Особенности миграции влаги и льдовыделения в оттаивающих породах. Процессы в породах, промерзающих (оттаивающих) без миграции влаги

При протаивании мерзлых пород одновременно происходит таяние льда (при переходе части мерзлой породы в талое состояние), так и процесс льдонакопления в мерзлой части вблизи фронта оттаивания.

Опыты показали, что в процессе протаивания происходит интенсивная миграция влаги в мерзлую зону образцов и увеличение там льдосодержания. Однако эти процессы существовали в случае наличия grad t в мерзлой части протаивающих пород. Талая часть обезвоживается и уплотняется.

Рис. Графики изменения влажности и уд веса

В мерзлой части прот. Образцов, имеющих до опыта массивную криотекстуру, происходит увеличение льдосодержания и сегрегационное льдовыделение . В диапозоне температур 0 -- -2С обнаруживается формирование прослоев льда. По мере продвижения фронта оттаивания, образующиеся при более низкой температуре прослои, оказавшись в область более высоких температур увеличиваются в мощности. Шлиры, попавшие в зону талых пород, служат источником питания для образования шлиров в мерзлой зоне. Пустоты в талой части, образующиеся при таянии шлиров льда «схлопываются». В мерзлой части льдистость увеличивается. В образцах, имеющих изначально шлировую криотекстуру происходят те же процессы.

При увеличении скорости оттаивания многие из перечисленных процессов не успевают происходить, т. е. талая зона не уплотнялась или уплотнялась не так сильно, а в мерзлой не наблюдалось новообразований прослоев льда.

Особенности криогенного строения сезонно- и многолетнемерзлых пород.

В породах стс трехчленное криогенное строение. Сверху вниз происходит переход от массивной к часто-тонкошлировой криогенной текстуре, образование которой обусловлено высокими скоростями промерзания . По мере уменьшения скорости промерзания происходит от часто тонкошлировой к редкотонкошлировой с постепенным разрежением слоев прослоев и уменьшением их мощности в средней части стс. Это связано с процессом обезвоживания.

Строение смс двучленное. В верхнем горизонте смс происходит переход от массивной к шлировой криотекстуре, а в нижнем – от шлировой до массивной. При наличии подземных вод, близко расположенных, слой становится однородным.

ММП эпигенетические. Небольшие скорости промерзания и градиенты температур приводят к формированию здесь меньших миграционных потоков влаги, но действующих большее время. Это приводит к росту мощных сегрегационных прослоев. Медленное развитие усадочных процессов и большая мощность иссушения, вызванная длительным обезвоживанием, обуславливает развитие меньших градиентов напряжений усадки и соответственно приводят к формированию редкослоистой, крупносетчатой и блоковой криотекстуры. Медленный режим промерзания и значительное обезвоживание пород обеспечивает большее развитие внутренних миграционных потоков влаги, роль же безнапорных водоносных горизонтов на типы формирующихся криогенных текстур в этом слое уменьшается. Чаще всего здесь формируются редко слоистые и крупносетчатые криотекстуры.

Ниже глубины нулевых годовых амплитуд, развитие криогенного текстурообразования зависит от взаимодействия подземных вод с многолетнемерзлыми породами, особенно напорных вод. Рост гидродинамического давления приводит с одной стороны к увеличению мощности сегрегационных прослоев льда, с другой – влияет нв режим промерзания и уменьшение скорости роста сегрегационного льда. С ростом гидростатического давления происходит изменение от горизонтально слоистой в блоковую криотекстуру.

ММП сингенетические.Их криогенное стоение формируется за счет перехода нижней части стс в ММП. В зависимости от скоростей осадконакопления и условий промерзания в одном случае породы будут иметь однородное строение, а в других – криотекстуры могут повторяться через определенный интервал, т.е. ритмичное криогенное строение.Образование этих ритмов связано с ростом более мощных прослоев льда за счет медленного промерзания снизу или сегрегационного льдовыделения сверху.Ежегодное повторение сезонных циклов промерзания – оттаивания приводит к образованию достаточно льдистых горизонтов в верхней части ММП и атакситовых криотекстур.

Билет 13

1. Процессы в промерзающих неконсолидированных породах. Физико-химические и структурообразовательные процессы в циклически промерзающих (протаивающих) породах.

Процесс теплопередачи в г.п. может осуществляться в общем случае с помощью излучения, конвекции и кондукции.

Тепловое излучение представляет собой процесс испускания электромагнитных волн нагретым телом в окружающее пространство. Доля тепла, переносимого излучением, в горных породах обычно не превышает нескольких процентов от величины суммарного теплопотока.

