практическая 5, сыпачев

Иркутский национальный исследовательский технический университет

Институт недропользования

Кафедра прикладной геологии, геофизики и геоинформационных систем

ОБЩЕЕ МЕРЗЛОТОВЕДЕНИЕ

Практическая работа № 5

КРИОГЕННОЕ СТРОЕНИЕ МЕРЗЛЫХ ГОРНЫХ ПОРОД

Выполнил:

студент группы

РГ-17-1

Сыпачев Р.И

Проверил:

профессор

Верхозин И.И.

Иркутск 2021

Цель работы:Целью практической работы является изучение криогенного строения мерзлых горных пород, как основного фактора, определяющего условия их формирования и строительных качеств (физико-механических и теплофизических свойств).

Указания к выполнению работы

На основании изучения и анализа опубликованной учебной, нормативной и справочной литературы необходимо:

1. Дать описание основных разновидностей криогенных структур основных генетических типов (классов) мерзлых горных пород.

2. Охарактеризовать основные виды и разновидности криогенных текстур дисперсных пород.

3. Ознакомиться с порядком описания криогенного строения мерзлых горных пород.

4. Оформить проделанную работу в виде отчета и сдать на проверку.

Важнейшей особенностью строения мерзлых горных пород, является присутствие в них льда. Лед может присутствовать в них в виде микроформ, являясь своеобразным породообразующим минералом. В этом случае он представлен кристаллами, их скоплениями, мелкими прослойками и прожилками. Кроме этого, лед может быть представлен в мерзлых породах и в виде макроформ, различных слоев, линз, жил и других ледяных тел. В этом случае он представляет мономинеральную породу.

Различное распределение льда в горных породах оказывает влияние на их строение, т.е. структуру и текстуру.

Выделяются следующие типы льда-цемента:

1) контактный - лед находится только в местах контакта частиц минерального скелета и образующийся при промерзании не полностью водонасыщенных грубозернистых песчаных и мелкообломочных пород;

2) пленочный - лед обволакивает поверхность частиц и оставляет большую часть пор свободной; он образуется в таких же породах, что и контактный, но более влажных;

3) поровый – лед полностью заполняет поры песчаных и грубообломочных частиц; этот вид льда-цемента образуется в полностью водонасыщенных песчаных и обломочных породах;

4) базальный – лед составляет основную массу мерзлой породы и разобщает частицы минерального скелета; встречается преимущественно в глинистых и глинисто-пылеватых породах.

В зависимости, от соотношения зерен льда-цемента с частицами минерального скелета, различают следующие структуры мерзлых пород:

1) межчастичную (интерсальную) - где зерна цемента расположены в единичных промежутках между частицами скелета и не превышают их по размерам;

2) объемлющую (пойкилитовую) - где зерна цемента крупнее частиц скелета и обволакивают их.

В зависимости от формы и кристаллографической ориентировки зерен льда в горных породах, отдельные авторы выделяются следующие виды криогенных структур:

1. Неправильнозернистую, в которой зерна льда имеют неправильную формы в результате механического воздействия друг на друга в стесненных условиях их формирования. Они имеют вид беспорядочных, неориентированных ледяных включений.

2. Призматическую, в которой кристаллы льда имеют правильную форму и обладают упорядоченной кристаллографической ориентировкой.

3. Промежуточную, которая подразделяется на а) пластинчатую, б) столбчатую. Обычно, в тонких шлирах сегрегационного льда таких отложений, его кристаллы имеют пластинчатую форму, а в более мощных – столбчатую.

Текстура мерзлых пород характеризуется пространственным расположением в них выделений льда при промерзании. К основным типам криогенных текстур относятся:

1. массивная - когда лед в виде цемента более или менее равномерно распределен по всей породе;

2. слоистая - когда лед выделяется в виде параллельных прослоек, линзочек и слоев; в соответствии с их мощностью породы могут иметь тонко-, средне- и толсто-слоистую текстуры;

3. сетчатая - когда лед выделяется в виде взаимно пересекающихся прослоев, линзочек, жилок и жил, образующих на обнаженной поверхности пород мелко-, средне или крупноячеистую сетку.

Криогенная текстура определяется особенностью относительного расположения в пространстве сцементированных льдом частиц пород. Иными словами, криогенная текстура – это рисунок, узор мерзлой породы, создаваемый в ней льдом.

