Мерзлотоведение
Конспект № 5
7. СОСТАВ И СТРОЕНИЕ МЕРЗЛЫХ ГОРНЫХ ПОРОД
7.1.Основные положения
Мерзлые горные породы представляют собой сложные природные образования, состоящие из различных компонентов среди которых в общем случае можно выделить твердую, жидкую и газообразную фазы.
Твердая фаза в них представлена минеральными частицами и льдом, жидкая – незамерзшей водой, а газообразная – воздухом, парами воды и различными газами. Все вышеперечисленные составляющие находятся в тесной взаимосвязи друг с другом, зависящей по Н.А. Цытовичу /6/ как от свойств отдельных фаз, так и от интенсивности внешних воздействий. Среди всего многообразия мерзлых морозных пород наиболее сложным объектом исследования являются тонкодисперсные отложения.
7.2. Основные компоненты мерзлых горных пород
Минеральные частицы и обломки в мерзлых горных породах имеют тот же минеральный и петрографический состав, как у аналогичных им талых пород. Для дисперсных (песчаных и глинистых) горных пород, минеральный состав в значительной мере определяет их физико-механические свойства в мерзлом состоянии, что определяется степенью их дисперсности, т.е. величиной активной удельной поверхности частиц, минералогическим и химическим составом скелета, а также формой и взаимным расположением частиц, т.е. их сложением.
Льдом называют все мерзлые модификации воды независимо от их кристаллического или аморфного состояния. В природных условиях в мерзлых горных породах лед представлен кристаллическими телами гексогональной сингонии с плотностью 0,9168 г/см3. Атомы кислорода расположены в узлах кристаллической решетки льда, причем каждая молекула тетраэдрически окружена четырьмя другими, ориентированными друг другу противоположными полюсами. Расстояние между молекулами в этой структуре равны 0,276 нм. Поэтому структура льда чрезвычайно рыхлая (рис. 7.1). Она имеет большое количество пустот, которые по своим размерам превышают размеры молекул. При плавлении льда в образующейся жидкой воде сохраняется, в основном, та же структура. При понижении температуры подвижность атомов уменьшается, и лед принимает более упорядочную (более плотную и более прочную) структуру, а при температуре минус 780С, как указывает Н.А. Цитович, кристаллическая решетка льда принимает стабильное состояние.
Незамерзшая вода содержится в тонкодисперсных горных породах до температуры примерно минус 700С. Молекула воды состоит из иона кислорода, в электронное облако которого внедрено два ядра водорода. Как указывает В.Д. Ломтадзе / 7 /, вода имеет как бы размытую тепловым движением структуру льда и является квазикристаллической. Связи между молекулами в жидкой воде, так же как и во льду, в основном водородные по тетраэдру. Структура льда в воде сохраняется до температуры плюс 250С.
Таким образом, в воде в каждый данный момент образуются льдоподобные и плотноупакованные структуры. Под первым понимаются агрегаты, скопления молекул воды. Вторые образованы неассоциированными мономерными молекулами воды, заполняющими промежутки и находящимися в каждый данный момент в равновесии с ними (рис.7.2.). Скопления молекул воды, образующих в жидкой воде островки льдоподобных структур, называют “мерцающими роями”. Размеры роев соответствуют сумме диаметров нескольких десятков молекул воды, а время их существования не превышает 10-10 – 10-11с.
При понижении температуры тепловое движение частиц воды уменьшается, возрастает влияние ориентационного эффекта молекулярных (ван-дер-ваальсовых) сил и при температуре, близкой к кристаллизации воды, молекулы ее группируются в льдообразные агрегаты, соединяясь достаточно прочными водородными связями.
Рис.7.1. Расположение центров Рис. 7.2. Схематическая модель
молекул в структурах льда жидкой воды с роями льдоподобных
(по В.Д. Ломтадзе /7/) структур и мономерными молекулами
воды (по В.Д. Ломтадзе)
Минеральные частицы горной породы оказывают влияние на тепловое движение воды. Расстояние между активными центрами по поверхности глинистых частиц составляют 0,55 нм, а ближайшее расстояние между молекулами воды в воде и во льду около 0,28 нм. Поэтому, адсорбирование на активных центрах молекулы воды не могут образовывать друг с другом водородных связей и создать мономолекулярный слой. Это также приводит к искажению структуры воды и дезориентации ее молекул.
В тонкодисперсных горных породах вследствие большой их удельной поверхности значительная часть воды оказывается ориентированной поверхностными силами частиц породы, и характеризуются искаженной структурой. При замерзании таких пород часть воды переходит в лед с неискаженной или слабо искаженной структурой. Остальная часть воды не кристаллизуется, так как этому препятствуют искажение ее структуры. Не замерзшая вода в мерзлых горных породах может быть в двух состояниях:
1) прочно связанная поверхностью минеральных частиц (с избытком энергии активизации), когда вследствие больших электромоллекулярных сил поверхности, вода не может перейти в гексагональную кристаллическую решетку льда даже при очень низких температурах;
2) рыхлосвязанная – вода переменного фазового состава (с недостатком энергии активизации) замерзающая при температуре ниже 00С.
Количество не замерзшей воды в мерзлых породах уменьшается с понижением их отрицательной температуры.
Газообразная составляющая мерзлых горных пород представлена парами воды, воздухом и газами. Газообразные компоненты могут находиться в мерзлых горных породах: а) в свободном виде, в крупных порах, пустотах и трещинах; б) в адсорбированном виде, на поверхности минеральных частиц и льда; в) в иммобилизованном виде, защемленном в микротрещинах и порах пород, свободных от воды и льда; и г) в растворенном, в незамерзшей воде, состоянии.
Пары воды, перемещаясь к зоне охлаждения (промерзания) под влиянием разности упругости, определяемой температурой пород, конденсируются, замерзают и вызывают увеличение льдистости пород. Упругость пара над поверхностью льда ниже, чем над охлажденной и даже переохлажденной водой /7/. Воздух и газы, особенно в абсорбированном и защемленном состоянии, увеличивают упругие свойства пород.
Все перечисленные компоненты, слагающие мерзлые горные породы – твердые минеральные частицы, лед, незамерзшая вода, водяные пары, воздух и газы, обладая специфическими свойствами, находятся во взаимодействии друг с другом. Это взаимодействие обусловлено в первую очередь, силовым полем поверхности минеральных частиц и льда с водой различных состояний, интенсивность которого зависит от удельной поверхности и физико-химической природы твердых компонентов пород, состава обменных катионов, и от влияния внешних воздействий (температуры и давления).
Важнейшим компонентом мерзлых пород является лед. Наличие льда определяет формирование физико-механических свойств мерзлых горных пород их поведение под нагрузками, развитие ряда мерзлотных геологических процессов и явлений.