Структурные связи и типы контактов в мерзлых породах

В ходе промерзания и в мерзлом состоянии в породах за счет сложных процессов структурообразования формируются специфические типы контактов и структурные связи. В скальных и части осадочных сцементированных пород преобладают связи химической природы, а в тонкодисперсных льдистых породах связь между отдельными её элементами осуществляется чаще всего за счет молекулярных и ионно-электростатических взаимодействий (или водно-коллоидными связями).

Образование структурных связей в такой многофазной и многокомпонентной дисперсной системе, как мерзлая порода, всегда происходит не только между грунтовыми поверхностями, но и поверхностями льда и грунтовых частиц. Формирование структурных связей идет обычно не по всей поверхности слагающих породу элементов, а только в местах их сближения, т.е. на контактах. Число и характер (природа) таких разнородных индивидуальных контактов во многом предопределяют микростроение и свойства мерзлых пород. Каждый тип или разновидность контакта характеризуется своим механизмом образования и природой взаимодействующих сил, геометрией и величиной контактного взаимодействия.

В первом приближении все разнообразия контактов в дисперсных породах, находящихся при отрицательной температуре и содержащих в своем составе лед, можно подразделить на точечные, площадные и объемные, характеризующиеся различной площадью контактного взаимодействия органо-минеральных частиц и льда, и на агрегационные, коагуляционные и сухие контакты, различающиеся по энергии взаимодействия и расстоянию между контактирующими ледяными и грунтовыми частицами (рис. 3).

Разделение контактов по энергии их взаимодействия в значительной мере определяется расстоянием между взаимодействующими грунтовыми частицами.

Так, в случае прямого взаимодействия двух грунтовых частиц образуются наиболее прочные сухие контакты. Они характеризуются валентным и ионно-электростатическим взаимодействием, а также непосредственным соприкосновением элементов мерзлой породы.

Сухие минеральные контакты обычно возникают при диагенетическом преобразовании пород за счет повышения давления с глубиной и дегидратации глинистых осадков.

Минерально-цементационные контакты формируются при перекристаллизации и выделении из поровых растворов новой фазы. Это связано с перенасыщением поровых растворов в ходе диагенеза (в том числе и при замерзании пород, что повышает концентрацию этих растворов) и выделением из них цементирующих веществ, которые создают прочные «мостики» между грунтовыми частицами, образуя жесткую пористую структуру минеральной компоненты. При сильном понижении отрицательной температуры дисперсной породы (ниже -100 ÷ -1500С) могут возникать минерально-ледовые контакты.

Рис. 3. Типы контактов в мерзлых породах

Это происходит тогда, когда практически вся связанная вода вымерзает или мигрирует в другие участки породы и образуются близкие к сухим контакты «минерал-лёд». Они являются обратимыми при оттаивании и наименее прочными среди других видов сухих контактов.

Характерной особенностью водных контактов является наличие между взаимодействующими элементами мерзлой породы пленок незамерзшей (связанной) воды. Коагуляционные контакты определяются в основном действием молекулярных и ионно-электростатических сил. Агрегационные контакты формируются преимущественно в результате дальнодействующих молекулярных сил, а в некоторых случаях – за счет магнитных и дипольных (кулоновских) взаимодействий. Агрегационные контакты присущи суглинистым, супесчаным и песчаным породам в диапазоне высоких отрицательных температур (0 -5⁰С).

Анализ характера структурных связей и контактов в породах позволяет объяснить и факт резкого возрастания прочности пород при переходе их из талого состояния в мерзлое. В зависимости от характера, размера и формы грунтовых и ледовых частиц, степени влагонасыщения, наличия отрицательной температуры и условий промерзания в дисперсных породах между частицами может возникать большое разнообразие типов и видов контактов, которые в результате внешних воздействий способны переходить из одних в другие, определяя структурные связи между элементами мерзлой породы.

ЛЕКЦИЯ 6. Зональные и региональные особенности геокриологических условий территории РФ на современном этапе

Распространение многолетнемерзлых пород (ММП) и пространственное изменение их среднегодовых температур

Огромная протяженность России с запада на восток и с севера на юг, сложность орографического, геологического, тектонического, гидрогеологического строения, ландшафтной и климатической обстановок и их изменение в позднем кайнозое обуславливают большую изменчивость и разнообразие геокриологических условий различных её частей.

Распространение криолитозоны на территории России связано с двумя причинами:

1) историей криогенного развития верхних горизонтов земной коры в неоген-четвертичное время, в течении которого сформировалась современная геокриологическая обстановка;

2) современными условиями теплообмена на поверхности и в толще горных пород.

