Мерзлые горные породы

 

Мерзлыми (криогенными) называются горные породы, имеющие от­рицательную температуру, в которых хотя бы

часть поровой влаги пре­вращена в лед, цементирующий минеральные частицы. Мерзлые породы распространены в областях многолетней (вечной) мерзлоты, которые за­нимают 25 % суши Земли и более половины территории России. Нижняя граница вечномерзлых пород в районах высоких широт азиатской части России проникает до глубины 800 - 1000 м. Сезонно мерзлые породы за­нимают еще более значительную территорию, но глубина их промерзания невелика и зависит от континентальности климата, тепловых свойств по­род, строения массива и других факторов.

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.

Таким образом, фазовый переход воды в кристаллическое состояние оказывается растянутым в значительном интервале температур. При этом мерзлые породы в условиях естественного залегания, когда их температу­ра не опускается ниже , всегда содержат некоторое количество незамерзшей (как правило, физически связанной) воды. Общее содержа­ние льда называется льдистостью, которая равна отношению массы всего льда к массе воды, содержащейся в породе

(7.10)

где - суммарная влажность породы; - содержание незамерзшей во­лы.

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

(7.11)

Горная порода считается морозостойкой, если .

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.