Состав мерзлых дисперсных (осадочных) пород

Породы без жестких связей являются сложными многокомпонентными и многофазными системами, в которые входят следующие составляющие:

1) скелет (минеральный и органно-минеральный);

2) твердая фаза воды (лед и кристаллогидраты);

3) жидкая фаза воды;

4) газообразная составляющая (пар и газы).

Скелет мерзлых осадочных отложений состоит преимущественно из минеральной части, а в почвах и биогенных породах – в значительной степени или практически полностью (торф) из органических частиц. Основной особенностью состава мерзлых пород является наличие нового породообразующего минерала – льда, строение которого определяется генезисом.

В минеральной части мерзлых пород обычно выделяют первичные и вторичные минералы. Первичные минералы и их агрегаты образуются в результате физического выветривания изверженных и метаморфических пород, Вторичные, образованные преимущественно за счет химического выветривания, делятся на нерастворимые и растворимые в воде минералы. Первые образуются в криолитозоне в основном в результате разрушения и преобразования слоистых и ленточных силикатов и полевых шпатов (монтмориллонит, гидрослюды, бейделлит). Растворимые минералы представлены солями различных кислот. Соли, содержащие воду, образуют кристаллогидраты.

Органическое вещество в мерзлых отложениях может находиться в виде слаборазложившихся растительных и животных остатков и продуктов их разложения – гумуса. Широко распространены в криолитозоне торфяные отложения, образующиеся при отмирании и разложении болотной растительности в условиях избыточного увлажнения, недостатка кислорода и низких температур.

Физические и физико-механические свойства мерзлых пород в большей степени зависят от их морфологических особенностей и вещественного состава: 1) от степени дисперсности, т.е. величины удельной поверхности частиц скелета; 2) от минерального и химического состава скелета, особенно коллоидной его части; 3) от формы и взаимного расположения частиц, т.е. от сложения.

Величина удельной поверхности влияет на содержание в породе связанной воды, замерзающей при различных отрицательных температурах, а, следовательно, и на механические свойства породы.

Крупнообломочные и песчаные породы состоят из обломков первичных минералов, удельная поверхность которых обычно мала и в них физико-химические процессы ослаблены. Тонкодисперсные отложения состоят, как правило, из вторичных глинистых минералов: каолинит, монтмориллонит и гидрослюды. Эти минералы способны адсорбировать большое количество воды, которая замерзает при низких отрицательных температурах, поэтому и в мерзлом состоянии глинистые породы будут обладать определенной пластичностью.

Форма и расположение частиц в породе определяет распределение в ней льда. Если они контактируют между собой, то прочностные свойства такой породы будут выше, чем у той, где контакты между минеральными частицами нарушены льдом.

Лед является важнейшим породообразующим минералом в мерзлой породе. Этот лед называется подземным, несмотря на характер залегания. Он может присутствовать в виде льда-цемента, включений, в виде отдельных скоплений. Все виды льда в горных породах можно объединить в четыре основные группы.

Конституционный, или текстурообразующий лед, являющийся основным элементом, формирующим текстуру мерзлой породы. Он может находиться в порах и быть невидимым невооруженным глазом, а может залегать в виде включений, прослоек, линз и пр.

Инъекционный лед образуется при замерзании подземных вод, внедрившихся в породу под давлением. Он встречается в виде интрузий (гидролакколиты) и пластов на небольших, как правило, глубинах от поверхности. Размеры залежей инъекционного льда могут достигать в плане тысяч м².

Повторно-жильный лед образуется при многократном заполнении водой или снегом морозобойных трещин с отрицательной температурой стенок. Он имеет клиновидную или столбчатую форму в поперечном разрезе. Размеры жил по вертикали составляют от нескольких сантиметров до нескольких десятков метров, в плане – до 3-5 м.

Залежеобразующие (пластовые) льды встречаются на глубинах до 100 и более метров (Дубиков, 2002). Это крупные скопления иногда совершенно чистого без грунтовых примесей льда мощностью от 0, 5 до нескольких десятков метров. Природа их различна. Это может быть погребенный под склоновыми отложениями снежник или остатки глетчера, наледи и пр.; возможен инъекционный тип образования, когда вода внедряется под напором между слоями пород различного состава; вероятен также длительный процесс формирования залежи при медленном поступлении подземных вод к фронту промерзания (сегрегационный механизм) и т.д.

Жидкая фаза воды в мерзлых породах является весьма динамичным и важным компонентом, определяющим ее свойства. Вода в порах породы может находиться как в свободном (гравитационная), так и связанном (пленочная) состоянии. Пресная свободная вода замерзает при температуре 0⁰С, но с увеличением минерализации температура начала замерзания понижается: примерно 1 град. на каждые 18-20 г/л минерализации (зависит от состава солей). Теоретически температура может понизиться до эвтектической, когда начинается выпадение солей из раствора. При отрицательных температурах близких нулю градусов замерзает капиллярная влага, находящаяся в классификационной схеме где-то посередине между свободной и связанной водой.

Связанная вода условно подразделяется на прочносвязанную и рыхлосвязанную. Чем ближе молекула воды к частице породы, тем сильнее она к ней притягивается за счет водородных связей. Прочносвязанная вода имеет высокую плотность (до 2.45 г/см³) и замерзает при очень низких отрицательных температурах – при минус 70-80°С.

Рыхлосвязанная вода по своим свойствам мало отличается от свободной, но она имеет повышенную вязкость, медленно передвигается в пустотах породы. Скорость передвижения тем меньше, чем тоньше пленка воды, образующаяся вокруг минеральной частицы. В обычных условиях эта вода не передает гидростатическое давление; замерзает она при температурах от близких к нулю значений до минус 10°С и ниже.

Практически всегда в горной породе присутствует вода в виде пара. Велико ее значение в процессах, протекающих в зоне аэрации, где наблюдаются высокие градиенты влажности и температуры в условиях повышенной свободной пористости пород. Благодаря конденсации парообразной влаги происходит увеличение влажности и льдистости пород.

В последнее время большое значение уделяется природным газам, содержащимся в породе иногда в значительных количествах. При определенных давлениях и температуре такие газы как метан, сероводород и др. легко вступают во взаимодействие с водой, образуя гидраты газа. Процесс этот энергоемкий и может происходить не только при отрицательной, но и положительной температуре (при высоких давлениях на больших глубинах).