Что такое мерзлые породы
Мерзлые горные породы
Мерзлыми (криогенными) называются горные породы, имеющие отрицательную температуру, в которых хотя бы
Особые свойства мерзлых пород определяются наличием в них влаги. Действительно, при ее полном отсутствии переход через не приводит
Рис.7.10. Изменение прочности раздельнозернистых (а) и скальных (б) пород при замораживании
к сколько-нибудь заметным изменениям свойств любых пород. Но следует отметить, что влага практически всегда присутствует в горных породах. В зависимости от ее состояния различают:
• химически связанная вода входит в состав кристаллической решетки в виде молекул или гидроксильных ионов и и в процессе замораживания существенной роли не играет;
• физически связанная вода тесно взаимодействует с поверхностью минеральных частиц за счет молекулярных сил притяжения и для ее полной кристаллизации необходима температура ;
• капиллярная вода связана со стенками капилляров (пор) и температура ее замерзания от ;
• свободная вода замерзает при температурах от за счет наличия примесей и слабого дипольного взаимодействия.
Свойства мерзлых пород существенно зависят от их исходного состояния. При этом обычно выделяют монолитные и раздельнозернистые мерзлые породы. В первом случае образование льда связано с замерзанием поды в отдельных порах и трещинах и лед чаще всего находится в виде изолированных включений. При замораживании раздельнозернистых пород образование льда оказывает цементирующее действие, и порода из рыхлого состояния переходит в связное. Мерзлые породы как сложные гетерогенные образования характеризуются большим разнообразием и изменчивостью свойств. Однако в общем случае можно выделить следующие особенности.
Во всех случаях плотность горных пород при замораживании уменьшается, вследствие того, что объем льда на 9 % больше объема того же количества воды. С понижением температуры влажных пород наблюдается скачкообразное возрастание скорости распространения упругих волн, особенно поперечных. Это связано с тем, что скорость упругих колебаний во льду (около 3300 м/с) в два с лишним раза больше, чем в воде, U поперечные волны в жидкостях вообще не распространяются.
Особенно заметно изменяется прочность влажных раздельнозернистых пород в области отрицательных температур (рис.7.10,а). Резкое возрастание прочности на участке AB связано с цементирующим действием льда при кристаллизации свободной воды. В дальнейшем при вымораживании капиллярной и физически связанной воды (участок BC) прочность пород незначительно возрастает, а при дальнейшем охлаждении (участок CD) может наблюдаться некоторое снижение прочности за счет растрескивания льда. Значительно меньше и в другом направлении изменяется прочность монолитных скальных пород (рис.7.10,6). Здесь при замораживании свободной и капиллярной воды образующийся лед за счет увеличения своего объема разрывает трещины, ослабляя горную породу в целом (участок AB). При дальнейшем понижении температуры наблюдается некоторое увеличение прочности пород за счет кристаллизации физически связанной воды (участок BC). Важной характеристикой является морозостойкость горных пород, т.е. их сопротивляемость разупрочнению под воздействием циклического оттаивания и замерзания. Коэффициент морозостойкости принимается равным отношению прочности породы после 25 циклов замораживания и оттаивания к прочности исходной водонасыщенной горной породы при положительных температурах
Существенно меняется характер деформированиягорных пород при замораживании, особенно влажных раздельнозернистых пород (рис.7.11,а).
Рис.7.11. Деформационные характеристики раздельнозернистых (а) и скальных (б) пород
Так, если при положительных температурах таким породам вообще не свойственно упругое деформирование, то цементирующее действие льда превращает рыхлую раздельнозернистую массу в достаточно упругое монолитное тело. Напротив, замораживание скальных увлажненных пород приводит к их ослаблению и снижению модуля упругости (рис.7.11,6). Более того, при достаточно больших давлениях происходит таяние льда, что облегчает скольжение блоков породы по ледяным пропласткам (участок AB).
