1. Особенности распространения криолитозоны

Лед в мерзлых породах обычно находится в виде: отдельных кристаллов размером от микровключений до кристаллических: гнезд; ледяных слоев, шлиров, линз, жил и пластов различной толщины, распределенных горизонтально или вертикально в породе с опреде­лимой закономерностью. По длительности существования пород в мерзлом состоянии: 1) кратковременномерзлые породы (часы, сутки); 2) сезонномерзлые породы (месяцы); 3) многолетнемерзлые породы (годы, сотни и тысячи лет). При кратковременном промерзании мощность мерзлого слоя составляет несколько см; при сезон­ном промерзании достигает нескольких метров, а при многолетнем измеряется десятками и сотнями метров. Мерзлые толщи по составу могут быть представлены рыхлыми образования­ми, а также полу скальными и скальными осадочными, интрузивны­ми эффузивными и метаморфическими породами различного возраста.

Мерзлые породы могут залегать в разрезе в виде: 1) непрерывных (сплошных) по вертикали многолетнемерзлых толщ (ММТ), подстилаемых талыми породами;

2) ММТ, подстилаемых породами с переохлажденными (ниже нуля) солеными или рассольными водами (криопэгами); 3) ММТ с промежуточным довольно мощным слоем (до не­скольких сотен метров) водонепроницаемых талых пород.

По условиям залегания мерзлые толщи в первом случае являются однослойными, во втором и третьем — двухслойными.

Непрерывное распространение ММТ связано с геолого-тектонич. строением и гидрогеологическими усл. территории, ее рельефом и новейшей тектоникой, а также с климатическими особенностями и среднегодовой температурой пород на поверхности земли (уровнем теплообмена). При этом количе­ство таликов (талых пород) и их площадь возрастают с севера на юг: встречаются преимущественно под дном крупных рек и озер, а затем по обводненным тектонич. нарушениям и в межгорных впадинах, на плоских водоразделах и речных террасах.

К наст.вр. характер и спец. особенности этой переходной зоны установлены для каждого региона России. В усл. равнинного рельефа и однородного геол.строения ширина этой зоны может составлять несколько десятков и даже сотен км. В горной местности распространение мерзлых толщ и их мощность ↑ с повышением абсол. отметок рельефа,среднегодовая температура воздуха и пород понижается на 0,5—1 °С на каждые 100 м. высоты.

НЕКОТОРЫЕ КЛАССИФИКАЦИОННЫЕ ПРИЗНАКИ ММТ

Существует несколько классификаций ММТ по различным признакам:

1. По характеру распространения по площади выделим ММТ: а) сплошного распространения (90—100 % площади), в которых сквозные и несквозные талики развиты только под крупными реками и водоемами; б) массивно-островного распространения ( 70-80 % площади) с островами талых пород; в) островного распространения, 40—60 % площади; г) редкоостровного распространения 5—30 %;

д) перелетки и маломощные редкие острова ММТ, занимающие несколько процентов площади.

2. По характеру распространения по вертикали выдели ММТ: а) непрерывные или сплошные по разрезу; б) слоистые или прерывистые с чередованием по разрезу многолетнемерзлых и талых слоев.

3. По мощности выделяют ММТ: а) предельной мощности, сложенные сухими скальными породами с большим коэфф. теплопроводности;

б) повышенной мощности, сложенные сухими рыхлыми отложениями; в) средней мощности, сложенные рыхлыми отложениями с влажностью (льдистостью) не более полной влагоемкости; г) пониженной мощности, сложенные рыхлыми отложениями с влажностью (льдистостью) больше полной влагоемкости.

4. По криогенному генезису выделяют ММТ: а) эпигенетические (эпикриогенные) — промерзшие после на­копления пород; б) сингенетические (синкриогенные), в которых осадконакопление и промерзание происходило одновременно; в) полигенетические — толщи двухъярусного или многоярусного строения (нижний ярус обычно слагают эпикриогенные, а верх­ний — синкриогенные породы).

