Мерзлых пород

Особенности органо-минерального и химического состава

ЛЕКЦИЯ 2. Состав и строение мерзлых пород

Органо-минеральный и химический состав мерзлых пород и их дисперсность к настоящему времени изучены недостаточно. Наибольшее внимание уделялось исследованию в основном льда (как минерала и горной породы), слагающего крупные скопления и залежи. Однако при сезонном и многолетнем промерзании – протаивании происходит преобразование не только льда, но и минерального, химического и органического состава самого скелета породы. Для области распространения мерзлых пород специфичными оказываются химические процессы, которые протекают в характерной для криолитозоны кисло-нейтральной и восстановительной средах с повышенным содержанием углекислого газа, растворенной углекислоты и фуливокислот. Здесь широко развиты процессы коагуляции и пептизации – дробление горных пород (фракции) на более мелкую фракцию, обусловливающие распространенность коллоидных и пылеватых частиц.

В минеральной части мерзлых пород обычно выделяют: первичные не растворимые в воде, вторичные не растворимые в воде, вторичные растворимые в воде минералы, органические и органо-минеральные соединения. Основной особенностью состава мерзлых пород является появление нового породообразующего минерала – льда, строение которого определяется условиями формирования мерзлой породы, ее генезисом. Лед может находиться в порах и образовывать прослои, линзы и криогенные конгломераты или значительные его скопления – мономинеральную породу в виде клиновидножильных, инъекционных и других видов подземного льда. Агрегаты, образующиеся в результате физического выветривания в криолитозоне, существенно отличаются от минералов вне этой зоны. Это проявляется прежде всего в повышенном содержании слабостойких к выветриванию минералов. Среди вторичных нерастворимых в воде минералов, формирующихся обычно в криолитозоне в результате разрушения и преобразования в основном слоистых и ленточных силикатов и полевых шпатов, преобладают монтмориллонит, гидрослюды, бейделлит.

Вторичные растворимые в воде минералы в мерзлых породах представлены соединениями гидрокарбоната кальция и магния, среднекислого кальция и натрия, а также хлористого натрия. Легкорастворимые соли (хлориды и сульфаты) находятся только в растворе, а труднорастворимые (карбонаты) – чаще всего в твердом состоянии.

Органическое вещество в криолитозоне может находиться в виде слаборазложившихся растительных и животных остатков и продуктов их разложения – гумуса. Мигрируя в почвах, продукты разложения образуют специфические для северных почв горизонты. При этом для хорошо дренируемых почв в криолитозоне характерны процессы оподзоливания, тиальферризации и иллювиального гумусирования.

Большое распространение в тундровых районах криолитозоны имеют глеевые почвы, формирующиеся в слабодренируемых породах. Небольшая водопроницаемость глинистых и суглинистух пород при близком залегании кровли многолетнемерзлых пород приводит к слабой дифферинциации почвы на горизонте. Под торфянистой подстилкой следует глеевый горизонт, который постепенно переходит в породу. Иногда под торфянистой подстилкой выделяют несплошной грубогумусовый аккумулятивный горизонт. На границе с кровлей многолетнемерзлых пород часто отмечается повышенное содержание Fe и гумуса. В криолитозоне широко распространены торфяные породы, образующиеся при отмирании и разложении болотной растительности в условиях избыточного увлажнения, недостатка кислорода и низких температур.