Замерзание воды сопровождается скачкообразным изменением тепловых и электромагнитных свойств пород. В общем случае наблюдается возрастание теплопроводности, уменьшение теплоемкости, диэлектрической проницаемости и электропроводности при замораживании влажных пород.
Вечная мерзлота
Распространение — север Аляски, Канады, Европы, Азии, острова Северного Ледовитого океана.
Районы многолетней мерзлоты — верхняя часть земной коры, температура которой долгое время (от 2—3 лет до тысячелетий) не поднимается выше 0 °C.
В зоне многолетней мерзлоты грунтовые воды находятся в виде льда, ее глубина иногда превышает 1 000 м.
Такое явление глобального масштаба, как вечная мерзлота, занимает не менее 25% площади всей суши земного шара.
Одно из первых описаний многолетней мерзлоты было сделано русскими землепроходцами XVII века, покорявшими просторы Сибири.
Впервые на необычное состояние почвы обратил внимание казак Я. Святогоров, а более подробно изучили первопроходцы из экспедиций, организованных С. Дежневым и И. Ребровым.
В специальных посланиях русскому царю они засвидетельствовали наличие особых таежных зон, где даже в самый разгар лета почва оттаивает максимум на 2 аршина.
Ленские воеводы П. Головин и М. Глебов в 1640 г. сообщали: «Земля-де, государь, и среди лета вся не растаивает». В 1828 г. Ф. Шергин начал проходку шахты в Якутске.
За 9 лет была достигнута глубина 116,4 м.
Шахта Шергина шла все время в мерзлых грунтах, не вскрыла ни одного водоносного горизонта.
В 40-х гг. 19 го века А. Ф. Миддендорф измерил температуру до глубины 116 м.
С этого времени вопрос о существовании «вечной мерзлоты» уже всерьез не поднимался.
Термин «вечная мерзлота» как специфическое геологическое явление был введен в научное употребление в 1927 г. основателем школы советских мерзлотоведов М. И. Сумгиным.
Он определял его как мерзлоту почвы, непрерывно существующую от 2 лет до нескольких тысячелетий.
Слово «мерзлота» при этом четкого определения не имело, что и привело к использованию понятия в различных значениях.
Впоследствии термин неоднократно подвергался критике и были предложены альтернативные термины: многолетнемерзлые горные породы и многолетняя криолитозона, однако они не получили широкого распространения.
65% территории России — районы многолетней мерзлоты.
Наиболее широко она распространена в Восточной Сибири и Забайкалье.
Мёрзлые – морозные, талые – немёрзлые: такие разные арктические грунты
Многолетнемёрзлые грунты Новосибирских островов. Фото Андриана Колотилина, GeoPhoto.ru
Криолитозона — верхний слой земной коры, характеризующийся температурой пород ниже 0 о С и возможностью существования в горных породах различных включений льда.
Так в чём же состоит различие между мёрзлыми, морозными и охлаждёнными породами? Прежде всего в наличии или отсутствии важного породообразующего минерала – льда. Попробуем разобраться в этих терминах.
Итак, первая в нашем списке – мёрзлая горная порода. Она имеет отрицательную температуру и содержит в своём составе лёд.
В отличие от неё, морозная порода, также имеющая отрицательную температуру, лёд в своём составе не содержит. Обычно в природе это монолитные скальные породы, но в тоже время к морозным породам в широком смысле можно отнести и «сухие» дисперсные породы (преимущественное грубообломочные и песчаные), которые не сцементированы льдом. Интересно, что свойства морозных пород практически не меняются при переходах через 0 о С в ту и другую сторону. Важным следствием является то, что приёмы строительства на морозных породах практически не отличаются от таковых, применяемых на подобных породах при положительных температурах.
