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 льдистость ю, 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 деформирования горных 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.