Структурообразование в промерзающих и протаивающих породах

Широкий спектр физико-химических и физико-механических процессов, сопровождающих промерзание и протаивание дисперсных пород, вызывает значительные структурные преобразовании их органо-минерального скелета. Это выражается в изменении размера, формы, соотношения и ориентации структурных элементов (первичных частиц, минеральных и органо-минеральных элементов). В процессе промерзания может происходить как уменьшение размеров элементов структуры, обусловленное проявлением диспергационных эффектов, так и увеличение (процессы коагуляции и агрегации). При быстром промерзании грунта (около -40 -60°С) и отсуствии миграции влаги, одновременное зарождение центров кристаллизации и рост кристаллов льда обусловливают преобладающее проявление процесса дезинтеграции частиц и агрегатов. Разрушаются крупнозернисгые частицы и агрегаты минерального скелета (песчаной и крупнопылеватой фракции) как более неоднородные и имеющие большое число дефектов, чем структурные элементы меньшего размера (рис. 1а). При повышении температуры замораживания (выше -30 С) процесс укрупнения агрегатов преобладает над процессом их разрушения. Так, для полиминерального суглинка после промерзания при температуре -30 С, так же как и при -60 С, характерно увеличение содержания крупнопылеватых и песчаных агрегатов, но уже за счет агрегации более мелких структурных элементов (рис. 1б). Снижение интенсивности обусловливает возможность миграции внутриагрегатной влаги к центрам льдообразования и улучшает условия пластической перекомпоновки минеральных элементов, что способствует их сближению и укрупнению в результате коагуляции и агрегирования. Быстрые фазовые переходы вызывают лишь, дробление минеральных отдельностей и повышение дисперсности промерзающих пород.

В случае миграции влаги к фронту кристаллизации ведущая роль в преобразовании структуры

промерзающих грунтов принадлежит процессам массопереноса в промерзающую зону, дифференциации и деформированию грунтовой массы при образовании и росте сегрегационных прослоев льда, обезвоживанию и усадке талой части грунта. Перестройка структуры при этом приводит к значительному уплотнению и упрочнению минерального скелета, что наряду с формированием льдоцементационного сцепления ведет к резкому возрастанию прочности породы в целом. В талой обезвоживающейся зоне промерзающих пород при этом происходят дегидратация структурных элементов, и сближение и формирование более крупных агрегатов и блоков. Отмечаются уменьшение пористости и уплотнение минерального скелета, переориентация частиц и агрегатов вдоль направления миграционного потока и формирование щелевидной пористости. Размер, образующийся при обезвоживании и усадке агрегатов и блоков, определяется степенью и интенсивностью обезвоживания, а также характером и степенью развития деформаций и напряжений усадки. Форма структурных отдельностей обусловлена минеральным составом и кристаллохимическими особенностями строения породообразующихся глинистых минералов.

В промерзающей части глинистых пород (т.е. в области значительных фазовых переходов) перестройке подвергается структура, уже преобразованная за счет предварительного обезвоживания и усадки в талой зоне. Вымерзание воды в крупных порах и рост ледяных кристаллов при понижении температуры выбывают распучивание минерального скелета и дифференциацию грунтовом массы. Структурный облик минерального скелета приобретает рыхлость, хотя прочность породы в целом при цементации льдом заметно возрастает. В процессе фазовых переходов могут проявляться частичное дробление я переориентация грунтовых блоков и агрегатов в результате деформации распучивания, но внутри этих агрегатов ориентация элементарных (первичным частиц обычно сохраняется. Вследствие роста ледяных включении преимущественно в крупных порах и по границам структурных отдельностей поры сохраняют щелевидную форму, но увеличиваются в размерах. В процессе дальнейшего промерзания (понижения температуры) фазовые переходы воды осуществляются во все более мелких внутриагрегатных и межчастичных порах что приводит к дезинтеграции грунтовых частиц и дезориентации их в пределах агрегатов и блоков породы. В итоге промерзшая порода характеризуется разупорядоченной структурой, близкой к той, которая имела место до промерзания (в немерзлой породе).

Количественные микроструктурные изменения при промерзали г обусловлены составом и первоначальным строением. Минеральный составом определяет форму структурных отдельностей, образующихся в ходе промерзания. Исходная (до промерзания) дисперсность определяет развитие структурообразовательных процессов в промерзающих грунтах посредством влияния на интенсивность влагообмена льдообразования и обезвоживания пород. Не меньшее влияние оказывает химический состав пород. В условиях глубокого обезвоживания в глинистых породах, содержащих Nа-ион отмечается преобладающее проявление процессов коагуляции и агрегирования структурных элементов. Промерзание глин, содержащих многовалентные катионы (Са²⁺ и Мg²⁺), сопровождается диспергацией структурных отдельностей.

При затрудненном влагообмене в плотных грунтах малой влажности отмечаются процессы дезинтеграции структурных элементов. В относительно рыхлых влагонасыщенных породах преобладают процессы коагуляции и агрегирования.

Образование в промерзающих дисперсных породах льда в качестве структурного элемента коренным образом меняет исходную (немерзлую) структуру породы. Отличительным признаком микростроения крупнообломочных и песчаных пород является наличие в них льда-цемента. скрепляющего ранее несвязную рыхлую породу. В зависимости от начального влагосодержания в песчаных породах, например, образуются манжетный (контактный), пленочный (корковый), поровый и базальный типы льда-цемента (рис. 1.2.). Криогенное микростроение глинистых пород (супесей, суглинков, глин) характеризуется наличием микротекстур, которые оказываются подобны макротекстурам мерзлых пород (массивные, слоистые, сетчатые, ячеистые). С увеличением дисперсности происходит увеличение как мощности микропрослоев льда, так и частоты их взаиморасположения

Микростроение засоленных песчаных пород характеризуется повышенным содержанием незамерзшей воды, появлением нового структурного элемента - кристаллов солей, которые выпадают из порового раствора и цементируют минеральный скелет, образуя новый тип контактов - кристаллизационный. Структурообразовательные процессы значительно сложнее протекают в глинистых породах, где, кроме того, развиты процессы ионною обмена, которые в зависимости от состава солей приводят либо к агрегации, либо к диспергации минерального скелета. Формирование криогенного микростроения также определяется условиями промерзания (скорость промерзания, градиентами температуры - наличием или отсутствием подтока влаги). При медленном промерзании агргатов наблюдается более однородное микростроение.

При оттаивании также идет преобразование структуры мерзлых пород. Н большинстве случаев, и особенно при быстром протаивании дисперсных пород, наблюдается общая тенденция к увеличению дисперсности за счет дезинтеграции более крупных элементов. Протаивание сопровождается ослаблением структурных связей, разупрочнением и уменьшением водопрочности элементов грунтовой системы.

2. Структурные связи и типы контактов в мерзлых породах

В ходе промерзания и в мерзлом состоянии в породах за счет сложных процессов структурообразования формируются специфические тины кон гам он и структурные связи. В скальных и части осадочных сцементированных пород преобладают связи химической природы, а тонкодисперсных льдистых порода связь между отдельными ее элементами осуществляется чаще всего за счет молекулярных и ионно-электростатических взаимодействий (или водно коллоидными связями).

Образование структурных связей в такой многофазной я многокомпонентной дисперсной системе, как мерзлая порода, всегда происходи) не только между грунтовыми поверхностями, но и поверхностями льда и грунтовых частиц. Формирование структурных связей идет обычно не по всей поверхности слагающих породу элементов, а только в местах их сближения, т.е. на контактах. Число и характер (природа) таких разнородных индивидуальных контактов во многом предопределяют микростроение к свойства мерзлых пород. Каждый тип или разновидность контакта характеризуется своим механизмом образования и природой взаимодействующих сил, геометрией и величиной контактного взаимодействия.

В первом приближении все разнообразия контактов в дисперсных породах, находящихся при отрицательной температуре и содержащих в своем составе лед, можно подразделить на точечные, площадные и объемные, характеризующиеся различной площадью контактного взаимодействия органо-минеральных частиц и льда, и на агрегационные, коагуляционные и сухие контакты, различающиеся по энергии взаимодействия и расстоянию между контактирующими ледяными и грунтовыми частицами (рис. 2.1.).

Разделение контактов по энергии их взаимодействия в значительной мере определяется расстоянием между взаимодействующими грунтовыми частицами. Так, в случае прямого взаимодействия двух грунтовых частиц образуются наиболее прочные сухие контакты. Они характеризуются валентным и ионно-электростатическим взаимодействием, а также непосредственным соприкосновением элементов мерзлой породы.

Сухие минеральные контакты обычно возникают при диагенетическом

преобразовании пород, за счет повышения давления с глубиной и дегидратации глинистых осадков.

Минерально-цементационные контакты формируются при перекристаллизации и выделении из поровых растворов новой фазы. Это связано с пересыщением поровых растворов в ходе диагенеза (в том числе и промерзании пород, что повышает концентрацию этих растворов) и выделением из них цементирующих веществ, которые создают прочные «мостики» между грунтовыми частицами, образуя жесткую пористую структуру минеральной компоненты.

При сильном понижении отрицательной температуры дисперсной породы (ниже -100 - 150 С) могут возникать минерально-ледовые контакты. Это происходит, когда практически вся связанная вода вымерзает или мигрирует в другие участки породы и образуются близкие к сухим контакты «минерал-лед). Они являются обратимыми при оттаивании и наименее прочными среди других видов сухих контактов.

Характерной особенностью водных контактов является наличие между взаимодействующими элементами мерзлой породы пленок незамерзшей, (связанной) воды. Коагулягщонные контакты определяются в основном действием молекулярных и ионно-электростатических сил. Агрегаи,ионные контакты формируются преимущественно в результате дальнодействующих молекулярных сил, а в некоторых случаях - за счет магнитных и дипольных (кулоновских) взаимодействий. Агрегационные контакты присущи суглинистым, супесчаным и песчаным породам в диапазоне высоких отрицательных температур (0 - 5°С).

Анализ характера структурных связей и контактов в породах позволяет объяснить и факт резкого возрастания прочности пород при переходе их из талого состояния в мерзлое. В зависимости от характера, размера и формы грунтовых и ледовых частиц, степени влагонасыщения, наличия отрица-тельной температуры и условий промерзания в дисперсных породах между частицами может возникать большое разнообразие типов и видов контактов, которые в результате внешних воздействий способны переходить из одних в другие, определяя структурные связи между элементами мерзлой породы.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: