17Промерзание горных пород и формирование при этом их свойств

Промерзание горных пород сопровождается различными физическими и физико-химическими процессами, приводящими к изменению их состава, строения, физического состояния и формированию их физико-механических свойств.

При промерзании скальных и полускальных пород их состав и свойства меняются мало, однако в строении массивов и толщ этих пород появляются жилы, слои и другие крупные скопления льда как мономинеральной породы, заполняющие трещины и пустоты. Появление льда в массивах скальных и полускальных пород и характеризует формирование их свойств, при промерзании.

Промерзание тонкодисперсных (песчаных и глинистых) отложений сопровождается значительными и сложными изменениями состава и строения самих пород и их толщ, а также физического состояния и свойств этих пород. Такие изменения часто сопровождаются характерными процессами мерзлотного комплекса, и в первую очередь процессами миграции влаги.

Промерзание песчаных и глинистых пород всегда сопровождается миграцией (перераспределением) в них влаги. В водоненасыщенных песках влага передвигается в виде пара под влиянием разности его упругости к фронту охлаждения, где она конденсируется, замерзает и цементирует породу. В водонасыщенных песках при промерзании происходит отжатие воды и ее перемещение от фронта промерзания. В этом случае, при промерзании песчаные породы цементируются льдом, в поровой воде возникает напор-поровое давление, превышающее силы взаимодействия молекул воды с минеральными частицами, и под влиянием этого напора происходит отжатие воды от фронта промерзания в сторону талых пород, т.е. в сторону пониженного напора.

При промерзании глинистых пород, как водонасыщенных, так и водоненасыщщеных, всегда наблюдается перемещение влаги к фронту промерзания под влиянием разности упругости пара (в водоненасыщенных породах), огромной величины поверхностных сил глинистых частиц и значительных капиллярных сил. В промерзающих глинистых породах поверхностные и капиллярные силы превышают силы порового давления и поэтому влага в них, всегда передвигается к фронту промерзания, где происходит ее замерзание и выделение льда в виде прослоек, линзочек, жилок и других форм. В результате этого, в глинистых породах у фронта волны холода резко возрастает их влажность (льдистость), которая существенно влияет на их свойства.

18 Физические и физико-химические процессы, связанные с промерзанием

19 Типы льда мерзлых горных пород

1) контактный - лед находится только в местах контакта частиц минерального скелета и образующийся при промерзании не полностью водонасыщенных грубозернистых песчаных и мелкообломочных пород;

2) пленочный - лед обволакивает поверхность частиц и оставляет большую часть пор свободной; он образуется в таких же породах, что и контактный, но более влажных;

3) поровый – лед полностью заполняет поры песчаных и грубообломочных частиц; этот вид льда-цемента образуется в полностью водонасыщенных песчаных и обломочных породах;

4) базальный – лед составляет основную массу мерзлой породы и разобщает частицы минерального скелета; встречается преимущественно в глинистых и глинисто-пылеватых породах.

Обычно тип цементации мерзлой породы одновременно характеризует и содержание в ней льда.