Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






Морозное пучение дисперсных пород.






Морозное пучение отложений обусловлено увеличением объема влаги при промерзании. Величина пучения грунтов зависит не только от количества содержащейся в них воды, но и от температурного режима и условий промерзания. Дисперсность грунтов, особенности их сложения во многом определяют миграцию влаги к фронту промерзания, за счет которой вспучивание грунтов возрастает. Процесс морозного пучения широко распространен в криолитозоне и в районах с глубоким промерзанием пород. Обычно наблюдается два вида процесса: без притока влаги извне (закрытая система) и с миграцией влаги (открытая система). Наибольшие деформации пучения пород происходят в условиях открытой системы при малых скоростях промерзания. К сильно пучинистым грунтам относятся влагонасыщенные пылеватые пески, супеси и легкие суглинки. Различают площадное и локальное пучение грунтов.

Площадное пучение грунтов развито весьма широко. Средняя величина площадного пучения при промерзании сезонноталого слоя обычно в 1.5-2.0 раза ниже, чем пучения сезонномерзлого слоя. Это связано с тем, что промерзание грунтов, имеющих отрицательную среднегодовую температуру, происходит, как правило, в закрытой системе, с ограниченным подтоком влаги к фронту промерзания. Формирование сезонномерзлого слоя происходит в условиях открытой системы и сопровождается интенсивной миграцией влаги из нижележащих немерзлых пород. Высота подъема поверхности за счет сезонного площадного пучения пропорциональна глубине промерзания и составляет обычно 1-5, реже 10-15 сантиметров. С началом протаивания грунтов и вытаивания льдистых прослоек поверхность будет вновь опускаться.

Процессы пучения и усадки приводят к выпучиванию из деятельного слоя крупных твердых тел (щебня, глыб, валунов, свай, столбов и пр.). Выпучивание каменного материала из мелкозема связано с более высокой его теплопроводностью и меньшей теплоемкостью. Под обломками грунт промерзает сильнее и к нему в первую очередь начинает мигрировать влага, которая, замерзая, образует прослой льда (шлир) и приподнимает эти обломки. При протаивании грунта каменный материал не может полностью опуститься на свое место, потому что оно уже частично занято осыпавшимся мелкоземом. В результате многократного (из года в год) повторения этого процесса идет перераспределение (сортировка) обломков внутри сезоннопромерзающего слоя: наиболее крупный материал находится вверху разреза или на поверхности. Иногда говорят об обратном (элювиальному) геологическом строении разреза.

В районах глубокого сезонного промерзания грунтов и, особенно, в области криолитозоны широко развит процесс выпучивания столбов и свай, что приводит к деформациям линейных сооружений. Последовательность стадий выпучивания столба показана на рисунке 7.1.

Первая стадия процесса соответствует началу интенсивного промерзания грунтов. Силы сцепления грунта с поверхностью столба тем выше, чем ниже температура среды. При подъеме поверхности за счет пучения верхний слой грунта увлекает за собой столб, вытаскивая его из талых (или вяломерзлых) пород. Этот процесс движения тела вверх сопровождается образованием под столбом полости (вторая стадия). Третья стадия процесса соответствует полному промерзанию СТС и закрытию полости льдом или сильно льдистым грунтом. В начале лета силы смерзания грунта со столбом постепенно сверху вниз исчезают, грунт оседает, а столб остается приподнятым, так как его движению вниз мешают еще не оттаивающие на глубине слои. После завершения летнего протаивания столб немного осядет, но возвратиться на свое прежнее место уже не сможет. В результате через несколько лет действия процесса пучения столб окажется мало заглубленным в грунт и не сможет выдержать даже ветровую нагрузку.

 

Рис.7.1. Схема выпучивания (вымораживания) столба из сезонноталого слоя, сложенного влажными дисперсными отложениями.

1 – промерзшая часть СТС; 2 – талая часть СТС; 3 – ММП; 4 – вода или разжиженный грунт в полости; 5 – лед или сильнольдистый грунт в полости; 6 – талый грунт, заполняющий полость; 7 – граница ММП; 8 – граница промерзших пород СТС; I-VI – стадии выпучивания столба в годовом цикле (пояснения в тексте).

Выпучивание столбов и фундаментов наблюдается и в районах сезонного промерзания, в первую очередь тех объектов, глубина заложения которых меньше мощности СМС. В этом случае к касательным силам пучения добавляется нормальная составляющая, действующая на подошву мало заглубленного объекта.

Заметнее всего в рельефе проявляется локальное пучение (бугры), которое обнаруживается на участках с неоднородными мерзлотно-гидрогеологическими условиями. В природных условиях появление бугров пучения может быть вызвано как сезонным, так и многолетним промерзанием грунтов.

