3.3. Сезонне та багаторічне промерзання гірських порід.

Обширні простори на земній кулі зайняті багаторічномерзлими грунтами, величезні території піддаються сезонному промерзанню. Щорічне промерзання є сезонним (сезонномерзлі породи).

На сьогодні замість терміну “вічно мерзла” вживають поняття “багаторічно мерзла” порода. Означення “вічномерзлий” умовне, тому що нічого вічного в природі не існує. У нашій мові слово “вічний” синономічне слову “нескінченний”. Але ж в історії Землі були періоди, коли на одних і тих же ділянках земної кори ніякої мерзлоти не існувало, отже, термін “вічна мерзлота” є некоректним.

Розглянемо зміст поняття “мерзла порода” чи «мерзлий грунт». Раніше мерзлими грунтами вважалися всі гірські породи, що мали від‘ємну температуру. Однак зменшення температури до нуля і нижче не завжди змінює будівельні властивості породи. Наприклад, розглянемо сухий пісок. Очевидно, що як в умовах позитивних, так і від‘ємних температур він буде наділений практично однаковими властивостями, залишаючись сипкою безструктурною породою. Інша справа, якщо пісок насичений водою. В цьому випадку цементація піщаних часток льодом надає піскові значної міцності. Якщо ж усі породи з від‘ємною температурою називати мерзлими, то очевидно, і сухий пісок, що не змінив своїх властивостей, і пісок, зцементований льодом і перетворений на напівскельну породу, доведеться віднести до однієї групи мерзлих порід. В цьому, без сумніву, полягає значна незручність.

Для того щоб уникнути подібного становища, деякі вчені (М.А.Цитович, М.І.Толстіхін та ін.) запропонували застосовувати термін “мерзлі” тільки до тих порід, які мають нульову або від‘ємну температуру і містять включення льоду. Ті ж породи, що мають від‘ємну температуру, але не містять льоду, прийнято називати «морозними». Вічномерзлими породами називають такі мерзлі породи, що не відтаюють протягом декількох років.

Будівництво в умовах розвитку багаторічномерзлих порід дуже ускладнене і вимагає всебічного вивчення і кількісної оцінки процесів, які відбуваються в пухких породах при їх замерзанні-відтанені. Цими питаннями займається спеціальна наука – мерзлотознавство, або геокріологія.

Площа поширення багаторічномерзлих порід значно менша, ніж площа порід сезонного промерзання, але все ж охоплює значні території на трьох континентах (Євразія, Америка і Антарктида). в цілому вона дорівнює приблизно 35 млн. км², що становить 24% всієї поверхні суші на земній кулі. Потужність багаторічномерзлих порід коливається від 10-15 м до 300-500 м на крайній півночі, за полярним колом.

3.3.1. Будова товщі багаторічномерзлих порід.

Основними характеристиками будови товщ мерзлих порід є глибина залягання верхньої і нижньої поверхонь мерзлої товщі, її потужність, переривчатість за площею і глибиною.

Глибина залягання верхньої поверхні мерзлої товщі непостійна. В зв‘язку зі значними температурними коливаннями в районах поширення багаторічномерзлих порід спостерігаються явища сезонного промерзання і відтанення. Шар періодично замерзаючих і відтаючих порід називається діяльним шаром.

Слід відзначити, що глибини поширення позитивних температур у літній період і від‘ємних у зимовий між собою не збігаються. Тому розрізняють два поняття: сезонновідтаючий шар і сезоннопромерзаючий шар, які відповідають потужностям порід, що відтаюють у літній і промерзають у зимовий період. Якщо величина літнього відтанення перевищує величину зимового промерзання, то потужність діяльного шару визначаються за максимально можливою глибиною сезонного відтанення. При зворотньому співвідношенні потужність діяльного шару визначається за максимально можливою глибиною сезонного промерзання.

