9. Миграция влаги в промерзающих дисперсных породах. Влияние состава, влажности и температуры на процессы миграции и текстурообразования. Классификация криогенных текстур.

Процесс промерзания (протаивания) дисперсной породы вы­зывает резкое нарушение сложившегося термодинамически равновесного состояния системы и проявляется в динамическом сосуществовании мерзлой, промерзающей и талой зон и в воз­никновении подвижной границы раздела фаз между ними, т.е. фронта промерзания (протаивания).

Следует особо подчеркнуть, что именно мерзлая (а не талая) зона промерзающей и протаива­ющей породы будет вызывать и определять миграцию влаги. Свя­зано это с тем, что возникновение и существование градиента отрицательных температур в мерзлой зоне неизбежно приводит к созданию в ней значительных градиентов термодинамического потенциала по незамерзшей и парооб­разной влаге (grad W_нз и grad d). Наличие же движущих сил мигра­ции влаги в мерзлой зоне промерзающих (или протаивающих) пород вызывает передвижение жидкой и парообразной влаги в направлении от большего потенциала влаги (или влагосодержания) к меньшему, т.е. из области более высоких в область более низких отрицательных температур.

Дефицит влаги, возникающий при этом в высокотемператур­ной части мерзлой зоны, будет восполняться за счет подтягива­ния ее из талой зоны промерзающей (или протаивающей) поро­ды, что является энергетически более выгодным, поскольку влага здесь оказывается менее связанной и более подвижной, чем в мерзлой зоне. Такой процесс вызовет в свою очередь формирова­ние градиентов термодинамического потенциала влаги и влагосодержания в талой зоне породы, которые будут обеспечивать по­ступление в мерзлую зону необходимого (требуемого мерзлой зо­ной) количества жидкой и парообразной влаги. Талая часть поро­ды при этом служит как бы «резервуаром» или источником влаги для мерзлой зоны.

Влагоперенос и льдонакопление в промерзающих породах определяются как составом и строением пород, так и условиями их про­мерзания. Состав промерзающих дисперсных пород при этом яв­ляется одним из основных факторов, определяющих особенности влагопереноса и льдонакопления в них. Так, в гравийно-галечных песчаных отложениях, где влагоперенос осуществляется в основ­ном за счет пара, процесс миграции жидкой влаги практически отсутствует. При полном их влагонасыщении (С=1) процесс про­мерзания обычно сопровождается объемным распучиванием за счет увеличения на 9% объема воды при переходе ее в лед, а нередко и так называемым «поршневым эффектом», который заключается в отжатии избыточной воды вниз. Сегрегационное льдовыделение фиксируется лишь при размерах минеральных частиц менее 1 мм, когда начинает интенсивно работать адсорбционно-пленочный механизм переноса влаги. Коэффициенты влагопереноса мерзлых дисперс­ных породах уменьшаются в несколько раз при переходе от каолинитовых глин к монтмориллонитовым и к мерзлым пескам. Градиенты же потенциалов влаги в промерзаю­щей зоне возрастают по мере увеличения дисперсности и от монтмориллонитовых к каолинитовым глинам. Поэтому миграцион­ные потоки влаги повышаются с ростом дисперсности пород и увеличением в них минералов группы каолинита.

Большое значение в практическом отношении имеют вопросы влагопереноса и льдонакопления в дисперсных породах при промерзании их в различных термодинамических условиях. Так, в условиях «открытой» системы суммарный миграционный поток влаги в фунтах обусловлен развитием влагообмена как внутрен­него за счет перераспределения собственной грунтовой влаги, так и внешнего за счет миграции влаги из водоносного горизонта. Промерзание же грунта в условиях «закрытой» системы вызывает только внутреннее перераспределение влаги между мерзлой и талой частями пород.

Льдонакопление в промерзающих породах зависит от режима их промерзания и возрастает с увеличением grad t в мерзлой зоне. Однако рост grad t в мерзлой зоне приводит к увеличению скоро­сти промерзания.

Под криогенной текстурой мерзлой породы понимается такое сложение ее ледяного каркаса, состоящего из включений и прослоев льда различной формы и размеров, ориентировки и пространственного взаиморасположения, при котором структура ми­нерального скелета разделена на структурные отдельности. Поня­тие текстуры мерзлой породы в отличие от криогенной текстуры включает изучение текстурных особенностей не только ледяных включений, но и органоминеральной части.

Криогенные текстуры скальных пород определяются главным образом их трещиноватостью, особенностями заполне­ния трещин влагой и ее замерзанием. Это, как правило, унаследо­ванные криогенные текстуры. Размеры, форма, ориентировка и пространственное взаиморасположение ледяных включений в них соответствуют геометрии трещин. В магматических изверженных породах формируются тре­щинные и трещинно-жильные криогенные текстуры.

В осадочных сцементированных породах выделяются пластово-трещинные, пластово-трещинно-поровые, пластово-трещинно-карстовые типы криогенных текстур. Размеры прослоев льда в унаследованной текстуре определяются раскрытием тре щины и изменяются от долей миллиметра до десятков сантимет­ров. По мощности льда выделяют тонко-, средне-, толстотрещин­ные и трещинно-жильные криогенные текстуры. По взаиморасположению и ориентировке в пространстве вы­деляют упорядоченно-сетчатые (или закономерно-сетчатые) и беспорядочно-сетчатые (незакономерно-сетчатые) криогенные текстуры.

Криогенные текстуры в литифицированных породах рыхлого чехла в зависимости от их состава и строения, а также условий промерзания весьма разнообразны. По ориен­тировке и пространственному взаиморасположению прослоев льда выделено несколько основных типов криогенных текстур: массив­ные, слоистые, сетчатые и ячеистые. В зависимости от размеров прослоев льда и расстояния между ними выделяются различные виды криогенных текстур (табл. 7.2).