Сезонные бугры пучения могут формироваться за счет подземных вод СТС; в этом случае высота их невелика и редко превышает несколько десятков дециметров. Довольно крупные бугры пучения образуются на участках разгрузки подземных вод всевозможных таликов. Размеры таких бугров весьма внушительные: высота достигает 5-6 м, а диаметр в основании – 20-50 м и более.

Наибольших размеров достигают многолетние бугры пучения. Основные причины их образования две: внутригрунтовое выдавливание воды или разжиженного грунта под действием криогенного напора и длительная миграция подземной влаги к фронту промерзания. В связи с этим выделяют миграционные и инъекционные бугры пучения. Выделить основную причину, приводящую к формированию бугра не всегда возможно.

Миграционные бугры пучения (классический пример) формируются на участках развития торфяников, температура которых ниже, чем окружающих минеральных пород. В начальный период промерзания отложений (новообразование мерзлоты), в условиях открытой системы, к подошве мерзлой толщи мигрирует и замерзает влага, увеличивая тем самым объем и высоту бугра (рис. 7.2, 7.3).

Рис.7.2. Поперечный разрез палсы с торфяным ядром, северная Канада (по Zoltai, Tarnokai, 1975).

1 – слаборазложившийся сфагновый торф; 2 – слаборазложившийся зеленомошный торф; 3 – среднеразложившийся зеленомошный торф; 4 – слаборазложившийся осоковый торф; 5 – слаборазложившийся осоково-моховый торф; 6 среднеразложившийся древесно-осоковый торф; 7 – слаборазложившийся торф из лесного мха; 8 торф, отложившийся в водной обстановке; 9 – минеральный грунт.

Рис. 7.3. Строение миграционного бугра пучения

1 – торф светло-коричневый, слаборазложившийся, очень льдистый; 2 – торф темно-коричневый, хорошо разложившийся, льдистый; 3 – изгиб торфяных слоев в апикальной части бугра; 4 – лед, включающий до 5% торфа; 5 – чистый лед; 6 – кустарничковая растительность (багульник, голубика). (Мельников В.П., Спесивцев В.И., 2000).

 

С приподнятой поверхности бугра зимой снег сдувается, что еще больше способствует процессу промерзания грунтов. Скорость роста таких бугров пучения в Западной Сибири (по Ершову, 2002) в начальный этап составляет 10-30 см/год, а затем, по мере роста многолетнемерзлого ядра и увеличения самого бугра, уменьшается до 1-2 см/год. Эти бугры достигают высоты 20 метров, а диаметр в основании составляет сотни метров.

Многолетние инъекционные бугры пучения, образующиеся в условиях закрытой системы, связаны в основном с многолетним промерзанием несквозных водоносных подозерных таликов. В Республике Саха (Якутия) эти бугры носят название булгунняхов, а за рубежом – пинго. Причиной промерзания подозерных таликов является обмеление или осушение озер. При промерзании несквозного замкнутого талика в нем возникает криогенный напор, в результате которого мерзлая кровля в наиболее слабом месте выгибается, образуя многолетний бугор пучения с ядром из инъекционного льда (рис. 7.4). Промерзание талика и соответственно рост бугра пучения растягивается на многие десятки и сотни лет и внедрение воды в растущий булгуннях происходит многократно. Параллельно с инъекцией воды может наблюдаться и сегрегационное льдовыделение, в виде шлиров и прослоев льда. Размеры булгунняхов зависят от количества воды в замкнутой системе и могут достигать в высоту 30-40 м и по основанию – сотни метров.

В местах разгрузки различного типа подземных вод в области криолитозоны также формируются инъекционные бугры пучения, которые принято называть гидролакколитами. Причиной их образования является изменение гидродинамического напора подземных вод. Как правило, гидролакколиты разрушаются в течение летнего сезона, но встречаются и такие, которые формируются в течение одного зимнего периода, а разрушаются на протяжении нескольких лет. Такие бугры зафиксированы в Центральной Якутии, у подножья склонов, где развиты надмерзлотные радиационно-тепловые) талики.

 

Рис. 7.4. Схема образования

булгунняхов

I – несквозной талик под озером, II – промерзание несквозного талика при уменьшении размеров озера, III – образование замкнутого промерзаю-щего внутримерзлотного талика и начальный этап роста булгунняха, IV – зрелая стадия роста булгунняха.

1 – многолетнемерзлая порода; 2 – талая водонасыщенная порода; 3 – сезонноталый слой; 4 – уровень воды в озере; 5 – инъекционный лед; 6 – граница многолетнемерзлых пород; 7 – направление движения воды под действием криогенного напора.

 

7.2.2. Морозобойное растрескивание и полигонально-жильные образования.

