Исследование особенностей формирования криогенных текстур при эпигенетическом и сингенетическом способе промерзания пород

Актуальность проблемы. Проблема криогенного текстурообразо-вания в промерзающих породах является одной из наиболее сложных и важных проблем общего и инженерного мерзлотоведения. Практическая значимость изучения данного процесса обусловлена тем, что он предопределяет мерзлотно-инженерно-геологические условия строительства, устойчивость возводимых сооружений и надежность их эксплуатации. Многосторонне также и научное значение проблемы криогенного текстурообразования. Она является основой для решения теоретических задач, связанных с формированием физико-механических свойств мерзлых пород, с расшифровкой условий формирования мерзлой толщи и ее генезиса. Кроме того, криогенное строение играет важную роль в современном рельефообразовании. С образованием и вытаиванием подземного льда связано возникновение специфических форм криогенного рельефа. Криогенное строение оказывает существенное влияние на ход термоэрозии, термоабразии, склоновых и других процессов в области распространения мерзлых пород. Все это определяет актуальность настоящей проблемы.

Изучение формирования криогенных текстур в промерзающих породах является одним из интенсивно развивающихся направлений мерзлотоведения в течение последних десятилетий. Решению данной проблемы посвящены работы Ж. Агир-Пуэнта, А. А. Ананяна, Д. Андерсона, Ю. Б. Баду, Ф. Г. Бакулина, В. В. Баулина, Е. Б. Белопуховой, Г. Бескова, А. П. Боженовой, Б. И. Втюрина, Е. А. Втюриной, Ш. Ш. Гасанова, Г. Ф.Гра-виса, И. Д. Данилова, Г. И. Дубикова, А. Дюккера, Э. Д. Ершова, Т.Н.Жестко-вой, Е. М. Катасонова, В. Н. Коншцева, О. С. Конновой, В. А. Кудрявцева, А. Ф. Лебедева, Ю. П. Лебеденко, А. В. Лыкова, Дж. Маккея, Р. Миллера, Л. Н. Максимовой, З. А. Нерсесовой, О. Ю. Пармузиной, Н. Ф. Полтева, А. И. Попова, А. М. Пчелинцева, Н. Н. Романовского, Б. А. Савельева, В.И.Со-ломатина, М. И. Сумгина, С. Тебера, А. И. Тютюнова, В. И. Усова, А.Е.

Федосова, Г. М. Фельдоана, Н. А. Цытовича, П. Ф. Швецова, П. А. Шуйского, Н. Е. Эдлефсена и многих других исследователей. Этими работами развивались различные направления в изучении формирования криогенных текстур в промерзающих породах. К наиболее крупным из них относятся: теплофизическое, рассматривающее в основном тепловые и миграционные процессы при промерзаниипетрографическое, исследующее особенности зарождения и роста кристаллов льда в промерзающей породеф и з и к о — х и м и ч е с-кое и физико-механическое, изучающее роль в сегрегационном льдообразовании процессов усадки, структурообразования, набухания-распучивания, микротрещинообразованиягеолого-генетическое, объясняющее формирование ледяных прослоев на основе учета состава, строения, сложения, генезиса и возраста отложений (Ершов, 1979).

В работах Э. Д. Ершова были обобщены результаты всех названных направлений исследования процесса криогенного текстурообразо-вания, проведены детальные экспериментальные и теоретические проработки и предложена теория формирования миграционно-сегрегацион-ных криогенных текстур в промерзающих и оттаивающих породах, основанная на комплексном подходе к рассматриваемой проблеме.

Однако, несмотря на большие достижения в изучении процесса криогенного текстурообразования в промерзающих и оттаивающих породах, на сегодняшний день многие вопросы остаются нерешенными и требуют дальнейших специальных исследований.

Целью настоящей работы являлось изучение особенностей формирования криогенных текстур в породах, промерзающих по эпии сингенетическому способу.

В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:

— изучить в лабораторных условиях влияние внешнего Сбытового) давления на криогенное текстурообразование в промерзающих уплотненных грунтах;

— экспериментально выявить механизм и закономерности формирования криогенных текстур в осадках и неконсолидированных грунтах при эпигенетическом способе промерзания;

— вскрыть механизм и закономерности инъекционного льдовыделения в мерзлых и промерзающих грунтах в лабораторных условиях- -выяснить особенности формирования криогенных текстур в грунтах, промерзающих по сингенетическому способу на основе лабораторного моделирования;

— исследовать процесс формирования криогенных текстур в породах сезонноталого слоя при различных физико-географических условиях Сна примере участка полуострова Шал);

— разработать (с целью решения поставленных задач) комплекс лабораторных и полевых методов исследования процесса криогенного тек-стурообразования в породах, промерзающих по эпии сингенетическому способу.

Итогом проведенных исследований являются следующие научные результаты. отражающие новизну работы.

I.Разработан комплекс методов изучения формирования криогенных текстур в эпии сингенетических мерзлых породах, включающий полевые режимные наблюдения и лабораторные исследования. 2. Экспериментально вскрыты динамика миграционных потоков влаги, льдовыделения и закономерности формирования криогенных текстур в промерзающих грунтах при действии внешнего давления. З. В лабораторных условиях установлены механизм и закономерности образования криогенных текстур в промерзающих осадках и неконсолидированных грунтах различной дисперсности.

4.Экспериментально выяснены механизм и закономерности инъекционного льдовыделения в мерзлых и промерзающих грунтах.

5. На основе лабораторного моделирования исследованы особенности образования криогенных текстур в грунтах, промерзающих по сингенетическому способу;

6. Подтверждены основные положения теории формирования миграцион-но-сегрегационных криогенных текстур в промерзающих и оттаивающих породах на примере криогенного текстурообразования в отложениях сезонноталого слоя Сна примере участка полуострова Ямал).

Практическая значимость работы. Результаты проведенных исследований могут быть использованы для дальнейшей разработки прогноза процессов льдовыделения и криогенного текстурообразования и методов их регулирования. Данные, полученные по инъекции влаги в мерзлые породы, являются основой для обоснования новых методов разрушения мерзлых грунтов. Кроме того, эти данные, могут быть использованы для выяснения генезиса криогенных текстур и пластовых льдов.

Некоторые из полученных автором результатов и часть методических разработок реализуются Тюменской комплексной геолого-раз-ведочнои экспедицией и научно-исследовательскими партиями Геологического факультета МГУ при инженерно-геологических изысканиях в области многолетнемерзлых пород. Ряд научных положений вошел в курс лекций «Физика, химия и механика мерзлых грунтов» .

Личный вклад автора. В ходе исследований автором самостоятельно отработана новая методика изучения процесса формирования криогенных текстур и на ее основе решен ряд задач, посвященных изучению криогенного текстурообразования в породах, промерзающих по эпии сингенетическому способу. Автор непосредственно занимался разработкой и изготовлением лабораторных установок и отработкой методик ведения-на них опытовпровел более 50 экспериментов, обработал, проанализировал полученные результатыпринимал участие в оборудовании наблюдательных площадок в районе поселка.

Харасовэй (полуостров Ямал), в разработке и изготовлении датчиков для измерения напряжений в промерзающих отложениях сезонно-талого слоя и оборудовании шурфов для наблюдения за процессом криогенного текстурообразования в промерзающих и оттаивающих породах сезонноталого слоя. Автором обработаны и проанализированы данные, полученные им в результате 4хлетних наблюдений за криогенным текстурообразованием в сезонноталом слое.

Апробация работы. Автор апробировал основные материалы своих исследований на 1У Международной конференции по мерзлотоведению ('США, Фербенкс, Аляска, июль, 1983 г.), заседании Научного совета по криологии Земли АН СССР (Москва, февраль, 1984 г.), II Республиканской конференции (Одесса, октябрь, 1983), II научной конференции «Геокриологические проблемы Забайкалья» (Чита, сентябрь, 1984 г.), У11, У111,1Х, Х научных конференциях молодых ученых Геологического факультета М1У (Москва, 1980,1981,1982, 1983 г. г.), а также на ряде межфакультетских и кафедральных научных семинаров.

Публикации. За время работы по данной теме автором опубликовано 7 научных статей. Кроме того, 3 статьи автора по теме исследований находятся в печати.

Структура и объем работы. Работа объемом 128 страниц машинописного текста, содержит 62 рисунков, 8 таблиц и состоит из оглавления, введения, 8 глав, выводов и списка литературы, который включает 115 наименований. 1,11,111 главы посвящены изученности проблемы, методике, характеристике района и исследуемых породв 1У, У, У1 главах рассмотрены результаты лабораторных исследований формирования криогенных текстур в породах, промерзающих по эпии сингенетическому способуглавы У11, УТИ посвящены криогенному текстурообразованию в отложениях сезонноталого слоя.