Глибини сезонного відтанення і промерзання можуть не збігатися за потужністю. У випадках, коли шар відтанення більший від шару промерзання, між шаром багаторічномерзлих порід і сезонномерзлих порід залишається постійний талик (мерзлі товщі, які “не зливаються”). При іншому співвідношенні глибин промерзання і відтанення шар сезонномерзлих порід безпосередньо переходить у шар багаторічномерзлих порід (мерзлі породи, які “зливаються”).

Перший тип характерний для південних районів області поширення багаторічномерзлих порід, другий – для північних.

Інколи в товщі мерзлих порід спостерігаються пластові талики, пов‘язані з найбільш водопроникними пластами порід, по яких рухаються підземні води. За наявності кількох пластових таликів, розташованих на різній глибині, товща багаторічномерзлих порід виявляється розбитою на окремі зони. В цьому випадку говорять про шаруваті або переривчасті зони (за глибиною).

Багаторічномерзлі породи не завжди мають суцільне поширення і в горизонтальному напрямку, вони часто перериваються таликами. Талики утворюються під ріками, озерами, у місцях інтенсивного виходу підземних вод і під потужним сніговим покривом. Залежно від того, чи пронизують талики всю товщу мерзлих порід, чи підстеляються знизу мерзлими породами, розрізняють два типи таликів: наскрізні і замкнені (псевдоталики).

Найширше розповсюдження мають талики під ріками. Вони відрізняються найбільшою глибиною. Під великими ріками, що не промерзають, часто спостерігаються наскрізні талики. Вони спостерігаються також і під непромерзаючим до дна озерами. В цьому випадку вони замкнені і мають форму глибоких ванн із майже зовсім прямовисними мерзлими бортами. Контакт між мерзлими береговими і талими підозерними породами знаходиться звичайно біля самого берега озера. Підвищення температур у мерзлих породах під озерами поширюється не більше, ніж на 50-100 м. Ця глибина залежить від фільтраційних властивостей відкладів, що лежать під дном озер: якщо відклади слабкофільтраційні, то потужність таликів не перевищує 20 м. Глибокі і наскрізні талики спостерігаються там, де відклади представлені породами, що добре фільтрують – тут створюються умови для конвективного теплообміну.

Останній тип таликів – це таліки аномального типу, які знаходяться в умовах суворого клімату, далеко від водних потоків і водоймищ. Основна причина їх утворення – наявність потужного снігового покриву, який з‘являється до настання сильних морозів.

Утворення таликів часто пов‘язане з діяльністю людини: з гідротехнічним будівництвом і меліоративними заходами. Наприклад, влаштування водосховищ із великою глибиною викликає глибоке протанення багаторічномерзлих порід і утворення наскрізних (на півдні) або замкнених (на півночі) таликів.

Важливою особливістю будови мерзлих порід є наявність виділень льоду. Лід може знаходитися у породах як у вигляді окремих кристалів, так і у вигляді великих включень. Льодовиділення у вигляді включень спостерігається тільки в незцементованих пухких породах, достатньо зволожених і залягаючих неглибоко від денної поверхні. Найчастіше такі виділення спостерігаються в глинистих породах (глинах, супісках, суглинках), торфах і заторфованих породах і рідше – в пилуватих і дрібнозернистих пісках. Льодовиділенню сприяють висока вологість породи (вище максимальної молекулярної вологоємності) і неглибоке залягання рівня грунтових вод.

Виділення льоду утворюють своєрідні текстури і структури мерзлих порід. Типи текстур наступні: масивна (льодові кристали розподілені рівномірно по всій потужності породи) і шарувата (лід утворює тонкі прошарки і лінзи). Масивний тип текстури характерний для щільних порід з невисокою початковою вологістю, шаруватий – для порід слабко ущільнених з високою початковою вологістю.

Присутність льоду у мерзлих породах відіграє роль цементу і додає породі міцності і водонепроникності. Однак при танені льодових включень порода часто виявляється перезволоженою і набуває текучого стану, цілком втрачаючи при цьому несучу здатність. Особливо велику небезпеку представляють льодяні включення великого розміру.