Массивная криогенная текстура характеризуется равномерным распределением порового льда и содержанием ледяных включений не превышающим 3% общего объема мерзлого грунта. Возникновение массивной криогенной текстуры сопровождается упрочнением породы, а при оттаивании они сохраняют, а иногда даже улучшают прочностные показатели той же породы до промерзания. Они дают минимальные осадки.

Льдистость тонкодисперсных и мелкозернистых грунтов за счет льда-цемента редко превышает 40%, в крупнообломочных несвязанных породах она достигает не более 20%.

Порфировидная криогенная текстура создается изометрическими зернами льда, имеющими овальную, глазковую форму и присутствующими в мерзлой породе в виде гнезд вкрапленников, пятен неправильной формы. Расположение включений льда в массиве обычно беспорядочное, но может быть и ориентированным. Наиболее часто размеры вкрапленников в поперечнике не выходят за пределы 1см. Общее льдонасыщение породы за счет льда включений не превышает 10%.

Корковая криогенная текстура. В мерзлом массиве лед образует не выдержанные по толщине корки и линзы около крупных обломков и агрегатов. Обычно форма корок определяется формой полости, которую заполняет лед. Распределение в массиве льда – беспорядочное, максимальная толщина корок редко превышает 0,5см. Льдосодержание отложений с корковой криогенной текстурой редко превышает 5%.

Слоистая криогенная текстура характеризуется наличием горизонтальных, косых и вертикально расположенных прослоек и линз льда. Эта текстура создается удлиненными ледяными телами или линзами, более или менее параллельными друг к другу и ориентированными в одном направлении. Толщина шлиров и линз может варьировать от долей миллиметров до десятков сантиметров. При расстоянии между ледяными включениями менее 10мм текстура называется частослоистой, 10-100мм-среднеслоистой, более 100мм - редкослоистой.

В зависимости от формы включений льда и их положения в пространстве выделяются: простые – линзовидная, полосчатая; сложные – косая, прожилковая и плойчатая.

В зависимости от простирания прослоек льда слоистая текстура подразделяется на горизонтально–слоистую, вертикально–слоистую и наклонно–слоистую; от расположения льда включений по глубине разреза слоистые криогенные текстуры подразделяются на равномерно – и неравномерно слоистые. Слоистая текстура мерзлых пород определяет меньшую прочность в мерзлом состоянии и наибольшие осадки при оттаивании.

Сетчатая криогенная текстура характеризуется расположением ледяных включений по правильной, завершенной или неправильной, незавершенной сетке и т.п. Ледяные тела удлиненной формы пересекаются между собой и образуют в массиве каркасные (решетчатые, ячеистые) формы. В зависимости от размера ячеек выделяют микросетчатую (менее10мм), среднесетчатую (10-100мм) и крупносетчатую (более100мм) текстуры.

Общее льдонасыщение породы с сетчатой текстурой, как правило, меньше 50%. Сетчатая криогенная текстура образуется только в тонкодисперсных грунтах и подразделяется на несколько морфологических видов и разновидностей.

Выделяются следующие основные простые виды сетчатой криогенной текстуры: ячеистая (сотовая), плетенчатая, плитчатая (блоковая), чешуйчатая. В тех случаях, когда в массиве присутствуют лишь отдельные элементы решетки или каркаса, выделяют неполносетчатую криогенную текстуру.

В зависимости от толщины ледяных перемычек (прослоек), сетчатые криогенные текстуры по аналогии со слоистыми, подразделяются на:

а) тонкосетчатые с толщиной ледяных перегородок 0,1–0,5см;

б) мелкосетчатые, где толщина ледяных перегородок составляет 0,5–1,0см;

в) толстосетчатые – 1,0–5,0см и крупносетчатые – более 5см.

При одинаковой льдистости мерзлые породы ячеистой текстуры дают большие осадки при оттаивании по сравнению с породами слоистой текстуры.

Базальный тип криогенной текстуры характерен для грубозернистых и обломочных пород и образуется при промерзании этих отложений в условиях полного водонасыщения, редко встречается и в тонкодисперсных грунтах. Обычно промерзание водонасыщенных пород идет в условиях замкнутой системы, когда отжатие излишков воды в стороны не происходит, что приводит к раздвиганию частиц скелета и увеличению объема пор.