2. РАДИАЦИОННО-ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС НА ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ МЕРЗЛЫХ ПОРОД

Формирование мерзлых г.п. обусловлено радиационно-тепловым обменом земной поверхности с нижележащими слоями горных пород и атмосферой. Уравнение радиационно-теплового баланса за год обычно представляется в виде: (Q + q)(1-a ) = LЕ + Р + В + I. (1)

Q — прямая солнечная радиация на пов-ти земли, кДж/см²-год; q — рассеянная солнечная радиация на пов-ти Земли, кДж/см²год; а — альбедо пов-ти земли, в долях ед.; I — эффект. излучение зем. пов-ти, кДж/см²тод; LЕ — затраты тепла на испарение с зем. пов-ти, кДж/см²год; P — затраты тепла на турбулентный теплообмен зем. пов-ти с атм., кДж/см²год; В — поток тепла между поверхностью и нижележащими слоями горных пород, кДж/см²год.

При детальном анализе не удается выявить и проследить связь законо­мерностей формирования сезонно- и многолетнемерзлых толщ с составляющими теплообмена на поверхности земли, так как в данном уравнении теплообороты между поверхностью и нижележащими слоями горных пород (В) за годовой период принимаются равными нулю и поэтому вообще исключаются из рассмотрения. Обусловлено за счет разности V теплооборотами за теплый и холодный периоды одного года. благодаря направленным изменениям климата за многолетний период (климатически или природные циклы в геологическом масштабе времени) эта разность приводит к весьма значительным накоплениям суммарных теплооборотов в верхних слоях литосферы, достаточных для образования или оттаивания мерзлых толщ на глубину до сотен метром. одна из причин направленности и динамики развития мерзлых толщ за многие десятки и сотни лет связана с различными периодами климатических колебаний, которые сопровождаются непрерывными изменениями тепломассообмена и поверхности земли.

из анализа решения уравнения радиационное теплового баланса за теплое и холодное полугодия, что прямая и рассеянная радиации (Q + q) достигают наибольших значений летом и до минимума сокращаются зимой. В летний период радиационно-тепловой баланс (R) положителен и происходит существенное нагревание земной поверхности, так как суммарная поглощенная радиация намного превышает эффективное излучение (I). Положительный радиационный баланс обычно достигает таких больших значений за короткий теплый период в высоких широтах, что сумма его за год остается положительной практически на всей территории земного шара. Основное количество этой избыточной энергии затрачивается на испарение, турбулентный теплообмен и теплообороты в горных породах: R = (Q + q) (1-a) -1 = LЕ + Р + В.

В зимний период, при переходе температуры поверхности через 0°С, испарение и турбулентный теплообмен с атмосферой (LЕ + Р) весьма незначительны и стремятся к нулю. зимой снеж­ный покров почти полностью сокращает поглощенную радиацию, так как его альбедо (а) достигает 0,8. В связи с этим радиационный баланс (R) в этот период становится отрицательным, поскольку эффективное излучение превышает поглощенную радиацию, что обес­печивает понижение температуры земной поверхности ниже 0 °С. Следовательно, в продолжительный холодный сезон года в высоких широтах устойчивый отрицательный радиационный баланс (R) обусловлен значительным эффективным излучением (I), что приводит к теплообороту в подстилающих горных породах (В), формированию отрицательных температур на поверхности почвы и промерзанию горных пород:

интенсивность и глубина промерза­ния горных пород в значительной степени зависят от продолжитель­ности холодного полугодия с отрицательным радиационным балан­сом на земной поверхности. Именно соотношение продолжительно­сти периодов с положительным и отрицательным радиационными балансами определяет знак среднегодовой температуры поверхности Земли. Длительность холодного периода в высоких широтах и в вы­сокогорьях обычно намного превышает теплый сезон. В связи с этим в этих регионах Земли происходит постоянное промерзание горных пород и ММТ сохраняются в течение геологического времени.

СОСТАВ МЕРЗЛЫХ ДИСПЕРСНЫХ ПОРОД (Состав МДП)

Г.П. в мерзлом состоянии включают сле­дующие основные составляющие: минеральный скелет (реже органоминеральный или чисто ор­ганический); твердая фаза воды (лед); жидкая фаза воды (высокоминерализованные растворы и свя­занная вода); газовая составляющая (пары воды и другие газы).