В основу работы положены результаты режимных наблюдений, проведенных автором в северо-западной части полуострова Ямал, а также данные лабораторных исследований, выполненных автором на кафедре мерзлотоведения МГУ в период с 1981 по 1984 г. под руководством доктора геолого-минералогических наук Э. Д. Ершова.

При проведении режимных наблюдений автор неоднократно пользовался помощью П. С. Дадько, B.C. Петрова и сотрудников режимной станции «Тюрин-То» (Главтгамёньгеология). В оформлении диссертации принимали участие Л. А. Никуличева и О. Н. Патрик. Изучение микростроения мерзлых пород было полностью проведено Е. М. Чувилиным. Отдельные вопросы диссертации обсуждались с сотрудниками проблемной лаборатории кафедры мерзлотоведения Ю. П. Акимовым, Ю. П. Лебеденко, В. Г. Чеверевым, О. М. Языниным. Всем этим товарищам автор искренне благодарен.

Автор глубоко признателен научному руководителю профессору Э. Д. Ершову, чье постоянное внимание и советы способствовали выполнению данной работы.

ЗШЮЧЕНИЕ.

Проведенные экспериментальные исследования и полевые наблюдения позволили решить актуальную научную задачу, рассматривающую особенности формирования криогенных текстур в породах, промерзающих по эпии сингенетическому способу. Основные результаты выполненных исследовании, определяющие практическую и научную значимость работы, сводятся к следующему.

I. Вскрыты особенности формирования криогенных текстур в грунтах, промерзающих под давлением в условиях «открытой системы. Экспериментально установлено, что в промерзающих грунтах плотность миграционного потока влаги и шлировое льдовыделение уменьшаются с увеличением внешнего давления на грунт. Это, по-видимому, обусловлено увеличением термодинамического потенциала грунтовой влаги и уменьшением д» гас1л/на в промерзающей зоне грунта.

Выяснено, что шлировое льдовыделение прекращается в каолинитовой глине, полиминеральном суглинке и полиминеральной супеси при внешнем давлении около 0,5 МПа или на глубине 20 метров. В монтмориллонитовой глине текстурообразование наблюдается при внешнем давлении 1,5 МПа, что соответствует в природной обстановке глубине 75 метров.

II. Исследован механизм формирования криогенных текстур в промерзающих осадках и неконсолидированных грунтах. Выяснено, что криогенное текстурообразование в них в начальный период промерзания обусловлено законами кристаллизации свободной воды. Вследствие этого, ориентировка ледяных прослоев определяется ортотропным ростом прослоев льда, а рост ледяных шлиров осуществляется за счет влаги, компрессионно отжимаемой из осадка. Установлено, что в промерзающих осадках перераспределение влаги происходит за счет перемещения минеральной составляющей растущими кристаллами льда, в результате чего, изменяется ее содержание в единице объема осадка.

В ходе исследований выяснено, что при промерзании осадков и неконсолидированных грунтов формируются характерные для них ячеистая и блоковая 1фиогенные текстуры. С увеличением дисперсности осадков происходит переход от блоковой криогенной текстуры в супесчаных осадках к ячеистой криогенной текстуре в глинистых осадках. При промерзании осадков в условиях открытой системы наблюдается переход от ячеистой и блоковой криогенных текстур в верхней части осадков к слоистой криогенной текстуре в нижней части осадков.

Воздействие циклов промерзания-оттаивания приводит к диагенетическому преобразованию осадка в породу. При этом наблюдаются уменьшение влажности и увеличение плотности грунта.

III. Впервые экспериментально вскрыты механизм и особенности инъекционного льдовыделения в мерзлых и промерзающих грунтах.

Главные выводы, вытекающие из результатов моделирования процесса инъекционного льдовыделения в мерзлых грунтах, сводятся к следующему.