Атакситовый тип криогенной текстуры (или лед с включением грунта) формируется всхожих условиях, но при промерзании тонкодисперсных минеральных и органо-минеральных пород. В результате развиваются высокольдистые мерзлые породы, в которых агрегаты и блоки грунта как бы «плавают» во льду. Атакситовая текстура образуется в условиях медленного промерзания и наиболее часто встречается у подошвы сезонноталого слоя в отложениях склонов, поймы, органо–минеральных отложениях озер и болот.

Изучение криогенного строения мерзлых пород обычно проводиться на макро-, мезо- и микроуровне

Макростроение создают объекты, различимые невооруженным глазом. К элементам макростроения относятся залежи подземных льдов, блоки мерзлых пород заключенные между жилами льда, термокарстовые полости и др. Размер элементов макростроения изменяется от 1–5мм до нескольких метров. В силу своей масштабности эти элементы играют важную роль в формировании рельефа земной поверхности.

Мезостроение изучает объекты, элементы которых имеют размеры от 1 – 5 до 0,05 – 0,001мм. Особенности мезостроения обусловлены формой, размерами, распределением частиц минерального скелета, включений льда и пустот. Характер мезостроения определяется прежде всего гранулометрическим составом минерального скелета и морфологией льда-цемента, а так же процессами формирования рыхлой породы и условиями ее промерзания. Поэтому мезостроение мерзлых пород является важным показателем. Оно во многом определяет физические, теплофизические и физико-механические свойства мерзлых пород (грунтов).

Микростроение изучает объекты, элементы которых имеют размеры меньше 0,001мм. Оно определяется строением тонкодисперсной части скелета, льда цемента, распределением микропор и незамерзшей воды, минералогическим составом тонкодисперсной части скелета.

Особенности описания криогенных структур мерзлых горных пород приведены ниже.

При описании слоистой криогенной текстуры определяются:

1. форма включений льда (прослойки, линзы, прожилки);

2. размер ледяных включений– толщина, длина по простиранию;

3. порядок текстуры – расстояние между прослойками льда;

4. ориентация включений в массиве (горизонтальная, наклонная, вертикальная);

5. распределение включений в массиве (равномерное, неравномерное);

6. текстура льда включений;

7. характеристика контакта лед–грунт;

8. льдистость грунта за счет льда включений.

При описании криогенных текстур сетчатого типа, устанавливаются:

форма минеральных агрегатов или форма ячеек ледяной сетки (вид криогенной текстуры – ячеистая, плетенчатая, плитчатая и т.д.); толщина ледяных перемычек и порядок криогенной текстуры); распределение льда по глубине массива; текстура льда включений, характер контакта лед–грунт; льдистость за счет включений льда.

При описании сложных криогенных текстур вначале приводится описание крупных включений льда, образующих основной текстурный рисунок, а затем дается характеристика более мелких включений льда, создающих подчиненную криогенную текстуру. Порядок описания основной и подчиненной криогенной текстуры остается тем же, что и для простой криогенной текстуры.

При описании базальной и атакситовой криогенной текстур приводится характеристика текстуры слоя льдонасыщенного грунта, характеристика контакта лед– грунт, визуально устанавливается объемное содержание минеральных агрегатов во льду или объем льда в породе.

При описании порфировой и корковой криогенной текстуры устанавливаются: форма ледяных включений, их размеры, толщина или площадь поперечного сечения, распределение по глубине (беспорядочное, упорядоченное); визуально определяется объемы льда включений в единице площади.

Выделенные криогенные текстуры различаются между собой не только по морфологическим признакам (качественно), но и по общему содержанию льда. Поэтому описанию криогенной текстуры должно сопровождаться обязательным определением количественного содержания льда – установлением льдистости за счет льда включений. Льдистость за счет льда включений устанавливается непосредственным измерением суммарной толщины включений льда, приходящихся на единицу разреза в пределах однотипных по криогенному строению слоев породы.

Таким образом, строение (структура и текстура) мерзлых обломочных и глинистых пород выражает их неоднородность и анизотропность, обусловленные распределением льда. Они формируются в процессе промерзания пород и замерзания в них воды:

а) имеющейся в любых породах, без притока новой; б) свободно движущейся (текущей); в) иммобилизованной и физически связанной в тонкодисперсных глинистых породах.