 

Морозобойное растрескивание обусловлено процессами температурного сжатия–растяжения в массиве горных пород, которые могут приводить к деформациям последних. После того как вся вода в верхней части геологического разреза за счет его промерзания перейдет в лед и закончится пучение пород, массив продолжает остывать, в результате чего он сокращается в объеме. Возникающие в нем температурные напряжения могут привести к разрыву мерзлой породы в том случае, когда они превысят временное сопротивление породы на разрыв.

Физические условия образования морозобойных трещин детально разработаны Б.Н.Достоваловым (Основы мерзлотоведения, 1959) и рассматриваются в классических учебниках по мерзлотоведению.

Для начала морозобойного растрескивания необходимы следующие условия: 1) монолитность мерзлых отложений в пределах определенной площади; 2) наличие в них высоких температурных градиентов; 3) определенные физико-механические свойства пород. Наиболее широко морозобойное растрескивание проявляется на влажных глинистых и суглинистых грунтах и торфах.

В мерзлом массиве достаточно больших размеров при соответствующих температурах возникающие напряжения, в конце концов, превысят сопротивление породы на разрыв, и в ней образуется трещина. Появление свободной вертикальной поверхности уменьшает напряжения в массиве вблизи трещины, но они постепенно возрастают на удалении от нее. В однородном массиве напряжения нарастают равномерно, и поэтому вторая трещина будет параллельна первой. Таким образом, первый разрыв (появление свободной вертикальной поверхности) определяет направление последующих. В природных условиях роль первой трещины играют естественные границы рельефа: уступ террасы, обрывистый берег реки и пр. Поэтому первые трещины (трещины первой генерации) часто повторяют изгибы береговой линии рек и уступы надпойменных террас.

За счет формирования трещин первой генерации несколько уменьшаются напряжения в массиве пород между трещинами. Формирование трещин второй генерации начинается позднее и происходит перпендикулярно первым трещинам, а расстояние между разрывами внутри блоков будет выше. В дальнейшем могут появляться морозобойные трещины все более высоких генераций. Таким образом, однородный массив мерзлого грунта разбивается в плане на прямоугольную сетку − полигоны, короткие стороны которых образовались позднее длинных. Если массив мерзлых горных пород неоднородный, то возникают полигоны различной формы, в которых сохраняются указанные закономерности.

Образование трещин способствует охлаждению массива. Повышение температуры пород наблюдается вглубь от дневной поверхности и от стенки трещины к средней части блока. Максимальные (тангенциальные) напряжения в блоке пород (зависящие от физико-механических свойств) будут прямо пропорциональны градиенту температуры и расстоянию от свободной вертикальной поверхности (трещины) до рассматриваемого сечения.

При малых градиентах температур образуются крупные полигоны, которые при повышении градиентов делятся на все более мелкие. Установлено, что амплитуда колебаний температуры на поверхности грунта оказывает наибольшее влияние на размеры полигонов в плане, а среднегодовая температура пород – на глубину проникновения морозобойных трещин. В соответствии с этим можно заключить, что в условиях резко континентального климата полигональная решетка будет мельче, чем в умеренно континентальном и морском. В первом случае расстояние между морозобойными трещинами измеряется единицами, а во втором – десятками метров.

Морозобойные трещины проникают достаточно глубоко в горные породы. Если в области сезонного промерзания глубина их проникновения ограничена мощностью сезонномерзлого слоя, то в районах сливающейся криолитозоны элементарная трещина (одного зимнего сезона) может на несколько метров проникать в многолетнемерзлую толщу. Ширина морозобойных трещин на поверхности массива пород может достигать 5-10 см и более.

Морозобойное растрескивание грунтов на обширных участках северных равнин дает начало многим криогенным процессам и явлениям. Заполнение трещин минеральным грунтом приводит к формированию земляных (изначально грунтовых) жил, а заполнение водой и снегом – ледяных жил, т.е. различным полигонально-жильным образованиям. Последние подразделяются на несколько типов: повторно-жильные льды; изначально-грунтовые жилы; первично-песчаные жилы, пятна-медальоны и псевдоморфозы по повторно-жильным льдам.

Формирование повторно-жильных льдов происходит при развитии морозобойного растрескивания в многолетнемерзлые толщи. Весной, в период снеготаяния, талая снеговая вода заполняет трещину и там замерзает. Образуется элементарная ледяная жилка. Летом в слое сезонного оттаивания она оттаивает, а в мерзлых грунтах сохраняется. В следующий зимний сезон растрескивание мерзлого массива происходит по имеющимся трещинам (слабым зонам), и процесс повторяется. Каждый цикл сопровождается формированием элементарных жил, вложенных одна в другую, что приводит росту ледяной жилы в ширину. В структуре сформировавшейся ледяной жилы видна вертикальная полосчатость, обусловленная включениями частиц грунта и пузырьков воздуха. Можно даже подсчитать, сколько лет она росла. Обычно это время исчисляется многими сотнями – тысячами лет. Размеры ледяных жил тем больше, чем дольше она росла и выше суровость климата.

При эпигенетическом промерзании пород глубина проникновения жил льда в толщу мерзлоты не превышает обычно 5-7 м при ширине в верхней части до 2-3 м. Поперечный разрез эпигенетической жилы нередко имеет вид правильного треугольника (рис.7.5а).

 

Рис. 7.5. Схема эпигенетического (А) и сингенетического (Б) роста повторно-жильных льдов (по Б.Н.Достовалову)

I, II, III, IV – последовательные стадии роста жил; а, б, в, г – ежегодно образующиеся элементарные ледяные жилки; ∆ h – мощность слоя, накапливающегося за год осадка при сингенезе.

 

Повторно-жильное льдообразование приводит к возникновению полигонально-валикового рельефа. Растущие жилы по стенкам льда выжимают вверх вмещающую породу, образуя валики; полигоны, ограниченные ими представляют собой западины, нередко занятые мелкими озерами. Над самой жилой формируются канавообразные понижения в результате сезонного оттаивания и развития эрозионных процессов. Такой рельеф характерен для северных приморских низменностей (рис. 7.6).

Рис. 7.6. Схема основных соотношений изначально-грунтовых и ледяных жил в единых полигональных системах.

а – грунтовые жилы в песчаных аллювиальных отложениях при глубоком сезонном оттаивании и повторно-жильные льды в заторфованных пойменных супесях при мелком оттаивании, б – небольшие грунтовые жилки в песчаных отложениях низкой поймы при глубоком оттаивании, единая система жильных льдов и грунтовых жил в оторфованных песках при средней глубине сезонного оттаивания и повторно-жильные льды в оторфованных пойменных супесях при мелком типе оттаивания.

 

Морозобойное трещинообразование в условиях недостаточного увлажнения поверхности аккумулятивных равнин может сопровождаться образованием не ледяных, а изначально-грунтовых жил, которые формируются в слое сезонного оттаивания и промерзания пород (см.рис. 7.6). Они часто встречаются на участках глубокого протаивания грунтов, а также за пределами криолитозоны.

В условиях сурового и очень сухого климата, который был характерен для перегляциальных равнин Сибири, с частыми и сильными ветрами, морозобойное растрескивание сопровождалось формированием песчаных жил. Такие жилы образуются и в настоящее время, например, в Центральной Якутии, в пределах развития северных песчаных пустынь – тукуланов.

Широкое распространение в криолитозоне имеют мелкополигональные формы рельефа и связанные с ними пятна–медальоны. Эти формы образуются при промерзании сезонноталых грунтов супесчано-суглинистого состава. Промерзание СТС происходит неравномерно, сопровождается мелко полигональным растрескиванием и появлением обособленных (замкнутых) объемов грунта. Расстояние между трещинами на поверхности изменяется, обычно, в пределах 0.5-2.0 м. Развитие трещин предопределяет неравномерное промерзание пород в начале холодного периода, поскольку зимний воздух интенсивнее и быстрее охлаждает грунты, прилегающие к трещинам. Создаются небольшие линзы талых пород, в которых при дальнейшем промерзании возрастает гидростатическое давление. Это давление приводит к тому, что тиксотропный грунт внутри блоков переходит в пластично текучее состояние и при росте давления разрывает мерзлую кровлю, изливаясь на поверхность. При многократном повторении этого процесса образуются «пятна-медальоны», сложенные внутри пылеватыми дисперсными грунтами и тундровой растительностью по окружности (см. Приложение).

Псевдоморфозы по ледяным жилам являются вторичными образованиями, которые возникли в результате вытаивания ледяных жил и заполнения образовавшегося пространства грунтом. Потепление климата является основной причиной их формирования, поэтому они часто встречаются вблизи южной границы распространения «вечной» мерзлоты и в районах, где в недавнем геологическом прошлом были развиты многолетнемерзлые породы. Псевдоморфозы по повторно-жильным льдам помогают воссоздать историю формирования мерзлых пород и палеогеографическую обстановку прошедших эпох.

Псевдоморфозы обладают общими с жильными льдами признаками: а) полигональное расположение тел в плане; б) клиновидная форма в поперечном разрезе; в) отгибание слоев вмещающей породы вблизи жилы вверх. Признаки, свойственные собственно псевдоморфозам следующие: а) заполнение вмещающими породами полости, образующейся при вытаивании льда; б) сохранение в породе пустот на месте вытаявшего льда; в) образование в рельефе полигональной сети канавообразных углублений.

Псевдоморфозы образуются в случае, когда породы, вмещающие ледяные жилы, относительно малольдисты. При оттаивании сильно льдистых пород образуются термокарстовые озера с характерными для них таберальными отложениями.

 






© 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.