Лекция 2. Процессы замерзания – таяния горных пород. Свойства мерзлых пород.

Процесс промерзания горных пород - сложный физический и физико-химический процесс. Наиболее характерная его особенность - переход жидкой фазы воды в твердую, в лед при нулевой или отрицательной температуре.

В кристаллических, метаморфических и других плотных породах замерзание не приводит к существенным изменениям их строе­ния. В рыхлых горных породах этот процесс существенно осложняется миграцией воды, неодновременностью замерзания воды разных категорий в тонкодисперсных средах, рядом физико-химических явлений, возникновением механических напряжений, деформа­ций и т. д.

Изменения температуры, приводящие к образованию льда в горных породах, направление и интенсивность теплопотоков в них, вызываются теплообменом между земной корой и атмосферой. Теплообмен возникает под влиянием:

- проникновения в земную кору лучистой энергии солнца, преобразуемой в тепловую и обратного из­лучения из земной коры в атмосферу;

- поступления внутреннего теп­ла Земли к ее поверхности;

- движения тепла, связанного с влагооборотами в системе Земля — атмосфера;

- с фазовыми переходами воды в горных породах,

- вследствие адвективного переноса тепла в атмосфере, создающего в ней конвективные тепловые по­токи.

В горных породах при промерзании и протаивании происходят различные процессы, главнейшими из которых являются следую­щие:

1) охлаждение и нагревание;

2) замерзание, таяние, испаре­ние, конденсация, т. е. фазовые переводы воды;

3) миграция воды, солей, ионов и тонкозернистых минеральных частиц;

4) пучение при промерзании пород и их осадка при оттаивании;

5)объем­ные изменения в мерзлой породе, с которыми связаны внутрен­ние напряжения, разного рода деформации и образование трещин.

Мерзлые горные породы.По агрегатному состоянию в мерзлых породах следует выделять твердую, жидкую и газообразную составляющие.

Твёрдая составляющая включает, главным образом, скелет мерзлых пород и лед.

Скелет мерзлых пород состоит из минеральных и органо-минеральных образований. Состав и строение скелета оказывают суще­ственное влияние на свойства мерзлых пород. При этом состав скелета мерзлых пород принципиально не отличается от скелета не­мерзлых пород.

Лед — важнейшая составная часть мерзлых пород, обусловли­вающая их специфические свойства. Лед - самый низкотемпера­турный из наиболее распространенных породообразующих минера­лов. В мерзлых породах лед находится при температурах, близких к температуре его плавления, в связи с этим по отношению к тем­пературным колебаниям в природе менее устойчив, чем скелет породы. Лед в мерзлых породах можно подразделить на лед, оттаивающий ниже 0° С, и лед, оттаивающий при 0° С.

Жидкая составляющая мерзлых пород представлена незамерзшей водой. Как показывают многочисленные эксперимен­тальные данные, незамерзшая вода в многолетнемерзлых породах может находиться в жидком виде тысячелетиями. Незамерзшая вода в незасоленных породах по своему состоянию соответствует связан­ной воде в немерзлых породах. Как известно, связанная вода в гор­ных породах находится под влиянием поверхностных сил частиц породы. Поэтому она имеет искаженную структуру и по своим свойствам отличается от свободной воды, воды в объеме.

Одной из особенностей связанной воды является понижение температуры ее замерзания, что и обусловливает наличие в мерз­лых горных породах незамерзшей воды при отрицательной темпе­ратуре.

В засоленных породах, кроме связывания воды поверхностными силами частиц, имеется и другая причина незамерзания воды при отрицательных температурах - наличие воднорастворимых соединений.

Количество незамерзающей воды в мерзлых грунтах определя­ется следующими факторами:

1. Характер скелета грунта: величина удельной и активной поверхности, химический и минералогический состав, состав обменных катионов.

2. Содержание и состав воднорастворимых соединений.

3. Внешние факторы: температура и давление.

Незамерзшая вода в мерзлых породах определяет многие их свойства и характер ряда физико-химических процессов:

Газообразная составляющая мерзлых пород представлена водяными парами и воздухом, которые могут находиться в замкну­том и свободном (сообщаться с атмосферой) виде. Содержание водяных паров и воздуха в мерзлых горных породах естественного сложения обычно не превышает 4 -7% (в объемных %)

Классификации категорий воды в мерзлых породах имеют первостепенное значение для понимания их свойств и происходящих в них процессов. Существует много классификаций ви­дов воды в немерзлых почвах и горных породах. Наибольшее значение имеет подразделение воды на свободную, не подверженную действию силовых полей частиц скелета, т. е. воду гравитационную, и воду связанную, находящуюся в сфере силовых полей частиц скелета и имеющую искаженную структуру. Связанную воду подразделяют на прочносвязанную и рыхлосвязанную. Вода, расположенная непосредственно у поверхности частиц, является связанной в наибольшей степени и соответственно имеет наибольшее искажение структуры. Для более удаленных слоев воды искажение структуры уменьшается с увеличением расстояния слоев воды от частиц породы.

Свойства мерзлых горных пород.Свойства мерзлых горных по­род существенно иные, чем тех же пород в талом состоянии. Осо­бенно заметно изменение физико-механических свойств, в промер­зающих осадочных породах. Эти свойства обычно при промерзании грунтов изменяются весьма значительно, но по-разному, в зависи­мости от исходных свойств талых грунтов и от условий промерзания.

В том случае, когда промерзание сопровождается значительным подтоком воды и, следовательно, увеличением суммарной влажнос­ти и пористости, объемный вес такого грунта уменьшается. В грунте, который при промерзании отдает воду, суммарная влажность и пористость уменьшаются, а объемный вес увеличивается.