Современные условия теплообмена, в которых формируются среднегодовые температуры пород, определяются следующими факторами и условиями:

- широтной зональностью поступления солнечной радиации, определяющей радиационный баланс на поверхности Земли;

- влиянием Атлантического, Ледовитого и Тихого океанов на циркуляцию атмосферы, формирующей секториальность типов климата;

- удаленностью территорий от морских акваторий и её расположением внутри материка, что обуславливает континентальность климата, т.е. амплитуды годовых колебаний температуры воздуха и на поверхности Земли;

- орографическими условиями, с которыми связано нормальное распределение высотной поясности теплообмена в средне- и высокогорных районах и инверсионное – на плоскогорьях;

- геотектоническими условиями, с которыми связаны состав, строение и свойства пород, величина теплового потока из недр и градиент изменения температуры в мерзлой почве;

- гидрогеологическими условиями, существующими в результате взаимодействия мерзлых пород и подземных вод;

- ландшафтно-климатическими условиями на поверхности (растительность, заболоченность, заторфованность, микрорельеф и т.д.).

По площади, занимаемой ММП по сравнению с талыми породами, каждая зона всей территории России делится на 2 большие области распространения ММП: с сезонным оттаиванием с поверхности (многолетняя криолитозона) и с сезонным промерзанием почв и грунтов (сезонная криолитозона). Условная линия, разделяющая эти области и проводимая на обзорных картах по южным островам ММП, называется южной границей распространения криолитозоны.

В пределах криолитозоны, севернее её южной границы, по особенностям распространения, среднегодовым температурам и мощности ММП выделяют южную и северную геокриологическую зоны.

Южная зона - характеризуется несплошным распространением ММП, площадь и сплошность которых возрастает по направлению к северу от 25% и менее при резкоостровном, до 25-75% при массивно-островном и 75-90% при прерывистом распространении ММП.

ММП в южной геокриологической зоне имеют преимущественно позднеголоценовый криологический возраст.

Наименьшие площади ММП по сравнению с талыми породами характерны для зоны редко-островного и островного распространения мерзлых пород, непосредственно контактирующей с областью талых пород. Преобладающие среднегодовые температуры талых и мерзлых пород в этой зоне изменяются от +2 до -5⁰С. В целом ММП в этой зоне характеризуются высокими отрицательными среднегодовыми температурами, которые редко выходят за пределы -1⁰С.

В зоне массивно-островного распространения мерзлые породы характеризуются увеличением числа и размера островов и массивов, а талые – уменьшением площадей сквозных радиационно-тепловых таликов. Для этой зоны характерны более низкие среднегодовые температуры как мерзлых, так и талых пород от +1 до -1⁰С.

Зона прерывистого распространения ММП является наиболее суровой в южной геокриологической зоне. Среднегодовая температура мерзлых пород в ней изменяется от 0 до -2⁰С.

Талые породы развиты только в благоприятных для этого условиях в виде островов и резких массивов. Соотношение мерзлых и талых пород в кембрийских карбонатных отложениях и в песчаниках юры зависит от отепляющего влияния летних осадков по карстовым полостям, а в кристаллических породах – по водопроницаемым трещиноватым зонам. Повышение среднегодовых температур за счет тепла инфильтрующихся осадков может составлять 2-3⁰С. В районах развития рыхлых четвертичных отложений сквозные и несквозные талики существуют под реками и озерами, в песчаных массивах эолового, аллювиального и флювиогляциального генезиса и на обводнённых низинных болотах.

В области сплоченного распространения ММП (северная геокриологическая зона) нарушение их сплошности по площади обусловлено сквозными, очень локализованными по территории таликами под руслами крупных рек, глубокими озерами и по зонам разгрузки подземных вод. Талики радиационно-теплового генезиса распространены в особо благоприятных для этого условиях и являются преимущественно несквозными и чаще встречаются в южной подзоне северной геокриологической зоны на участках с температурами до -2⁰С.

Как правило, они приурочены к массивам слабых юрских песчаников, а также аллювиальных и эоловых песков. В целом ММП северной геокриологической зоны характеризуются среднегодовыми температурами от 0 до -15⁰С и ниже, которые закономерно понижаются от южной окраины к северу и северо-востоку в соответствии с ландшафтно-климатической зональностью.

На юге северной геокриологической зоны среднегодовые температуры пород в настоящее время характеризуются высокими (преимущественно от-1 до -3⁰С) отрицательными значениями.

Севернее этой зоны среднегодовые температуры пород постепенно понижаются. Самые низкие температуры пород формируются на северных равнинах Западной Сибири (от -5 до -9⁰С), Средней Сибири (от -9 до -13⁰С), Восточной Сибири (от -9 до -13⁰С).

В северной геокриологической зоне более высокие значения по сравнению с зональными значениями среднегодовых температур пород во всех геотемпературных зонах формируются в аллювиальных отложениях долин рек.

Существенные коррективы в распространение мерзлых пород и их температурный режим вносят ледники, повышающие температуру пород под ними на участках фирновых толщ, вплоть до образования гляциальных таликов, и понижающие их на участках ледяных толщ до среднегодовых температур воздуха. Таким образом, на всей территории со сплошным распространением ММП закономерное понижение их температур происходит по сходным элементам рельефа.

Поиск по сайту: