1.8.6. Степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и не замерзшей водой

Степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и не замерзшей водой S_r, д. е., определяется по формуле:

[10] (12)

где w_ic – влажность мерзлого грунта за счет порового льда, цементирующего мине­ральные частицы (лед-цемент), д. е.;

w_w – влажность мерзлого грунта за счет содержащейся в нем при данной отрицательной температуре незамерзшей воды, д. е.;

_s – плотность частиц грунта, г/см³;

е – коэффициент пористости мерзлого грунта;

_w – плотность воды, принимаемая равной 1 г/см³.

1.8.7. Коэффициент пористости

Коэффициент пористости е, д. е., определяется по формуле:

[10] (13)

где _s – плотность частиц грунта, г/см³;

_d – плотность мерзлого грунта в сухом состоянии (плотность скелета мерзлого грунта), г/см³, определяемая по формуле:

[10] (14)

где  – плотность грунта, г/см³;

w_tot – суммарная влажность грунта, д. е.

1.8.8. Плотность

Плотность и пористость являются основными физическими показателями мерзлой породы, используемыми при определении теплофизических и механических свойств, степени водонасышения и льдистости грунтов. Величина плотности необходима при расчете коэффициента теплопроводности талых и протаявших грунтов, при характеристике сопротивления грунтов нормальному давлению, сцепления мерзлого грунта, сопротивления мерзлого и оттаивающего грунта сдвигу и др. Пористость характеризует структуру, текстуру грунта и используется при расчетах степени льдонасышения и коэффициента сжимаемости мерзлых грунтов.

Под плотностью мерзлого грунта понимают массу единицы его объема в ненарушенном сложении. Единицей измерения этого свойства в системе СИ является кг/м³, в системе СГС – г/см³, иногда используется т/м³. Плотность определяется на образцах ненарушенного сложения и при естественной влажности в единице объема грунта.

Пористость может быть выражена коэффициентом пористости, равным отношению объема пор к объему минерального скелета грунта. В соответствии с различными типами пористости выделяют суммарный коэффициент пористости мерзлых грунтов, е, и коэффициент пористости минеральных агрегатов или минеральных прослоек, е_г. В немерзлых грунтах коэффициент пористости, как правило, не превышает 2 д. е., в мерзлых грунтах он изменяется в широких пределах и в сильно льдонасыщенных грунтах может быть равен 3 и даже 5 д. е. С увеличением льдистости при посто­янном значении e_г коэффициент общей пористости возрастает в 2,7–5,0 раз при увеличении льдистости от 5 до 50 %.

1.8.9. Криогенная текстура мерзлых пород

Шлиры льда (schlieren ice, lens ice) – включения льда в мерзлом грунте, представленные прожилками, прослойками и линзами разной ориентировки Текстурообразующий лед в мерзлой породе присутствует:

• в виде отдельных зерен и их скоплений, гнезд, пятен неправильной формы размером от долей до нескольких сантиметров;

• в виде удлиненных тел неправильной формы, ориентированных в одном или в раз­личных направлениях, пересекающихся между собой и образующих каркасные (решетчатые) формы;

• в виде отдельных крупных слоев, обогащенных включениями грунта, где объем льда, преобладает над объемом грунтовых частиц или обломков породы.

Криогенная текстура. Под криогенной текстурой понимаются особен­ности строения твердомерзлых пород, обусловленные формой, размером и характером залегания прослоек, прожилок, корок, гнезд и линз льда. Лед этого типа называют текстурным, он образует микровыделе­ния — шлиры, кроме него в мерзлых породах присутствует рассеянный и связывающий отдельные минеральные или органогенные частицы лед-цемент. Текстурный лед, хотя и формирует макровыделения в породе, я не образует крупных скоплений, а относительно равномерно сочетается в пространстве с вмещающей его терригенной или органогенной состав­ляющими. Изучение криогенных текстур во многом способствует выясне­нию условий формирования отложений криолитозоны, существуют попыт­ки использования криогенного строения отложений для целей мерзлотно-фациального анализа.

Криогенная текстура имеет диагностическое значение для выяснения генезиса и способа формирования мерзлой толщи до промерзания. Она позволяет оценивать влажность, льдистость, осадку при оттаивании, электропроводность и другие важные свойства.

По криогенной текстуре грунты подразделяют согласно Табл.3 (Таблица Б.32 ГОСТ 25100)

Таблица 3 (Таблица Б32 ГОСТ 25100-95)

Вид грунтов	Криогенная текстура
Все виды скальных грунтов	Трещинная, пластовая, полостная
Все виды полускальных грунтов	Массивная
Глинистые грунты	Массивная, слоистая, сетчатая, атакситовая
Все виды органо-минеральных грун­тов
Все виды органических грунтов	Порфировидная, слоистая, сетчатая, атакситовая
Крупнообломочные грунты	Массивная, корковая, базальная
Пески	Массивная, слоистая, сетчатая, базальная

Наиболее полное представление о криогенном строении, распределении льдистости, соотношении слагающих ледяных тел, положении контактов, и крупных ледяных тел удается получить при полевом визуальном изучении подмываемых естественных и искусственных обнажений. На закрытых осыпями участках задаются расчистки и канавы таким образом, чтобы сделать описание полного разреза мерзлой толщи в обнажении. В обнажениях удается проследить пространственные соотношения различных пород, криогенных текстур и мономинеральных ледяных тел, (установить фациальную и литологическую изменчивость грунтов и выявить изменение криогенного строения грунтов в литологически и генетически однородных толщах).

Пробы отбираются из каждого слоя, различающегося криогенным строением, и сопровождается процесс зарисовками и фотографированием главных их особенностей.

По керну из скважин судить о криогенном строении и льдистости грунтов приходится с осторожностью из-за невозможности учета в большинстве случаев вертикальных шлиров льда, что приводит к занижению величины суммарной влажности (льдистости) при опробовании грунтов с сетчатой и ячеистой криогенными текстурами. При описании керна мерзлого грунта в лаборатории необходимо приводить данные о размерах ледяных включений и расстояниях между ними.

Существует упрощенная классификация криогенных текстур, где учтены морфология ледяных включений, типы грунтов, а также обязательные для определения при изысканиях параметры грунтов и диапазоны этих параметров, т.к в этих дипазонах существенно меняются физико-механические свойства грунта при данной криогенной текстуре. (табл.4) [7]

Таблица 4

Упрощенная классификация криогенных текстур с учетом типа грунта и типичных диапазонов параметров

№ п/п	Виды криогенных текстур	Грунты	Параметры, определяе-мые при изысканиях	Типичные диапазоны параметров
1	Трещинная	Скальные магматические, метаморфические и осадочные	ii;Sr	Sr<0,8; 0,8≤ Sr≤1,0 ii<0.2
2	Пластовая
3	Полостная
4	Массивная	Скальные осадочные	Wtot;Sr	Sr<0,8; 0,8≤ Sr≤1,0
5		Крупнообломочные
6		Песчаные	Wtot (Wm);Sr	Sr<0,2; 0,2≤ Sr≤0,8 0,8≤ Sr≤1,0
7		Пылеватые и глинистые	Wtot (Wm)	Wtot≤Wр; Wр <W tot ≤WL;
8		Биогенные		-
9	Корковая	Крупнообломочные	Wtot; itot	itot<0.2
10	Базальная	Крупнообломочные		0,2≤ itot <0,4; 0,4≤ itot <0,6
11	Слоистая Сетчатая Слоисто-сетчатая	Песчаные	Wtot ;Wm; ii	ii<0.2; 0,2≤ ii<0,4
12		Пылеватые и глинистые		Wtot≥WL; Wр ≤Wm<WL ii<0.2;0,2≤ ii <0,4; ii ≥0,4
13		Биогенные		ii<0.2;0,2≤ ii<0,4; ii ≤0,4
14	Атакситовая	Песчаные	Wtot; itot	0,2≤ itot <0,4;0,4≤ itot <0,6
15		Пылеватые и глинистые		0,4≤ itot <0,6
16		Биогенные		0,2≤ itot <0,4; 0,4≤ itot <0,6
17	Порфировидная	Биогенные	Wtot ; ii	ii<0.2

Примечание: i_tot – суммарная льдистость грунта, д.е; i_i- льдистость за счет ледяных включений, д.е; W_tot-суммарная влажность мерзлого грунта, д.е; W_m - влажность минеральных агрегатов мерзлого грунта (между ледяными включениями), д.е; W_р-влажность грунта на границе раскатывания; W_L-влажность на границе текучести; S_r-степень заполнения пор льдом и водой, д.е.

По своим морфологическим особенностям шлировые криогенные текстуры подразделяются на простые и сложные.

Простые криогенные текстуры образуются шлирами льда преимущественно одной формы.

Сложные криогенные текстуры образованы включениями льда различ­ной формы или величины. Они являются как бы результатом наложе­ния одних типов и видов криогенных текстур на другие.

