Криогенное строение мерзлых пород

Строение горных пород определяется их текстурными и структурными особенностями. Текстура – это сложение горной породы, определяемое расположением составных ее частей в пространстве. 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 (Ершов, 2002, стр.229). В общем виде криогенная текстура – это рисунок, узор, создаваемый льдом в мерзлой породе. Понятие текстуры мерзлой породы в отличие от криогенной текстуры включает изучение текстурных особенностей не только ледяных включений, но и органо-минеральной части.

Криогенная текстура скальных и полускальных (коренных) горных пород в значительной степени определяется характером пустот, которые существовали в ней до промерзания. Ледяные включения в этих породах в большинстве своем наследуют формы, расположение и нередко размеры пустот; по этой причине криогенную текстуру пород с жесткими связями нередко называют унаследованной. В соответствии с преобладающим видом пустотности в породе выделяют следующие криотекстуры; трещинные, трещинно-жильные, трещинно-пластовые и др. Все они эпикриогенные, поскольку сформировались после образования самой породы.

В коренных породах наибольшей льдистостью отличается верхняя часть разреза, подверженная интенсивному выветриванию. Однако существуют зоны повышенной трещиноватости и вблизи подошвы мерзлой толщи. Эта зона формируется за счет неоднократно повторяющихся процессов многолетнего промерзания− протаивания. В период аградации мерзлой зоны здесь отмечается повышенная льдистость пород, а в период деградации – повышенная обводненность.

В дисперсных отложениях криогенные текстуры могут формироваться как в процессе эпигенеза, так и сингенеза. Синкриогенные отложения образуются в процессе одновременного накопления осадков и перехода их в многолетнемерзлое состояние. Эпикриогенными называются породы, промерзшие после завершения процесса осадконакопления.

Группа эпикриогенных пород имеет доминирующее распространение в криолитозоне. Их геологический возраст всегда больше криогенного возраста. Эти породы могут слагать полностью весь разрез мерзлых толщ, а могут и подстилать синкриогенные отложения.

Синкриогенные отложения распространены с поверхности и приурочены только к аккумулятивным формам рельефа. Их мощность не превышает 100 м. К синкриогенным относят различные типы континентальных отложений. По условиям накопления осадка они разделены на три группы: субаэральные, субаквальные и субгляциальные (Романовский, 1993).

Изучение криогенных текстур, в первую очередь синкриогенных отложений, во многом способствует выяснению условий формирования отложений криолитозоны (мерзлотно-фациальный анализ). Все виды криогенных текстур можно объединить в три основных типа: массивная, шлировая (слоистая) и сетчатая. Массивная криотекстура наблюдается в основном в зернистых осадочных породах, характеризующихся отсутствием слоистости. Шлировая и сетчатая текстуры формируются за счет небольших по мощности прослоек (шлиров) льда, которые обособлены от самой породы (рис.4.1).

В зависимости от толщины шлиров криогенные текстуры подразделяются на микрошлировые – менее 1 мм, тонкошлировые – 1-5 мм, среднешлировые – 5-20 мм и толстошлировые – более 20 мм. Между различными видами криогенных текстур существуют постепенные взаимопереходы, в результате чего образуются сложные сочетания. В пределах крупной сетки, образованной толстыми шлирами льда, нередко развиты тонкосетчатая, микрошлировая и иные разновидности текстуры.

Рис.4.1. Основные типы криогенных

текстур по И.Д.Данилову (1983).

1-6 – массивная (лед-цемент): 1 – контактная, 2 – пленочная, 3 – поровая, 4 - корковая, 5 – базальная атакситовая, 6 – базальная эвтакситовая;

7-14 – шлировая (слоистая): 7 – горизонтальная ритмичная, 8 – горизонтальная равномерная, 9 – волнистая, 10 – линзовидная, 11 – косая, 12 – параллельновогнутая, 13 – параллельновыпуклая, 14 – наклонная; 15-21 – сетчатая (решетчатая): 15 – сетчатослоистая, 16 – сетчатая, 17 – неполносетчатая, 18 – решетчатая прямоугольная, 19 – неполнорешетчатая прямоугольная, 20 – решетчатая наклонная, 21 – неполнорешетчатая наклонная.

В однородных по литологическому составу толщах пород при их промерзании сверху (при эпигенезе) формируется характерный тип криогенной текстуры: сеть льдистых прослоек с глубиной становиться реже, при одновременном увеличении мощности самих прослоек. Такой характер криогенного строения имеют толщи ледниково-морских и озерных отложений, распространенных на севере Западной Сибири. На п-овах Ямал и Гыдан на глубинах в нескольких десятках метров встречаются залежи льда.

В пределах речных долин, особенно в льдистых отложениях низких террас, нередко наблюдаются горизонтально слоистые и сетчатые текстуры. Этот тип разрезов характерен для тонкодисперсных отложений, в толще которых до промерзания существовали водоносные слои.

Для сингенетически промерзавших осадочных отложений в целом характерна высокая льдистость, которая сохраняется по всему разрезу. Промерзание осадков, одновременное с их накоплением, происходит в условиях сильнообводненного деятельного слоя, что и определяет высокую льдонасыщенность пород. В этом случае обычно формируются слоистые, тонкосетчатые и слоисто-сетчатые криогенные текстуры. Сингенетические криогенные текстуры наиболее полно изучены в плейстоценовых отложениях Якутии Е.М.Катасоновым, автором мерзлотно-фациального анализа. Им отмечена одна из характерных черт этих толщ – их ритмичное строение. В основании каждого ритма залегает прослой льда (поясок), содержащий частицы грунта. Между ледяными поясками осадки могут иметь различную льдистость и разнообразные криотекстуры: сетчатую, слоистую или массивную.

В литифицированных осадочных породах, в отличие, например, от магматических криогенные текстуры отличаются большим разнообразием. По ориентировке и пространственному расположению прослоев льда здесь также можно выделить основные типы криотекстур: массивные, слоистые и сетчатые.

Структура мерзлых пород – это строение породы, определяемое взаимным расположением, величиной и формой минеральных элементов и ледяных включений, характером поверхности этих составляющих, а также наличием и характером связей между ними (Мерзлотоведение, 1981). Мерзлые породы, в отличие от талых, обладают своеобразной структурой в зависимости от их гранулометрического состава и агрегатного состояния минеральных частиц, а также от количества и распределения в них льда-цемента.

В последние годы повышенное внимание уделяется микростроению мерзлой породы, которое определяется сочетанием слагающих ее элементов, К элементам микростроения мерзлых пород относятся первичные минеральные зерна, частицы и их агрегаты, слагающие минеральный скелет, кристаллы льда, незамерзшая вода, воздушные включения и инородные примеси размером, как правило, менее 1 мм.

Характеристика частиц и их агрегатов ведется методами, широко использующимися в инженерной геологии при описании микростроения дисперсных грунтов. При анализе включений льда сначала определяется общая льдистость породы, а затем тип ледяных включений. Методами определения микростроения мерзлой породы являются световая и электронная микроскопия, рентгеноструктурный и другие виды анализа.