3.2. Изменение состава и строения рыхлых отложений при их эпигенетическом промерзании

При промерзании рыхлых отложений в первую очередь происходит образование твердой фазы воды-льда. Гравитационная, капиллярная и слабосвязанная пресная вода кристаллизуется при близких к 0⁰С температурах. Прочносвязанная вода при этом замерзает в широком диапазоне отрицательных температур. Морские воды с минерализацией более 30 г/л кристаллизуются лишь при температурах от – 1,5 до – 2⁰С, а рассолы могут не замерзать даже при температуре – 20⁰С. Причем замерзание воды обычно сопровождается резко выраженной дифференциацией солей между твердой и жидкой фазами воды. Часть солей, растворенных в воде, оказывается вовлеченной в лед, часть наиболее труднорастворимых – выпадает в осадок, а часть легкорастворимых – отжимается в нижележащие слои воды, что приводит к увеличению минерализации этих вод.

Медленное и постепенное промерзание приводит к образованию наиболее «чистых» льдов. В осадок при промерзании (в соответствии со степенью растворимости при отрицательных температурах) выпадают вначале труднорастворимые соли СаСО₃ (в диапазоне температур от - 1,5 до – 3,5⁰С), а затем (при температурах от - 7 до – 15⁰С) Na₂SO₄, CaSO₄ и др., образуя кристаллогидраты. Таким образом, промерзание обусловливает опреснение и рассоление мерзлых пород. Минерализация порового раствора при этом окажется еще более пониженной. Это так называемый процесс повторного криогенного опреснения, но уже за счет уменьшения доли труднорастворимых солей в растворе.

В конечном итоге, эти криогенные толщи обогащаются гипсом (CaSO₄*2Н₂О), мирабилитом (Na₂SO₄*10Н₂О) и кальцитом (СаСО₃), т.е. идет процесс сульфатизации и карбонатизации. Ниже границы промерзания воды оказываются сильноминерализованы – до 200 г/л.

Отжимаемые высокоминерализованные растворы отличаются большой плотностью, что приводит к их конвекции и опусканию вниз, в область более высоких температур. Именно с этим связано широкое распространение в шельфах Арктических морей ниже мерзлых пород мощных (более 1000м) криопэгов с минерализацией до 100 г/л подстилаемых пресными водами.

Криогенное преобразование химического состава и минерализации порового раствора протекает различно для пресных и соленых вод. Преобразование пресных вод, минерализация которых не превышает 1 г/л, протекает в достаточно узком диапазоне отрицательных температур (от 0 до - 0,2⁰С) и характеризуются потерей углекислоты повышением рН раствора, увеличением концентрации карбонатных ионов. Данные о криогенном преобразовании химико-минерального состава рыхлых пород (как в процессе промерзания, так и в мерзлом их состоянии) крайне ограничены. Многие указывают на возможность протекания в многолетнемерзлых толщах реакций катионного обмена, гидратации и гидролиза в системе «минеральная порода – незамерзшая вода».

Лед – один из самых распространенных, легких и простых по химическому составу минералов, характеризующийся высокой изменчивостью и неустойчивостью. Он бесцветен, имеет стеклянный блеск, спайностью не обладает, показатель преломления 1,3, плотность 0,917 г/см³, твердость 1,5.

Возникновение льда – дисперсно распыленного в породе минерала – это процесс термодинамического и физико-химического уравновешивания системы (породы) с внешней средой, характеризующийся отрицательной температурой. Жидкая фаза влаги при этом уже не может находится в равномерной состоянии, а потому частично или полностью переходит в твердое (равновесное) состоянии. При этом происходит и сложный физико-химический процесс внутреннего уравновешивания составных частей системы: льда, незамерзшей воды, солей и т.д.

В зависимости от генезиса, условий накопления и преобразования, геометрической формы и других признаков составлено большое количество классификаций подземных льдов.

Классификация подземных льдов.

(По А.И. Попову и Н.И. Толстихину, 1974 г.)

1. Льды, формирующиеся в земной коре (эндогенные):

• Повторно-жильные, жильные, инъекционные;

• Сегрегационные, лед-цемент;

• Пещерные;

• Горных выработок.

2. Льды, погребенные (экзогенные):

   • Снежные (глетчерные, фирновые);

   • Водные (наледные, речные; озерные и болотные; морские).

Повторно-жильные льды формируются по морозобойным (температурным) трещинам. Обычная глубина морозных трещин в многолетнемерзлых породах составляет 3-5 м. Ширина жил по поверхности может достигать 10 м, длина – десятком метров. Вертикальная протяженность сингенетических жил может составлять 30-40 м и более, а эпигенетических – 6-10 м.

Жильные льды образуются в результате замерзания воды в различного генезиса трещинах магматических, метаморфических и осадочных пород.

Инъекционные льды встречаются обычно в виде пластовых и линзовидных залежей и обязаны своим происхождением воде, поступающей под гидростатическим напором в ослабленные участки промерзающей породы.

Миграционно - сегрегационные льды формируются в результате миграции влаги из такой в мерзлую часть промерзающей или оттаивающей породы, образуя различные типы криотекстур.

Лед-цемент и миграционно- сегрегационный лед являются наиболее распространенными типами подземных льдов. Образуются при промерзании увлажненных тонкодисперсных и грубообломочных рыхлых пород.

Пещерные льды и льды горных выработок могут образовываться в результате замерзания затекающей свободной воды или перекристаллизации снежных заносов, а также вследствие конденсации и аблимации водяных паров.

Погребенные льды могут иметь различный генезис. Это могут быть захороненные речные, наледные, озерные, болотные, морские и т.д.

ЛЕКЦИЯ 4.ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ, ФИЗИКО-ХИМИЧЕС-КИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ПРОМЕРЗА-ЮЩИХ, МЕРЗЛЫХ И ПРОТАИВАЮЩИХ ПОРОДАХ