Водопроницаемость грунтов при промерзании, как правило, рез­ко падает. Степень уменьшения водопроницаемости зависит, глав­ным образом, от степени заполнения пор грунта водой. Водонасыщенные грунты, промерзнув, становятся практически водонепрони­цаемыми. Это, прежде всего, справедливо для песков. Глинистые мерзлые грунты вследствие присутствия в них того или иного количества жидкой воды не являются абсолютно водонепроницаемыми, хотя фильтрация в них мала и ею можно пренебречь.

Значительно меняется под влиянием промерзания прочность грунтов (сцепление, сопротивление сдвигу, сжатию и растяжению). Вследствие цементации минеральных частиц льдом, т. е. появления нового вида связи, она повышается в несколько раз, притом тем больше, чем ниже температура грунта. Деформация мерзлых грун­тов и степень их уплотнения под нагрузкой значительно меньше, чем в талых.

Вместе с тем мерзлые грунты обладают ярко выраженными: реологическими свойствами. Под действием постоянной нагрузки происходит развитие деформаций во времени (ползучесть). При длительном действии нагрузки мерзлые грунты обнаруживают зна­чительное снижение прочности. Это происходит вследствие содержания в них льда и того или иного количества незамерзшей воды. Так, например, длительная прочность мерзлых грунтов может быть в 10—15 раз меньше прочности мгновенной, а деформации, возникающие и развивающиеся во времени, бывают тогда в несколько сот раз больше, чем те, которые имеют место вначале. Поэтому инженерная практика на мерзлых грунтах не может не считаться с их реологическими свойствами.

Электрические свойства мерзлых грунтов по сравнению с талы­ми также своеобразны - удельное электрическое сопротивление мерзлых грунтов тем выше, чём ниже температура. Это связано с тем, что чем ниже температура, тем больше в грунте льда и меньше незамерзшей воды и наоборот.

Типы замерзания воды в горных породах.Замерзание воды в грунтах, в горных породах следует рассматривать в трех аспек­тах:

1) замерзание воды в грунтах без заметного ее перемещения - простая цементация грунтов льдом;

2) замерзание текучей воды в галечниках, песках и других крупнозернистых горных породах, а также воды, передвигающейся в грунтах под влиянием гидродина­мического и гидростатического напора (замерзание наледных вод, инъекционные образования типа гидролакколитов и др.);

3) миграция воды, минеральных частиц и растворенных со­лей в тонкодисперсных горных породах под влиянием их охлажде­ния и замерзания, фиксация перемещенной влаги в виде ледяных включений (некоторые виды пучения, пятнообразование в тундре и др.).

Физические процессы в оттаивающих горных породах.Притая­нии льда, содержащегося в мерзлых грунтах, влага снова получает возможность передвижения и в оттаивающих грунтах опять возни­кает процесс ее перераспределения. При этом цементационные связи между частицами породы и их агре­гатами разрушаются.

В тонкодисперсном грунте возникают процессы гидратации час­тиц породы и их агрегатов, что приводит к внутриобъемным дефор­мациям (набухание), накладывающимся на процесс уплотнения (при осадке и просадке).

Явления и процессы, возникающие в оттаивающих грунтах, раз­личны и зависят от состава, строения и свойств последних.

В дисперсных, особенно глинистых грунтах, направление про­цессов, возникающих при их оттаивании, в большинстве случаев обратно тому, которое наблюдается в промерзающих грунтах.

Так, в промерзающих грунтах имеют место процессы накопле­ния (часто в значительных количествах) влаги у фронта промерза­ния, льдовыделения, дегидратации, коагуляции и внутриобъемного сжатия, а также цементации минеральных частиц и их агрегатов.
А в оттаивающих грунтах идут процессы таяния льда, ремиграции влаги из оттаивающего слоя, гидратации (оводнения), диспергации и внутриобъемного набухания, что обусловливает значительное уменьшение их прочности.

Замерзание глинистых грунтов приводит к их пучению; в отта­ивающих сильнольдистых грунтах наблюдается их смещение в об­ратном направлении, что иногда приводит к просадкам и провалам, развитию термокарста и т. д.

Процессы таяния льда в мерзлых грунтах по сравнению с таяни­ем чистого льда осложняются влиянием адсорбции поверхности грунтового скелета, дополнительными физико-химическими явлениями.

Скорость оттаивания мерзлого грунта, прежде всего, зависит от содержания льда. Кроме того, она зависит от текстуры мерзло­го грунта. Чем мельче ледяные включения, тем больше их контактная поверхность, тем быстрее будет осуществляться фазовый пере­ход. Горизонтальные и вертикальные прослойки льда замедляют протаивание грунта в большей степени, чем лед-цемент

Температурное поле горных пород. Тепловое состояние верхних горизонтов земной коры подвержено наиболее значительным изменениям. Температура горных пород является важнейшим показателем этого состояния и его изменений. Характер распределения температуры в толщах горных пород называется их температурным полем. В том случае, если распределение температур в данном объеме горных пород не меняется в
пространстве и времени, то говорят о стационарном температурном поле, если оно меняется — о нестационарном температурном поле.

Степень изменения температуры в направлении, перпендикулярном изотермическим поверхностям, называется градиентом температуры (число градусов, на которое изменяется температура по глубине на единицу длины).

Расстояние по вертикали, на котором температура изменяется, на 1* С, называется геотермической ступенью.

То или иное температурное поле в толще горных пород форми­руется вследствие теплообмена между породами и атмосферой. Для характеристики теплообмена составляется уравнение теплово­го баланса, которым выражается связь прихода, превращения и расхода энергии.

Количество тепла, поступающего в земные недра в период на­гревания (летом) и уходящего в период охлаждения (зимой), на­зывается теплооборотом в горных породах.