Подземные льды, их генезис и залегание в мерзлых толщах.

К подземным льдам, встречающимся в виде крупных скоп­лений в верхней части литосферы, относят ледяные тела мощно­стью более 0,3—0,5 м. Среди них выделяются жильные, инъекци­онные, миграционные, пещерные и погребенные льды. Наибольшее значение в геокриологическом отношении представляют жильные, инъекционные и миграционные льды.

Жильные льды формируются в результате заполнения возникающих в мер­злых породах трещин влагой и характеризуются разнообразием вещественного состава примесей, наличием вертикальной и на­клонной полосчатости. Жильные льды включают в себя льды, заполняющие тре­щины в выветрелых скальных породах (трещинные), и ледяные жилы в рыхлых отложениях. В последнем случае они являются со­ставной частью толщи четвертичных отложений и называются полигонально-жильными или повторно-жильными льда­ми: полигональными — так как они образуют в плане четкую по­лигональную решетку и в разрезе имеют форму клина или жилы, повторно-жильными — потому, что они образованы в значитель­ной степени за счет многократно повторяющегося льдообразова­ния в вертикальных морозобойных трещинах, периодически воз­никающих в одном и том же месте (контракционная гипотеза). Среди жильных льдов различают эпи- и сингенетические.

Эпигенетические ледяные жилы образуются в тех оса­дочных горных породах, которые промерзают после их накопле­ния и преобразования (уплотнения) сверху. Преобладающие раз­меры жил по вертикали не превышают 3—5 м, по ширине 1,5— 2 м в верхней части. Вертикальная протяженность эпигенетичес­ких ледяных жил определяется глубиной проникновения в мерз­лый грунт морозобойных трещин, которая достигает 5—7, редко 10 м, а теоретически возможна до 12—15 м. Лед в элементарных морозобойных трещинах образуется из кристаллов изморози, за­бивающегося зимой снега и просачивающейся летом воды. Необ­ходимым условием образования ледяных жил является проникно­вение морозобойных трещин ниже максимальной глубины слоя сезонного оттаивания, В поперечном сечении типичная эпигене­тическая ледяная жила имеет форму перевернутого треугольника, основание которого меньше боковых сторон.

Сингенетические ледяные жилы, растущие в процессе формирования отложений синхронно осадконакоплению, могут достигать огромных размеров: по вертикали до 50—80 м (возмож­но более), по горизонтали 8—10 м. Форма жил обычно сложная, с расширениями и сужениями, нередко жилы залегают многоярусно. При максимальном разрастании ледяных жил они становятся преобладающей составной частью мерзлой горной породы в це­лом, грунт располагается в виде сужающихся к верху вертикаль­ных «земляных жил» или колонн между решеткой льдов.

Инъекционные льды, образующиеся в гор­ных породах при кристаллизации свободных подземных вод, вне­дрившихся под напором, обычно слагают залежи пластовой, линзовидной и штоковой форм; часто содержат в большом количе­стве воздушные включения различных форм и размеров. Наиболее типичное выражение иньекционпые льды имеют в ядрах бугров пучения (гидролакколи­тах), наиболее крупные из которых достигают высоты 40—50 м и более при диаметре в несколько десятков и даже сотен метров. В Якутии такие бугры называются булгунняхами, в Северной Америке — пинго.

Как особая разновидность инъекционного льда выделяется по­вторно-инъекционный лед. Он образует в верхних горизонтах мерзлых толщ интрузивные пласты толщи­ной 6—8 м и в поперечнике до 300 м. Льды формируются сначала под действием гидростатического напора подземных вод, a затем в результате напорной миграции воды и разжиженною плывун­ного грунта из замкнутой системы

Мигра­ционные льды как горные породы формируются при благоприят­ных условиях промерзания и миграции воды к фронту льдовыделения, образуя ледяные тела мощностью до нескольких метров. Миграционные льды также могут образовывать крупные скоп­ления в земных недрах. Нередко их называют сегрегационными, т.е. образующими шлиры (сегрегация — разделение). В том случае, когда они составляют крупные монолитные тела льда, именовать их сегрегационными представляется не отвечающим смысловому значению слова. Здесь лед не разъединяется на прослойки, а объе­диняется в единое тело. В последнее время с данным типом льдо­образования связывается формирование крупных пластовых, линзовидных залежей подземного льда и даже бугров пуче­ния. Эта точка зрения оспаривается другими ис­следователями. Выделен также особый тип сегрегации, обуслов­ленный действием напорной миграции. С уверенностью можно считать, что миграционные льды являются преобладающей со­ставной частью мерзлой горной породы в пределах так назы­ваемых выпуклых торфяных бугров.

Группа ледяных образований пещер включает льды различного генезиса. Среди них различают льды инфильтрационные, образу­ющие в пустотах кору обледенения и ледяные сталагмиты и ста­лактиты, аблимационные — ледяные друзы и пещерную измо­розь, снежные — пещерные снежники, а в сочетании с инфиль­трацией — часто пещерные ледники.

Погребенные льды являются остатками сформировавшихся на дневной поверхности льдов раз­личного происхождения (речных, озерных, ледниковых и др.), перекрытых слоем осадочных пород, предохраняющих их от вытаивания.

9. Миграция влаги в промерзающих дисперсных породах. Влияние состава, влажности и температуры на процессы миграции и текстурообразования. Классификация криогенных текстур.

Процесс промерзания (протаивания) дисперсной породы вы­зывает резкое нарушение сложившегося термодинамически равновесного состояния системы и проявляется в динамическом сосуществовании мерзлой, промерзающей и талой зон и в воз­никновении подвижной границы раздела фаз между ними, т.е. фронта промерзания (протаивания).

Следует особо подчеркнуть, что именно мерзлая (а не талая) зона промерзающей и протаива­ющей породы будет вызывать и определять миграцию влаги. Свя­зано это с тем, что возникновение и существование градиента отрицательных температур в мерзлой зоне неизбежно приводит к созданию в ней значительных градиентов термодинамического потенциала по незамерзшей и парооб­разной влаге (grad W_нз и grad d). Наличие же движущих сил мигра­ции влаги в мерзлой зоне промерзающих (или протаивающих) пород вызывает передвижение жидкой и парообразной влаги в направлении от большего потенциала влаги (или влагосодержания) к меньшему, т.е. из области более высоких в область более низких отрицательных температур.

Дефицит влаги, возникающий при этом в высокотемператур­ной части мерзлой зоны, будет восполняться за счет подтягива­ния ее из талой зоны промерзающей (или протаивающей) поро­ды, что является энергетически более выгодным, поскольку влага здесь оказывается менее связанной и более подвижной, чем в мерзлой зоне. Такой процесс вызовет в свою очередь формирова­ние градиентов термодинамического потенциала влаги и влагосодержания в талой зоне породы, которые будут обеспечивать по­ступление в мерзлую зону необходимого (требуемого мерзлой зо­ной) количества жидкой и парообразной влаги. Талая часть поро­ды при этом служит как бы «резервуаром» или источником влаги для мерзлой зоны.

Влагоперенос и льдонакопление в промерзающих породах определяются как составом и строением пород, так и условиями их про­мерзания. Состав промерзающих дисперсных пород при этом яв­ляется одним из основных факторов, определяющих особенности влагопереноса и льдонакопления в них. Так, в гравийно-галечных песчаных отложениях, где влагоперенос осуществляется в основ­ном за счет пара, процесс миграции жидкой влаги практически отсутствует. При полном их влагонасыщении (С=1) процесс про­мерзания обычно сопровождается объемным распучиванием за счет увеличения на 9% объема воды при переходе ее в лед, а нередко и так называемым «поршневым эффектом», который заключается в отжатии избыточной воды вниз. Сегрегационное льдовыделение фиксируется лишь при размерах минеральных частиц менее 1 мм, когда начинает интенсивно работать адсорбционно-пленочный механизм переноса влаги. Коэффициенты влагопереноса мерзлых дисперс­ных породах уменьшаются внесколько раз при переходе от каолинитовых глин к монтмориллонитовым и к мерзлым пескам. Градиенты же потенциалов влаги впромерзаю­щей зоне возрастают по мере увеличения дисперсности и от монтмориллонитовых к каолинитовым глинам. Поэтому миграцион­ные потоки влаги повышаются с ростом дисперсности пород и увеличением в них минералов группы каолинита.

Большое значение в практическом отношении имеют вопросы влагопереноса и льдонакопления в дисперсных породах при промерзании их в различных термодинамических условиях. Так, в условиях «открытой» системы суммарный миграционный поток влаги в фунтах обусловлен развитием влагообмена как внутрен­него за счет перераспределения собственной грунтовой влаги, так и внешнего за счет миграции влаги из водоносного горизонта. Промерзание же грунта в условиях «закрытой» системы вызывает только внутреннее перераспределение влаги между мерзлой и талой частями пород.

Льдонакопление в промерзающих породах зависит от режима их промерзания и возрастает с увеличением grad t в мерзлой зоне. Однако рост grad t в мерзлой зоне приводит к увеличению скоро­сти промерзания.

Под криогенной текстурой мерзлой породы понимается такое сложение ее ледяного каркаса, состоящего из включений и прослоев льда различной формы и размеров, ориентировки и пространственного взаиморасположения, при котором структура ми­нерального скелета разделена на структурные отдельности. Поня­тие текстуры мерзлой породы в отличие от криогенной текстуры включает изучение текстурных особенностей не только ледяных включений, но и органоминеральной части.

Криогенные текстуры скальных пород определяются главным образом их трещиноватостью, особенностями заполне­ния трещин влагой и ее замерзанием. Это, как правило, унаследо­ванные криогенные текстуры. Размеры, форма, ориентировка и пространственное взаиморасположение ледяных включений в них соответствуют геометрии трещин. В магматических изверженных породах формируются тре­щинные и трещинно-жильные криогенные текстуры.

В осадочных сцементированных породах выделяются пластово-трещинные, пластово-трещинно-поровые, пластово-трещинно-карстовые типы криогенных текстур. Размеры прослоев льда в унаследованной текстуре определяются раскрытием тре щины и изменяются от долей миллиметра до десятков сантимет­ров. По мощности льда выделяют тонко-, средне-, толстотрещин­ные и трещинно-жильные криогенные текстуры. По взаиморасположению и ориентировке в пространстве вы­деляют упорядоченно-сетчатые (или закономерно-сетчатые) и беспорядочно-сетчатые (незакономерно-сетчатые) криогенные текстуры.

Криогенные текстуры в литифицированных породах рыхлого чехла в зависимости от их состава и строения, а также условий промерзания весьма разнообразны. По ориен­тировке и пространственному взаиморасположению прослоев льда выделено несколько основных типов криогенных текстур: массив­ные, слоистые, сетчатые и ячеистые. В зависимости от размеров прослоев льда и расстояния между ними выделяются различные виды криогенных текстур (табл. 7.2).