Дисперсность органо-минерального скелета мерзлых пород, как и минеральный состав, в криолитозоне имеет свои специфические особенности. В горных районах интенсивно протекают процессы физического криогенного выветривания (криоэлювиирования), в результате которых происходит дробление скальных пород до размеров крупнообломочных, песчаных и пылеватых фракций. Отложения равнинных низменных территорий в отличие от горных практически не содержат крупнообломочного материала. Однако в их мелкодисперсной фракции также преобладают пылеватые частицы. Для горных районов характерна слабая сортировка осадочного материала, а при переходе из одного генетического типа в другой (из элювия в делювий и аллювий) он становится все более неоднородным. Основной причиной такой индифференциации является интенсивная задержка и аккумуляция крупнообломочной фракции пород в верхних частях склонов при достаточно активном выносе тонкодисперсного материала в нижней части склонов. Другая важная причина связана с преобладанием в осадочных породах процесса криогенного разрушения (физического выветривания), наиболее активно протекающего в увлажненных нижних частях склонов. Так, например, элювий Приколымья представлен узким диапазоном фракций (10 – 30мм) при отсутствии в верхней части разреза мелкозема и появлении в нижней части песка и крупной пыли (рисунок).

1- элювий; 2 - делювий; 3 – аллювий

Рисунок. Распределение фракций обломочного материала различных генетических типов (по Ю.В. Шумилову)

В делювии максимум также приходится на фракции 10 – 30 мм, однако появляется много тонких песчаных и пылеватых фракций. В аллювиальных отложениях максимум смещается на фракции 5 – 20 мм, значительно увеличивается содержание песка и пыли, в мелкодисперсной фракции преобладают пылеватые частицы и в целом возрастает неоднородность и несортированность пород, т. е. происходит дифференциация осадочного материала, а эффект ухудшения неоднородности и несортированности прослеживается слабо.

Интенсивное криогенное диспергирование обломочных по­род, обусловленное процессами циклического промерзания - оттаивания, при слабой дифференциации продуктов выветривания приводит к характерным для северных районов полидисперсности и гетеропористости. Дифференциальные кривые рас­пределения частиц (первичных и вторичных) по размеру для различных дисперсных пород носят обычно многомодальный характер, что отражает высокую полидисперность их минеральной части. Наиболее часто для тонкодисперсных пород наблю­даются моды в диапазоне коллоидной, глинистой, песчаной, мелко- и крупнопылеватой фракций. Полидисперсность характерна для песков, супесей, суглинков и глин, имеющих, как правило, полиминеральный состав. Породы монодисперсные, характеризующиеся одной четко выраженной модой, встречаются среди тяжелых глин и песков и в большинстве случаев являются мономинеральнымн.

Криогенное диспергирование песчаных пород обусловливает формирование лёссовидных отложений, наиболее типичных для пород слоя сезонного оттаивания и промерзания. Гранулометрический состав лёссовидных отложений довольно однородный: фракция крупной пыли (0,05 - 0,01 мм) составляет 60 - 90%. Лёссовидные породы являются одними из наиболее распростра­ненных отложений равнин и обрамляющих предгорий.

Органо-минеральная часть мерзлых пород обычно сцементи­рована льдом, в результате чего образуются льдосодержащие глинистые и песчаные породы, галечники, льдобрекчии и льдоконгломераты. Поры, образуемые минеральным скелетов этих пород, оказываются полностью или частично заполнены льдом. Поэтому для мерзлых пород одновременно с пористостью важное значение имеют пустотность, а также степень заполне­ния их льдом и незамерзшей водой.

Большое влияние на формирование дисперсности пород в криолитозоне оказывает их генезис. Так, аллювиальным отло­жениям свойственны грубые фракции, а в высокогорных районах они представлены в основном крупнообломочным материалом, сцементированным льдом. В криоэлювиальных образованиях плоскогорий преобладающей становится щебнистая фракция, а содержание пылеватой и глинистой фракций может достигать 25%. На крутых склонах в связи с выносом тонких продуктов разрушения формируются грубообломочные породы без мелкодисперсного заполнителя, а на пологих склонах идет постоянное накопление мелкозема.

Для аллювиальных отложений криолитозоны характерна четко выраженная сортировка материала: в русле реки – обломочные и крупнозернистые отложения, на прирусловой отмели – более дисперсные, на пойме преобладают пылеватые и глинистые отложения.

Дисперсность морских и озерных отложений в криолитозо­не обусловлена особенностями их седиментогенеза. Основное значение в распределении крупнообломочного материала в породах морского генезиса имеют транспортировка его речным льдом и айсберговый разнос. Ореолы его рассеивания чрезвычайно велики. Поэтому глубоководные микрофракции донных морских осадков криолитозоны нередко включают гравий, гальку и валуны.

Озерные отложения представлены суглинками и глинами, насыщенными органическим веществом с характерной ленточ­ной слоистостью. В них встречаются прослои прибрежного песка и грубообломочных включений, переносимые речным и озерным льдом.

ЛЕКЦИЯ 3. Криогенные геологические процессы и явления

Классификация процессов и явлений

Экзогенные геологические процессы и явления в криолитозоне, обусловлены развитием теплофизических, физико-химических и механических процессов в промерзающих, мерзлых и протаивающих породах.

Экзогенные геологические процессы и явления в криолитозоне разделяются на три крупные группы:

К 1-й группе - отнестятся собственно криогенные процессы, развитие которых вызвано сезонными и многолетними колебаниями тепло- и массообмена на земной поверхности и в подстилающих горных породах. Это морозобойное растрескивание и криогенное выветривание, связанные с многократным повторением циклов промерзания и оттаивания пород; морозное пучение пород и наледообразование, обусловленные сезонным и многолетним промерзанием пород, подземных и поверхностных ( при образовании наледей) вод, увеличением пород при льдовыделении; термокарст,связанный с сезонным и многолетним оттаиванием сильно льдистых пород и подземных залежей льдов, с изменением свойств, осадкой и размоканием пород при оттаивании.

Развитие 2-й группы – флювиальных, абразионных и водно-балансовыхпроцессов вызвано механическим и тепловым воздействиями на мерзлые и оттаивающие породы водных масс, годовыми колебаниями теплообмена на поверхности почвы и многолетними колебаниями водного баланса поверхности. В эту группу входят термоабразия, термоэрозия и заболачивание.Развитию всех этих процессов всегда предшествует оттаивание пород, сопровождающееся нарушением структурных связей в породах, изменением их физико-механических и теплофизических свойств.

3 -я группа процессов объединяет гравитационныепроцессы, такие как солифлюкция, сплывы, оползание; осыпание, десерпция, курумообразованиеи другие с которыми связано формирование специфического состава и строения склоновых отложений.

Морозное пучение дисперсных пород.Морозное пучение дисперсных пород обусловлено увеличением объема замерзающей влаги и льдонакоплением (вследствие миграции воды) при промерзании. Наибольшие деформации пучения наблюдаются при промерзании в открытой системе хорошо влагопроводных, чаще всего пылеватых и водонасыщенных супесчаных и суглинистых пород при малых скоростях промерзания и близком расположении водоносного горизонта (миграционный механизм пучения).

Нередко пучение связано с промерзанием грубодисперсных пород в условиях закрытой системы, когда возникают напорные горизонты грунтовых вод (инъекционный механизм пучения).

В целом, в природных условиях пучение пород может быть связано с сезонным промерзанием пород сезонно-талого и сезонно-мерзлого слоя (сезонное пучение) и с многолетним промерзанием пород (многолетнее пучение).

Многолетнее пучение. Пучение грунтов является наиболее распространенным криогенным процессом, в результате которого на участках развития тонкодисперсных пород и торфяников формируются различные по форме и размерам бугры пучения. По типу формирования бугры пучения (локальные) подразделяются на сегрегационные и инъекционные,но возможно их смешанное образование.

Сегрегационныебугры пучения, как правило, сопровождают новообразование многолетнемерзлых пород на талых участках пойм и озерных котловин.

Инъекционные– возникают обычно за счет инъекции воды (или разжиженного грунта) под действием гидростатического давления, развивающегося в закрытых системах при их промерзании. Они связаны преимущественно с промерзанием подозерных (обводненных) несквозных таликов, окруженных со всех сторон многолетнемерзлыми породами. На Севере и в Центральной Якутии их называют булгуняхами,за рубежом –пинго.Размеры булгуняхов зависят от количества воды в замкнутых таликах и могут достигать по высоте 30-60 м и по основанию – 100-200 м.

Гидролакколиты образуются при инъекции воды под влиянием гидродинамического напора надмерзлотных и межмерзлотных вод.

Термокарст –при протаивании льдистых пород и вытаивании подземного льда наблюдаются просадки земной поверхности. Процесс протекает как при сезонном, так и при многолетнем протаивании мерзлых пород. Механизм процесса состоит в уплотнении оттаивающих сильно льдистых пород или пород, содержащих мономинеральные залежи льда.

Необходимым условием развития термокарста является наличие подземных льдов в виде мономинеральных залежей или текстурообразующего льда в рыхлых отложениях.

Процесс развития термокарста по-разному протекает в случаях оттока воды из термокарстового понижения и обводнения понижений. В том случае, когда вода не скапливается в понижении (сточный термокарст),процесс носит затухающий характер. Формы термокарстового рельефа и микрорельефа существенным образом зависят от того, какие типы льдов и льдистых пород подвергаются оттаиванию, а также от особенностей распространения льда в мерзлых породах.

Склоновые процессы и явления –вызываются действием сил гравитации, которые приводят к развитию обвалов, оползней, курумов, солифлюкции и др.

Курумы –весьма распространенные в области вечной мерзлоты склоновые образования, сложенные дресвяно-щебенисто-глыбовым материалом скальных и полускальных пород. Курумы приурочены к склонам крутизной от 3 до 40⁰. Основным и постоянно действующим механизмом перемещения курумов является термогенная и криогенная десерпция.

Термогенная десерпция –обусловлена периодическим (суточным и сезонным) колебанием температуры, приводящим к циклическому расширению и сокращению размера обломков пород и пульсационному смещению грубообломочного материала вниз по склону.

Криогенная десерпция –связана с поднятием обломков в направлении, перпендикулярном к склону( за счет образования линз и прослоев льда в теле курума), а затем с последующим опусканием по вертикале обломков вместе с заполнителем в результате вытаивания льда.

Процессы вязкого и вязкопластичного смещения дисперсного материала в пределах криолитозоны широко развиты и на задернованных склонах, и в пределах почти ровных аккумулятивных поверхностей. Наиболее распространен среди них процесс солифлюкции,или вязкопластического (медленного) течения рыхлых отложений на склонах, происходящий под действием составляющей собственного веса, направленной по падению склона и вызывающей в грунте пластические деформации. Интенсивность солифлюкции зависит от крутизны склона, глубины оттаивания пород, состава отложений, прочности дернового покрова, характера рельефа и т.д.

Выделяют два вида медленной солифлюкции - покровную и дифференциальную.

Покровная солифлюкция –это движение грунтов, осуществляемое более или менее равномерно и достаточно медленно, характеризуется скоростями 2-10 см/год и проявляется на склонах крутизной до 15⁰. Основной особенностью покровной солифлюкции является то, что движение материала происходит без существенного изменения внутренней структуры грунта. Влажность отложений не превышает предела текучести.

Дифференциальная солифлюкция– ярко проявляется на местности в виде характерных форм микро- и мезорельефа: солифлюкционные языки, террасы, полосы и пр.

Причиной образования этих форм является дифференциация скоростей смещения как по всему склону, так и в пределах одного солифлюкционного потока.

В пределах криолитозоны широко развита так называемая быстрая солифлюкция, или вязкое течение оттаивающих дисперсных пород на склонах, развивающаяся на склонах крутизной 15-25⁰ при сильном переувлажнении пород слоя сезонного оттаивания. Она сопровождается нарушением внутренних связей грунта, а также разрывами дернового покрова. Влажность отложений превышает предел текучести.