Структурные связи и типы контактов в мерзлых породах

В ходе промерзания и в мерзлом состоянии в породах за счет сложных процессов структурообразования формируются специфические типы контактов и структурные связи. В скальных и части осадочных сцементированных пород преобладают связи химической природы, а в тонкодисперсных льдистых породах связь между отдельными её элементами осуществляется чаще всего за счет молекулярных и ионно-электростатических взаимодействий (или водно-коллоидными связями).

Образование структурных связей в такой многофазной и многокомпонентной дисперсной системе, как мерзлая порода, всегда происходит не только между грунтовыми поверхностями, но и поверхностями льда и грунтовых частиц. Формирование структурных связей идет обычно не по всей поверхности слагающих породу элементов, а только в местах их сближения, т.е. на контактах. Число и характер (природа) таких разнородных индивидуальных контактов во многом предопределяют микростроение и свойства мерзлых пород. Каждый тип или разновидность контакта характеризуется своим механизмом образования и природой взаимодействующих сил, геометрией и величиной контактного взаимодействия.

В первом приближении все разнообразия контактов в дисперсных породах, находящихся при отрицательной температуре и содержащих в своем составе лед, можно подразделить на точечные, площадные и объемные, характеризующиеся различной площадью контактного взаимодействия органо-минеральных частиц и льда, и на агрегационные, коагуляционные и сухие контакты, различающиеся по энергии взаимодействия и расстоянию между контактирующими ледяными и грунтовыми частицами (рис. 3).

Разделение контактов по энергии их взаимодействия в значительной мере определяется расстоянием между взаимодействующими грунтовыми частицами.

Так, в случае прямого взаимодействия двух грунтовых частиц образуются наиболее прочные сухие контакты. Они характеризуются валентным и ионно-электростатическим взаимодействием, а также непосредственным соприкосновением элементов мерзлой породы.

Сухие минеральные контактыобычно возникают при диагенетическом преобразовании пород за счет повышения давления с глубиной и дегидратации глинистых осадков.

Минерально-цементационные контактыформируются при перекристаллизации и выделении из поровых растворов новой фазы. Это связано с перенасыщением поровых растворов в ходе диагенеза (в том числе и при замерзании пород, что повышает концентрацию этих растворов) и выделением из них цементирующих веществ, которые создают прочные «мостики» между грунтовыми частицами, образуя жесткую пористую структуру минеральной компоненты. При сильном понижении отрицательной температуры дисперсной породы (ниже -100 ÷ -1500С) могут возникать минерально-ледовые контакты.

Рис. 3. Типы контактов в мерзлых породах

Это происходит тогда, когда практически вся связанная вода вымерзает или мигрирует в другие участки породы и образуются близкие к сухим контакты «минерал-лёд». Они являются обратимыми при оттаивании и наименее прочными среди других видов сухих контактов.

Характерной особенностью водных контактов является наличие между взаимодействующими элементами мерзлой породы пленок незамерзшей (связанной) воды. Коагуляционные контактыопределяются в основном действием молекулярных и ионно-электростатических сил. Агрегационные контактыформируются преимущественно в результате дальнодействующих молекулярных сил, а в некоторых случаях – за счет магнитных и дипольных (кулоновских) взаимодействий. Агрегационные контакты присущи суглинистым, супесчаным и песчаным породам в диапазоне высоких отрицательных температур (0 -5⁰С).

Анализ характера структурных связей и контактов в породах позволяет объяснить и факт резкого возрастания прочности пород при переходе их из талого состояния в мерзлое. В зависимости от характера, размера и формы грунтовых и ледовых частиц, степени влагонасыщения, наличия отрицательной температуры и условий промерзания в дисперсных породах между частицами может возникать большое разнообразие типов и видов контактов, которые в результате внешних воздействий способны переходить из одних в другие, определяя структурные связи между элементами мерзлой породы.

ЛЕКЦИЯ 6. Зональные и региональные особенности геокриологических условий территории РФ на современном этапе

Распространение многолетнемерзлых пород (ММП) и пространственное изменение их среднегодовых температур

Огромная протяженность России с запада на восток и с севера на юг, сложность орографического, геологического, тектонического, гидрогеологического строения, ландшафтной и климатической обстановок и их изменение в позднем кайнозое обуславливают большую изменчивость и разнообразие геокриологических условий различных её частей.

Распространение криолитозоны на территории России связано с двумя причинами:

1) историей криогенного развития верхних горизонтов земной коры в неоген-четвертичное время, в течении которого сформировалась современная геокриологическая обстановка;

2) современными условиями теплообмена на поверхности и в толще горных пород.

Современные условия теплообмена, в которых формируются среднегодовые температуры пород, определяются следующими факторами и условиями:

- широтной зональностью поступления солнечной радиации, определяющей радиационный баланс на поверхности Земли;

- влиянием Атлантического, Ледовитого и Тихого океанов на циркуляцию атмосферы, формирующей секториальность типов климата;

- удаленностью территорий от морских акваторий и её расположением внутри материка, что обуславливает континентальность климата, т.е. амплитуды годовых колебаний температуры воздуха и на поверхности Земли;

- орографическими условиями, с которыми связано нормальное распределение высотной поясности теплообмена в средне- и высокогорных районах и инверсионное – на плоскогорьях;

- геотектоническими условиями, с которыми связаны состав, строение и свойства пород, величина теплового потока из недр и градиент изменения температуры в мерзлой почве;

- гидрогеологическими условиями, существующими в результате взаимодействия мерзлых пород и подземных вод;

- ландшафтно-климатическими условиями на поверхности (растительность, заболоченность, заторфованность, микрорельеф и т.д.).

По площади, занимаемой ММП по сравнению с талыми породами, каждая зона всей территории России делится на 2 большие области распространения ММП: с сезонным оттаиванием с поверхности (многолетняя криолитозона) и с сезонным промерзанием почв и грунтов (сезонная криолитозона). Условная линия, разделяющая эти области и проводимая на обзорных картах по южным островам ММП, называется южной границей распространения криолитозоны.

В пределах криолитозоны, севернее её южной границы, по особенностям распространения, среднегодовым температурам и мощности ММП выделяют южную и северную геокриологическую зоны.

Южная зона- характеризуется несплошным распространением ММП, площадь и сплошность которых возрастает по направлению к северу от 25% и менее при резкоостровном, до 25-75% при массивно-островном и 75-90% при прерывистом распространении ММП.

ММП в южной геокриологической зоне имеют преимущественно позднеголоценовый криологический возраст.

Наименьшие площади ММП по сравнению с талыми породами характерны для зоны редко-островного и островного распространения мерзлых пород, непосредственно контактирующей с областью талых пород. Преобладающие среднегодовые температуры талых и мерзлых пород в этой зоне изменяются от +2 до -5⁰С. В целом ММП в этой зоне характеризуются высокими отрицательными среднегодовыми температурами, которые редко выходят за пределы -1⁰С.

В зоне массивно-островного распространения мерзлые породы характеризуются увеличением числа и размера островов и массивов, а талые – уменьшением площадей сквозных радиационно-тепловых таликов. Для этой зоны характерны более низкие среднегодовые температуры как мерзлых, так и талых пород от +1 до -1⁰С.

Зона прерывистого распространения ММП является наиболее суровой в южной геокриологической зоне. Среднегодовая температура мерзлых пород в ней изменяется от 0 до -2⁰С.

Талые породы развиты только в благоприятных для этого условиях в виде островов и резких массивов. Соотношение мерзлых и талых пород в кембрийских карбонатных отложениях и в песчаниках юры зависит от отепляющего влияния летних осадков по карстовым полостям, а в кристаллических породах – по водопроницаемым трещиноватым зонам. Повышение среднегодовых температур за счет тепла инфильтрующихся осадков может составлять 2-3⁰С. В районах развития рыхлых четвертичных отложений сквозные и несквозные талики существуют под реками и озерами, в песчаных массивах эолового, аллювиального и флювиогляциального генезиса и на обводнённых низинных болотах.

В области сплоченного распространения ММП (северная геокриологическая зона) нарушение их сплошности по площади обусловлено сквозными, очень локализованными по территории таликами под руслами крупных рек, глубокими озерами и по зонам разгрузки подземных вод. Талики радиационно-теплового генезиса распространены в особо благоприятных для этого условиях и являются преимущественно несквозными и чаще встречаются в южной подзоне северной геокриологической зоны на участках с температурами до -2⁰С.

Как правило, они приурочены к массивам слабых юрских песчаников, а также аллювиальных и эоловых песков. В целом ММП северной геокриологической зоны характеризуются среднегодовыми температурами от 0 до -15⁰С и ниже, которые закономерно понижаются от южной окраины к северу и северо-востоку в соответствии с ландшафтно-климатической зональностью.

На юге северной геокриологической зоны среднегодовые температуры пород в настоящее время характеризуются высокими (преимущественно от-1 до -3⁰С) отрицательными значениями.

Севернее этой зоны среднегодовые температуры пород постепенно понижаются. Самые низкие температуры пород формируются на северных равнинах Западной Сибири (от -5 до -9⁰С), Средней Сибири (от -9 до -13⁰С), Восточной Сибири (от -9 до -13⁰С).

В северной геокриологической зоне более высокие значения по сравнению с зональными значениями среднегодовых температур пород во всех геотемпературных зонах формируются в аллювиальных отложениях долин рек.

Существенные коррективы в распространение мерзлых пород и их температурный режим вносят ледники, повышающие температуру пород под ними на участках фирновых толщ, вплоть до образования гляциальных таликов, и понижающие их на участках ледяных толщ до среднегодовых температур воздуха. Таким образом, на всей территории со сплошным распространением ММП закономерное понижение их температур происходит по сходным элементам рельефа.