Охлаждённые породы, так же как морозные, имеют отрицательную температуру и лёд в составе не содержат, но уже по другой причине. Лёд в охлаждённых горных породах не образуется, поскольку влага в этих породах существует в виде растворов солей (рассолов) с температурой замерзания гораздо ниже той, при которой в настоящий момент существует сама эта порода. Охлаждённые засолённые породы широко распространены на шельфе Северного Ледовитого океана и севере Западной Сибири. В частности, на Ямале, по оценкам учёных, они составляют значительную часть пород криолитозоны. При этом в тех регионах, где присутствуют засолённые горные породы, криолитозона может быть слоистой, состоящей из чередующихся горизонтов мёрзлых, охлаждённых и морозных пород.
Буровые работы на мёрзлых грунтах (фото из открытых источников).
Дело в том, что талые или оттаявшие породы – это породы, когда-то находившиеся в мёрзлом состоянии, но в настоящее время существующие при положительной температуре. К немёрзлым породам следует относить те, которые никогда не вступали в цикл промерзания-оттаивания. И при одном и том же исходном составе и строении оттаявшие породы могут существенно отличаться от немёрзлых даже после однократного промерзания и оттаивания, а при циклическом промерзании-оттаивании эти отличия будут весьма значительны. Существует даже специальный термин, описывающий это явление, – криогенное структурообразование. Именно в результате криогенного структурообразования появляется характерная для северных дисперсных горных пород пылеватость, поэтому наиболее распространённым типом арктических грунтов по гранулометрическому составу являются пылеватые суглинки. Пылеватые частицы по своему размеру находятся между глинистыми и песчаными. И образуются они в результате диспергации (дробления) более крупных песчаных частиц и агрегации (склеивания) более мелких глинистых частиц. Процесс преобразования гранулометрического состава горной породы при циклическом промерзании-оттаивании в криолитозоне (криогенное выветривание) происходит гораздо быстрее, чем в иных климатических зонах (например, тёплых гумидных областях), где процесс физического выветривания и преобразования материнской породы может занимать тысячелетия.
Криогенное (морозное) выветривание – одна из разновидностей физического выветривания, представляющая собой разрушение (растрескивание, измельчение) горных пород вследствие периодического замерзания и оттаивания, происходящая в результате неодинаковой температурной деформации (изменения объёма) различных минералов, слагающих породу, а также расклинивающего действия замерзающей трещинной и поровой влаги.
Здесь интересно было бы упомянуть о так называемой криогенной устойчивости минералов, которую впервые детально описал в своих работах профессор Вячеслав Николаевич Конищев. Им было показано, что криогенное разрушение прочных минералов типа кварца происходит по трещинам и дефектам, зарождение которых обусловлено кристаллографическими особенностями самих минералов. А слабые слоистые минералы, типа слюды, допускающие возможность разбухания за счёт вхождения молекул воды в свои внутренние слои, ведут себя более пластично. Иными словами, прочные твёрдые минералы подвергаются жёсткому разрушению за счёт расклинивающего действия растущих кристаллов льда, а слабые слоистые, подобно гармошке, просто расширяются при промерзании и сжимаются при протаивании. То есть чем прочнее минерал в механическом отношении, тем он может быть слабее в криогенном и наоборот.
Ещё одной особенностью горных пород, подвергавшихся многократному (сотни и тысячи циклов) промерзанию-протаиванию, является часто наблюдаемая сортировка слагающего их дисперсного материала по размеру частиц. При этом более крупные частицы и обломки пород перемещаются вверх (выпучиваются) и концентрируются вблизи земной поверхности, а частицы меньшего размера остаются на месте и как бы накапливаются в нижней части слоя. В процессе такой дифференциации происходит истирание и сглаживание граней перемещающихся частиц.
Отличием оттаявшей породы от немёрзлой, является характерная для неё посткриогенная текстура. Ведь даже в результате однократного промерзания влагонасыщенных рыхлых пород в них могут образоваться как отдельные изометричные включения льда, так и многочисленные ледяные прослои различной толщины и ориентировки. После оттаивания таких пород на месте ледяных включений могут оставаться несомкнувшиеся пустоты и полости, подчёркивающие разделение отложений, возникшее при промерзании породы. Впоследствии эти полости часто заполняются грунтовым материалом, отличающимся по составу от вмещающей породы.
Зная о криогенных преобразованиях горных пород при однократном промерзании и циклическом промерзании-оттаивании, учёные обязательно принимают их в расчёт при интерпретации полученных данных, например, для палеогеографических реконструкций, позволяющих заглянуть в геологическую историю нашей планеты, в том числе и прошлое российской Арктики.
Теперь, немного разобравшись с терминологией, поговорим о характерных свойствах горных пород, которые, естественно, должны меняться при переходе через 0 о С в ту или иную сторону. Напомним, что это не относится к морозным породам, на свойства которых температурный переход практически не влияет. Но когда речь заходит об охлаждении или нагревании влагонасыщенных пород – всё кардинально меняется.
Замёрзший влажный грунт (фото из открытых источников).
Очевидно, что прочностные свойства мёрзлых дисперсных пород существенно отличаются от свойств пород немёрзлых и талых и при этом напрямую зависят от величины отрицательной температуры самой породы. При устойчивых низких температурах мёрзлые породы будут характеризоваться повышенной прочностью и водонепроницаемостью по сравнению с немёрзлыми или талыми породами. Это своего рода переход в другой класс по прочности, поскольку прочность мёрзлых пород в десятки и даже сотни раз превосходит прочность этих же пород в немёрзлом состоянии. При этом особенно высокой будет прочность мёрзлой породы при кратковременных нагрузках, позволяющая даже высекать искры при ударе топором (взрослым можно попробовать!). И если ударить посильнее, то вполне можно и отколоть кусок, поскольку с понижением температуры мёрзлая порода всё в большей степени приобретает хрупкие свойства.
Бурение мёрзлого грунта.
Помимо мгновенной прочности (прочность при кратковременных нагрузках), существует ещё понятие длительной прочности, то есть способности долгое время выдерживать прилагаемые нагрузки, пока не будет достигнут предел прочности, после которого происходят необратимые изменения. Также и мёрзлая порода, несмотря на свою повышенную прочность, в какой-то момент начинает разрушаться. Наличие большого количества льда придаёт разрушению мёрзлого грунта упруго-пластический характер. Как было показано в своё время профессором Сергеем Степановичем Вяловым, льдистый грунт при длительной нагрузке начинает медленно деформироваться и как бы течь. При этом смещение грунтовых блоков происходит, как правило, по ледяным прослоям. И чем более явно выражена слоистость мёрзлого грунта, тем с большей вероятностью можно предположить направление сдвига. Примечательно, что мгновенная прочность мёрзлой породы с увеличением количества ледяных включений повышается, а длительная – уменьшается.
А как же обстоят дела с охлаждёнными породами? В них, так же как и в морозных, переход от отрицательных температур к положительным и обратно не сопровождается изменением прочностных показателей. Их механические свойства при отрицательных температурах близки к свойствам немёрзлых и талых пород, находящихся при положительных температурах. Это связано прежде всего с отсутствием кристаллов льда, выполняющих в мёрзлых породах роль цементирующего вещества. Но если температура охлаждённых пород понизится настолько, что влага в них перейдёт в твёрдое состояние, они перестанут быть охлаждёнными и станут мёрзлыми, механические свойства которых мы в общем виде уже обсудили. Правда, надо заметить, что существует достаточно широкий температурный интервал от температуры начала образования ледяных кристаллов в охлаждённых породах, до некоторой отрицательной температуры, когда основная часть поровой влаги переходит в лёд. В этом переходном температурном интервале, который может составлять 10 и более о С, такие породы представляют большую сложность в плане прогнозирования свойств, поскольку проявляют качества как талой, так и мёрзлой породы. Это кардинально отличает засолённые горные породы от незасолённых и, прежде всего, грубообломочных и песчаных, где переход от немёрзлого состояния в мёрзлое и обратно происходит достаточно резко при изменении агрегатного состояния воды вблизи нуля.
Но не только механические свойства существенно меняются при замерзании и оттаивании горных пород – изменяются и их теплофизические, электрические, акустические свойства, что связано опять же с наличием или отсутствием порового льда и ледяных включений.
Рассмотрим, например, такую важную теплофизическую характеристику мёрзлых пород, как теплоёмкость (количество тепла, поглощаемого (выделяемого) в процессе нагревания (охлаждения), которая является суммой теплоёмкостей составляющих её компонентов – минеральных частиц, льда и незамёрзшей воды. Теплоёмкость влагонасыщенных дисперсных пород может значительно меняться как при переходе через 0 о С, так и при понижении отрицательной температуры, что влечёт за собой изменение соотношения воды и льда, и это при том, что теплоёмкость минерального скелета при колебаниях температуры меняется очень мало. Известно, что с понижением отрицательной температуры мёрзлой породы величина её теплоёмкости заметно уменьшается, что связано с продолжающимся переходом оставшейся в порах незамёрзшей воды в лёд, теплоёмкость которого в два раза ниже, чем у воды. А вот с теплопроводностью льда и воды всё обстоит наоборот: теплопроводность льда почти в четыре раза больше, чем воды, причём с понижением температуры теплопроводность льда постепенно возрастает. Как ни удивительно, но льдонасыщенные мёрзлые породы гораздо лучше проводят тепло, чем талые с такой же влажностью.
Что касается электрических свойств мёрзлых пород, то они будут также определяться соотношением льда и незамёрзшей воды. То, что вода хороший проводник тока, нам постоянно напоминают все инструкции по технике безопасности при обращении с электроприборами. А вот про твёрдое агрегатное состояние воды там ничего не говорится, да и зачем, ведь электропроводность чистого льда очень мала. Так что вывод напрашивается сам собой. Чем ниже температура мёрзлой породы и меньше её засолённость (а следовательно, и количество незамёрзшей воды) – тем лучшим изолятором тока будет эта мёрзлая порода.
Скорость распространения акустических волн в отрицательно-температурных породах опять же определяется фазовыми переходами и появлением нового компонента – льда, который характеризуется значительно большими скоростями распространения упругих волн, чем вода в жидкой фазе. С этим связана возможность применения сейсмоакустического метода для выделения границ талых зон в мерзлоте.
Пример использования данных электроразведки, подтверждённых последующим бурением, при картировании криолитозоны. Отсюда.
То есть, за что ни возьмись, наличие или отсутствие внутригрунтового льда при отрицательной температуре является важнейшим фактором, влияющим на свойства и поведение горных пород. И, значит, различать морозные, мёрзлые и охлаждённые породы всё же необходимо. Это сделать достаточно просто, если горные породы изучаются в условиях, когда их можно, в прямом смысле слова, взять в руки. Но в значительном большинстве случаев при масштабных исследованиях – например, при картировании для разных целей – районов распространения мёрзлых пород, необходимо прибегать к дистанционным методам изучения. К таковым относятся геофизические методы разведки. Однако толщи мёрзлых пород часто представляют собой экранирующие горизонты, делающие невозможными применение некоторых геофизических методов, успешно работающих в средних широтах, где нет многолетней мерзлоты. Кроме того, при интерпретации данных возникает целый ряд характерных затруднений, которые обусловлены большой изменчивостью свойств пород криолитозоны.
Как мы постарались показать, разделить толщу горных пород по температуре и только на этом основании сделать вывод о её состоянии было бы некорректно, особенно если мы имеем дело с засолёнными породами. Интерпретацию полученных геофизических данных может осложнить отсутствие резкой границы между мёрзлой и талой зонами, наличие между ними некоторого переходного слоя с промежуточными свойствами, а также существование переслаивающейся мерзлоты, включающей в себя слои из мёрзлых и охлаждённых пород. Для правильной интерпретации полученных геофизических данных необходимо проводить специальное бурение с получением грунтовых образцов (керна) для исследования их реальных физических свойств (в частности, температуры замерзания и содержания незамёрзшей воды), что позволит вносить корректировку в типовые расчёты, которые иначе могут дать большую погрешность, а то и вовсе исказить результат, когда охлаждённую породу мы можем принять за талую, а дисперсную, но прочно сцементированную льдом мёрзлую породу – за немёрзлую скальную. В качестве примера можно привести постановку такой практически важной задачи, как изучение погребённого рельефа коренных пород в мёрзлой толще. Её решение только с помощью геофизических методов оказывается весьма затруднительным, поскольку контрастность некоторых используемых в исследованиях физических свойств между поверхностными дисперсными, но сцементированными льдом мёрзлыми отложениями и скальными коренными (морозными) породами в значительной мере стирается. Ещё одним ярким примером сложности использования геофизических методов является выделение границы между охлаждёнными (или протаивавшими) и остающимися в мёрзлом состоянии осадочными отложениями на арктическом шельфе в районах развития подводной мерзлоты.
Возвращаясь к геокриологической терминологии и нашим попыткам «на пальцах» показать отличие мёрзлых пород от морозных и охлаждённых, а талых от намёрзлых, мы, конечно, не призываем во всех ситуациях пользоваться именно этой устоявшейся научной терминологией. Как говорится, применять необязательно, но помнить полезно!
Авторы: Чувилин Е.М., Соколова Н.С., Центр добычи углеводородов Сколтеха.
Мерзлые и многолетнемерзлые породы
К категории мерзлых относятся породы, температура которых составляет отрицательный показатель и в составе которых содержится лед. Если породы сохраняют подобное состояние непрерывно в течение многих лет, то для описания может применяться термин многолетнемерзлые породы.
Особенности проведения работ на территориях распространения мерзлых пород требуют четкого понимания характеристик и инженерно-геокриологических особенностей месторождения. Так, к основным параметрам, необходимым для обоснования применяемых технологий разработки, относятся распространение и мощность залежи, ее строение, температура, а также то, каким образом мерзлые породы взаимодействуют с подземными водами и какие криогенные физико-геологические процессы протекают на текущем отрезке времени.
Как правило, в составе мерзлых пород присутствуют вещества во всех трех агрегатных состояниях, соотношение которых определяется внешними факторами – показателями давления и температуры. Лед, минералы и органические вещества составляют твердую фазу, вода и водные растворы различных веществ могут оставаться в жидком состоянии, а воздух, водяной пар или различные газы могут заполнять полости и пустоты геологического образования.
Отдельно можно выделить так называемые льдонасыщенные мерзлые породы, отличием которых является отсутствие в них газообразной фазы. Для описания соотношения льда и непосредственно самой породы применяется показатель льдистости, подразделяющий породы на три группы: льдистые (25-50%), сильно- (свыше 50%) и слабольдистые (менее 25%). Также лед в мерзлых породах классифицируется на два типа: лед-цемент и шлиры (ледяные включения). Чем ниже температура грунта, тем меньше процент содержания в нем незамерзшей воды, однако при увеличении дисперсности грунта этот показатель наоборот растет. Именно от показателя относительного содержания льда-цемента и незамерзшей воды во многом зависят механические свойства породы.
Очевидно, что любой грунт в мерзлом состоянии гораздо прочнее, нежели грунт того же состава в немерзлом состоянии. И чем ниже температура, тем выше показатель прочности. Это утверждение правомерно и для скальных пород, хотя показатель прочности в данном случае будет меняться не так значительно. Но наиболее важным механическим свойством многолетнемерзлых пород является наличие предела длительной прочности, то есть показателя максимального напряжения, при достижении которого затухают деформации ползучести.
Чтобы задать вопрос или сделать заявку,
нажмите на кнопку ниже: