальный период промерзания. Занимает юж­ ную часть области СТС, где промерзание пород одностороннее и слой имеет шлирово-массивное криогенное сложение; 2) зона интенсивного пучения промерзающих пород на протяжении большей части периода их промерзания. Расположена севернее первой, ограничена геоизотермами -0,5 и -4 . Промерзание пород слоя двухстороннее с более поздним началом промерзания снизу. Сложение слоя трехчленное; 3) зона очень интенсивного пучения пород в начальный период промерзания при отсут­ ствии его во второй половине .периода. Ограничена геоизотермами -4 и -5 . Промерзание СТС двухстороннее с одновременным началом свер­ ху и снизу. Сложение слоя трехчленное; 4) зона интенсивного пучения пород слоя в начале периода промерзания, очень интенсивного в сере­ дине его и практического отсутствия его в конце периода. Расположе­ на к северу от геоизотермы -5 . Промерзание слоя двухстороннее с более ранним началом промерзания снизу; сложение слоя четырехчлен­ ное; 5) зона очень интенсивного пучения практически на протяжении всего периода промерзания слоя. Занимает самую северную часть об­ ласти. Промерзание слоя двухстороннее с более ранним началом про­ мерзания снизу. Криогенное сложение двучленное шлирово-атаксито-

вое. Положение названных зон показано на составленной нами схемати­

112