Конвективный (принесение, доставка) теплоперенос осуществляется подвижным теплоносителем (жидкость ,водяной пар, газ) перемещающимся в пустотном пространстве г.п. Обычно под конвективной теплопередачей понимают перенос емкостных запасов тепла (физического теплосодержания) теплоносителя, однако с полным основанием этот термин относится и к широко распространенным в природе процессам переноса скрытой теплоты фазовых превращений. Такая ситуация возникает, если подвижный компонент при перемещении в пустотном пространстве пород переходит из области с температурными условиями, соответствующими устойчивости этого компонента, в область с температурами ниже (выше) температуры его фазового перехода, где меняется его агрегатное состояние и происходит выделение (поглощение) значительного количества тепла. Конвективный перенос тепла подвижным носителем в виде скрытой теплоты фазового перехода часто имеет высокий энергетический уровень.

Основной и наиболее существенный механизм переноса тепла в г.п.- кондуктивный. При кондукции тепло распространяется в среде вследствие колебаний атомов и молекул кристаллической решетки, интенсивность которых возрастает с повышением температуры. Реализуется эта теплопередача за счет теплопроводности г. п. Математически процесс стационарной кондуктивной теплопередачи описывается законом Фурье: q=-лямбда*gradt.

Процессы фазовых переходов лед - объемная вода-пар могут быть представлены следующим образом. При температуре льда, близкой к 0, каждая молекула, располагающаяся в узле решетки льда, обладает минимумом кинетической энергии Ек и максимумом энергии активации Еак, т.е. суммарной энергии связи Есв, или взаимодействия ее с окружающими молекулами.

Физико-химические и механические процессы в промерзающих дисперсных породах. В случае промерзания без миграции влаги замерзающая в порах породы свободная или слабосвязанная вода увеличивает свой объем при переходе в лед почти на 9%. Если степень заполнения пор влагой G=1, замерзающий грунт испытывает объемное расширение и локальное уплотнение агрегатов породы, что вызывается значительным кристаллизационным давлением, развивающимся при переходе воды в лед. Так при невозможности объемного расширения замерзающая вода способна развивать давление, равное 2200 МПа. Происходит диспергация песчаной и отчасти пылеватой фракции промерзающих пород наряду с этаким криогидратационным механизмом разрушения может происходить также и в результате температурного выветривания ,когда разрушение происходит из-за неодинаковой температурной деформации различных минералов и элементов, слагающих породу. Одновременно с процессом диспергации могут быть процессы агрегации и усиления структурных связей как между грунтовыми элементарными частицами ,так и между небольшими по размеру агрегатами.

При циклическом промерзании и протаивании дисперсных пород идут физико-химические процессы, характерные как для промерзающих, так и для протаивающих пород. Особенностью многократного промерзания и протаивания является накопление в дисперсных породах частиц пылеватых фракций за счет разрушения песчаных частиц. Достаточно часто циклическое промерзание и протаивание прводит к дифференциации промерзающей породы по дисперсности. Причиной этого является перемещение (выпучивание) более крупных отдельностей грунта (обломки, крупные частицы) в направлении более низких температур. Так, результаты полевых наблюдений и лабораторных испытаний показывают ,что после нескольких сотен циклов промерзания и протаивания происходит сортировка дисперсных пород по крупности: крупные частицы (более 1-2 мм) перемещаются в поверхностном слое, а частицы меньшего размера остаются на месте и как бы скапливаются в нижней части слоя. При этом наблюдаются истирание и сглаживание граней перемещающихся частиц.

2. Органическое вещество в криолитозоне

может находиться в виде слаборазложившихся растительных и животных остатков и продуктов их разложения- гумуса. Мигрируя в почвах, продукты разложения образуют специфические для северных почв горизонты. При этом для хорошо дренируемых почв в криолитозоне характерны процессы оподзоливания, тиальферризации и иллювиального гумусирования. В криолитозоне широко распространены торфяные породы, образующиеся при отмирании и разложении болотной растительности в условиях избыточного увлаженения, недостатка кислорода и низких температур.

Дисперсность органо-минерального скелета мерзлых пород, как и их минеральный состав, в криолитозоне имеет свои специфические особенности.

Органо-минеральная часть мерзлых пород обычно сцементирована льдом, в результате чего образуются льдосодержащие глинистые и песчаные породы, галечники льдобрекчии и льдоконгломераты.

Билет