I. Установлено, что основными параметрами, влияющими на процесс инъекционного льдовыделения, являются: давление в грунтовых водах, предельное напряжение сдвига пленок незамерзшей воды, предельно-длительная и мгновенная прочность мерзлых грунтов. В зависимости от соотношения между выделенными параметрами могут наблюдаться различные проявления процесса инъекционного льдовыделения: а) при условии Т0< Ре < Родя происходит медленная фильтрация пленок незамерзшей воды из области с большим давлением в область с меньшим давлением. Фильтрация сопровождается льдовыделением в локально ослабленных участках и пустотахб) при условии Р^д < Рс< Р¹&tradeнаблюдается инъекционное льдовыделение в мерзлых грунтах. Ориентировка ледяных прослоев совпадает с изолиниями поля напряжений в мерзлом грунтев) при условии Р1 > наблюдается гидроразрыв мерзлой породы, внедрение и замерзание воды. В результате формируются мощные ледяные прослои.

2. Показано увеличение плотности инъекционного потока влаги и льдовыделения с возрастанием гидростатического давления воды, дисперсности, температуры грунта, а также с увеличением содержания минералов группы каолинита.

3. Величина начального гидростатического давления, при котором начинается процесс инъекции влаги, уменьшается с увеличением дисперсности грунтов, содержания минералов группы каолинита и температуры грунта.

4. При ступенчатом увеличении гидростатического давления процесс инъекционного льдовыделения повторяется.

Исследования процесса инъекционного льдовыделения в промерзающих грунтах показали, что при медленной инъекции влаги (< Р^^) инъекционный поток влаги дополняется миграционным потоком влаги. Установлено, что при гидростатическом давлении воды, соизмеримом с мгновенной прочностью грунта, происходит отрыв мерзлой части грунта от талой и заполнение образовавшегося пространства водой, которая в последующем замерзает, формируя ледяной прослой.

1У. Проведены экспериментальные исследования процесса криогенного текстурообразования в грунтах, промерзающих по сингенетическому способу. Установлена возможность формирования криогенных текстур в сингенетических отложениях за счет промерзания сезонноталого слоя снизу, сверху, при его оттаивании, а также при сочетании указанных способов. Выяснено, что образование ледяных поясков в сингенетических отложениях может происходить при оттаивании сезонноталого слоя.

V. Исследование процесса криогенного текстурообразования параллельно с влагопереносом и напряжениями, развивающимися в промерзающих грунтах сезонноталого слоя, подтвердили основные положения теории криогенного текстурообразования, разработанной на кафедре мерзлотоведения Геологического факультета ЖУ. Установлено, что криогенное текстурообразование в лабораторных условиях качественно подобно прцессу образования криогенных текстур в грунтах сезонноталого слоя.

Выполненные комплексные исследования процесса криогенного текстурообразования в отложениях, расположенных в различных ландшафтных условиях, позволили установить следующее: -льдообразование в грунтах сезонноталого слоя при промерзании снизу, сверху и при оттаивании происходит в природных условиях также, как и в лаборатории;

— градиенты температуры в мерзлой зоне промерзающих или оттаивающих грунтов сезонноталого слоя равны или на порядок меньше градиентов температуры, задаваемых в лабораторных опытах. Аналогичным образом соотносятся и значения миграционных потоков влаги;

— напряжения, измеренные в полевых условиях, имеют тот же порядок, что и напряжения, наблюдаемые в лабораторных экспериментах .

VI. Разработан ряд методов и методик изучения формирования криогенных текстур в эпии сингенетически промерзающих породах, которые включают режимные наблюдения и лабораторные методы исследования. Новизна предложенных методик заключается в следующем.

1. Усовершенствована установка и отработана методика исследования процесса криогенного текстурообразования в грунтах, промерзающих под действием внешней нагрузки, а также в осадках и неконсолидированных грунтах.

2. Предложенные автором установки для изучения процесса инъекционного льдовыделения позволяют исследовать процесс в мерзлых и промерзающих породах при сосредоточенном и площадном внедрении воды, а также при различном температурном режиме и гидростатическом давлении внедряющейся влаги.

3. Отработана методика моделирования процесса криогенного текстурообразования в грунтах, промерзающих по сингенетическому способу, при различном температурном режиме и скорости осадконакопления. Она позволяет исследовать формирование криогенных текстур за счет промерзания «сезонноталого слоя» снизу, сверху и при его оттаивании.

4. Разработана методика полевых режимных наблюдений за процессом криогенного текстурообразования в грунтах сезонноталого слоя, включающая комплекс методов исследования различных параметров исследуемого процесса.