У массивной криогенной текстуры ледяные шлиры отсутствуют, частицы и агрегаты породы сцементированы кристаллами и мелкими включениями льда. Внешне мерзлый грунт выглядит однородным, лишенным текстурности. Массивная криогенная текстура образуется при промерзании грунтов различного состава и генезиса, при отсутствии миграции влаги к фронту промерзания; при промерзании маловлажных «сухих» тонкодисперсных грунтов или песчаных и гравийно-галечных отложений независимо от скорости промерзания. Возникновение массивной текстуры всегда сопровождается упрочнением породы. Мерзлые грунты массивной криотекстуры обладают наибольшим среди дисперсных пород сопротивлением внешним силам, дают наименьшие осадки при оттаивании.

Слоистая криогенная текстура создается, когда ледяные шлиры образуют взаимно параллельные линзообразные прослойки, чередующиеся со слоями частиц и минеральных агрегатов, связанных льдом-цементом. Толщина шлиров и линз может варьировать от долей миллиметра до десятков сантиметров. Слоистая криогенная текстура развивается в сильно увлажненных тонкодисперсных и песчаных мелкозернистых, пылеватых грунтах различ­ного генезиса (пойменных, старичных деллювиально-солифлюкционных, морских, озерных, озерно-ледниковых отложениях)..

Группа текстур слоистого типа подразделяется на виды и разно­видности в зависимости от ­формы, размера включе­ний льда и расстояния между ними; положения ледяных шлиров в пространстве; равномерности или неравномерности распределения льда по вертикальному профилю и т. д.

В зависимости от формы включений льда и их положения в про­странстве в группе слоистых текстур выделяются простые виды слоистой текстуры (линзовидная, полосчатая) и сложные (косая, поясковая, прожилковая и плойчатая).

Сетчатая криогенная текстура создается ледяными телами удлинен­ной формы; пересекающимися между собой и образующими в массиве каркасные (решетчатые, ячеистые) формы. Максимальная толщина пе­ремычек ледяного каркаса обычно не превышает нескольких сантимет­ров. Сетчатая криогенная текстура образуется только в тонкодисперсных грунтах. По генезису это могут быть различные осадки как субаквального, так и субаэрального типов.

Корковая криогенная текстура свойственна крупнообломочным породам, образует не выдержанные по тол­щине корки и линзы около крупных обломков, щебенки. Обра­зование корки вокруг обломков связывается с большей теплопровод­ностью обломков по сравнению с вмещающей породой, при этом кри­сталлы льда зарождаются в первую очередь на наиболее охлажденной поверхности обломочного материала, успевая использовать запасы во­ды из окружающих грунтов до проникновения на этот уровень общего фронта промерзания.

Порфировидная (вкрапленная, пятнистая) криогенная текстура создается изометрическими зернами льда, имеющими овальную, глазковую форму и присутствующими в мерзлой породе в виде гнезд, вкраплений, пятен неправильной формы. Порфировидная текстура формируется в тонкодисперсных грунтах, оторфованных суглинках и глинах, в торфах и валунно-галечных суглинках (озерных, озерно-аллювиальных, ледниковых и ледниково-морских отложениях) в условиях небольшого увлажнения грунтов.

Базальная криогенная текстура характерна для грубозернистых и обломочных пород, образуется при промерзании этих отложений в усло­виях полного водонасыщения. Обычно промерзание водонасыщенных пород идет в условиях замкнутой системы, когда отжатие излишков воды в сторону не происходит, что приводит к раздвиганию частиц ске­лета и увеличению объема пор. Считается, что базальная текстура может развиваться и при напорной миграции воды к границе промер­зания. В любом из этих случаев промерзание приводит к образованию льдонасыщенного грунта, зерна и обломки которого как бы погружены в лед и часто не соприкасаются между собой.

Атакситовая криогенная текстура формируется в схожих условиях, при промерзании тонкодисперсных минеральных и органо-минеральных пород. В результате развиваются высокольдистые мерзлые поро­ды, в которых целые агрегаты и блоки грунта являются включениями во льду. Лед преобладает по объему в образце грунта. Атакситовая текстура образуется в условиях медленного про­мерзания и наиболее часто встречается у подошвы сезонноталого слоя в отложениях склонов, поймы, в органо-минеральных отложениях озер, болот.

По внешним признакам и по условиям образования базальная и атакситовая криогенные текстуры являются однотипными: и в том и в другом случае формирование текстуры осу­ществляется в условиях полного водонасыщения грунта.

Помимо основных типов криогенных текстур сущест­вуют их многочисленные промежуточные или переходные виды. Из них наибольшее распространение имеет группа неполных крио­генных текстур – неполносетчатых, неполнослоистых, когда в массиве мерзлой породы присутствуют лишь отдельные элементы ледяного кар­каса, или ледяной решетки, создающие в плане неполный, незакончен­ный рисунок сетки.

Полное название криогенной текстуры должно отражать тип крио­генной текстуры и толщину ледяных шлиров (микрослоистая), вид тек­стуры (полосчатая), порядок, характеризующий расстояние между шлирами, простирание и распределение льда по глубине разреза (горизонтальное, равномерное).

В мерзлых толщах часто наблюдаются сложные формы криогенных текстур, когда шлиры разной толщины и формы создают разного вида тестуры: более крупные первого порядка, более мелкие-вторго. Например, толстошлировая блоковая криотекстура первого порядка сочетается с тонкошлировой второго порядка, свойственной ленточным глинам в блоках.

Основные виды криогенных текстур рыхлых отложений [11]

Таблица 5

№ п/п	Схематическая зарисовка	Наименование криотек-стуры	Описание криотекстуры	Для каких отложений типична	Способ промерзания
1		Массивная	Лед-цемент (контактный и пленочный), видимых включений льда нет	Для песков, дисперсных глинистых разновидностей	Эпигенетичес-кий, сингенентичес-кий
2		Массивная поровая	Лед-цемент заполняет все поры в породе: льдосодержание не превышает пористости породы в талом состоянии	Для песков и крупнообломочных отложений	Эпигенетичес-кий, сингенентичес-кий
3		Базальная	Минеральные агрегаты, зерна и обломки «раздвинуты» текстуро-образующим льдом. Льдистость больше пористости породы в талом состоянии	Для песков и крупнообломочных отложений	Эпигенетичес-кий
4		Атакситовая	Агрегаты породы взвешены в массе льда, лед по объему преобладает в мерзой породе	Для дисперсных отложений	Эпигенетичес-кий сингенентичес-кий
5		Корковая	Лед образует корки и линзы около крупных обломков; в заполнителе лед-цемент и редкие небольшие ледяные шлиры	Для крупнообло-мочных пород с песчаным и супесчано-суглинистым заполнителем	Эпигенетичес-кий Сингенентичес-кий
6		Порфиро-видная	На фоне массивной текстуры вкрапления льда в виде гнезд крупных кристаллов	Для песков, супесей, суглинков и торфяников без крупнообломочных включений	Эпигенетичес-кий, Сингенентичес-кий (редко)
7		Сетчатая	Системы наклонно ориентированных взаимно пересекающихся ледяных шлиров создают ледяную сетку	Для всех дисперсных отложений и торфа, реже для песков	Эпигенетичес-кий
8		Слоистая	Лед в виде выдержанных слоев различной толщины	Для всех дисперсных отложений и торфа, реже для песков	Эпигенетичес-кий
9		Слоисто-сетчатая	Система горизонтально залегающих параллельных ледяных шлиров, вертикальных линз и прослоев	Для однородных супесчано-суглинистых отложений и глин	Эпигенетичес-кий

В первую очередь определяется вид криогенной текстуры, затем устанавливается разновидность и дается ее название. Например слоистая, горизонтально-микрочастослоистая.

Таблица 6 [11]

Вид криогенной текстуры	Разновидности криогенных текстур
	от ориентировки шлиров льда	от толщины ледяных шлиров*	от расстояния между ледяными шлирами по нормали к ним**
Массивная	-	-	-
Порфировидная	Горизонтальная, косая, вертикальная	Тонко- (шлиры от 1 - 5 мм), Микрошлировая-(шлиры менее 1 мм),реже среднешлировая- (шлиры от 5-10мм)	Часто- (менее 10 мм), микро- (менее 1 мм), реже средне-слоистая (шлиры 10 - 100 мм)
Неполносетчатая	-	То же	Крупная,средняя
Слоистая	Горизонтально-, косо,вертикально-слоистая	Толсто- (шлиры >10 мм),Средне- (шлиры от 5-10мм)- тонко- (шлиры от 1 - 5 мм), микрошлировая-(шлиры менее 1 мм).	Редко- (шлиры 100 мм), средне-(шлиры 10 - 100 мм), часто- (менее 10 мм), микрослоистая- (менее 1 мм).
Сетчатая	-	То же	Крупно- (шлиры 100 мм), средне-(шлиры 10 - 100 мм), мелко- (менее 10 мм), микросетчатая-(менее 1 мм
Базальная, атакситовая	-	-	-

Кроме основных, наиболее распространненых криогенных текстур, в природе существуют их многочисленные переходные типы. Среди них наибольшее распространение имеют неполносетчатые и неполнослоистые текстуры, когда в мерзлой породе наблюдаются отдельные элементы текстур (например, ледяной решетки). Ледяные тела мощностью более метра обычно рассматриваются как пластовый лед.