СКЕЛЕТ МЕРЗЛЫХ ПОРОД

Особенности строения и вещ- венный состав скелета МДП опред. их физ-механ свойства, которые зависят: 1) от степени дисперсности пород и удельной пов-ти их частиц; 2) от мин и хим состава пород; 3) от формы частиц скелета, их сложения и взаимного расположения.

Удельная пов-ть частиц в Г.П. опре­д. кол-во незамерзшей физически связанной воды в мерзлых дисперсных грунтах, что влияет на ин­женерно-геологические свойства мерзлых пород. крупнообло­мочные породы обладают малой удельной поверхностью и обычно содержат гравитационную воду, которая замерзает уже при О °С. Песчаные породы различной зернистости помимо гравитационной содержат капиллярную воду, которая замерзает при температуре не ми же -0,2 °С. Поэтому в мерзлом состоянии они почти не содержат не замерзшую воду.

В отличие от крупнообломочных и песчаных образований тонкодисперсные породы обладают большой удельной поверхностью -содержат значительное количество глинистых частиц размером 0,002 мм и меньше. Глинистые минералы обладают большой гидрофильностью (особенно монтмориллонит) и на своей поверхности адсорбируют большое количество воды, которая не замерзает при температурах до -10 °С и ниже. В связи с присутствием определенного ко­личества физически связанной воды глинистые тонкодисперсные породы обладают некоторой пластичностью даже в мерзлом состоянии, что придает им своеобразные инженерно-геологические свойства.

Форма и взаимное расположение частиц скелета существенно влияют на физико-механические свойства мерзлых пород. При этом прочностные характеристики дисперсной породы будут высокими, если частицы скелета контактируют между собой и сцементированы льдом. Если же отдельности скелета раздвинуты льдом, то прочно­стные характеристики мерзлой породы будут зависеть, прежде все­го, от физико-механических свойств самих ледовых прослоев при данной температуре.

ЛЕД В МЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ

Лед в горных породах называется подземным независимо его происхождения, условий залегания, размеров и формы. Обычно различают следующие основные четыре группы подземных льдов:

Погребенный лед образуется при захоронении в горных по­родах снежников, глетчеров, речных, озерных и морских льдов, на­ледей и т. д. Он формирует крупные залежи различной формы и мощности, но встречается сравнительно редко.

Повторно-жильный лед имеет клиновидную или столбчатую форму и образуется в морозобойных трещинах при их много кратном заполнении водой или снегом. Подобные ледовые тела про­никают на глубину до десятков метров, а их размеры по горизонтали в верхней части могут достигать 10 м.

Инъекционный лед встречается в виде пластов и линз и об­разуется при замерзании подземных вод, внедрившихся под напором и толщу мерзлых пород. Мощность пластовых ледовых тел достига­ет десятков метров.

Конституционный лед образуется при замерзании влажных дисперсных пород. Он формирует едва заметные кристаллики или небольшие по мощности (до 0,5 м) включения и прослойки. В по­следнем случае такой лед называют текстурообразующим, посколь­ку он фактически формирует текстуру мерзлой породы. Конститу­ционный лед подразделяется на несколько подгрупп в соответствии с основными условиями его формирования и особенностями залега­ния:

а) лед-цемент — образуется во влажных дисперсных породах и занимает поровое пространство и другие микропустоты;

б) сегрегационный (миграционный) — образуется при ми­грации воды к фронту промерзания;

в) десублимационный — образуется при замерзании водя­ных паров на охлажденной пов-ти пород;

г) инфильтрационный — образуется при замерзании инфильтрационной гравитационной воды на мерзлом водоупоре.

ЖИДКАЯ ВОДА В МЕРЗЛЫХ ПОРОДАХ

В мерзлых дисперсных породах практически всегда содержится определенное количество незамерзшей воды, благодаря ее активно­му взаимодействию с тонкодисперсными частицами скелета и с ио­нами растворенных в ней солей, что понижает точку замерзания са­мой воды. По фазовому состоянию воды в горной породе и энергии связи ее молекул с частицами скелета выделяются следующие виды воды в породах: