книги из ГПНТБ / Общее мерзлотоведение

Таким образом, уравнение теплопроводности в области фазо­ вых превращений приобретает вид

где аЭф— эффективный коэффициент температуропроводности промерзающих и протаивающих пород. Коэффициент

Величина аЭф в области значительных фазовых переходов сначала резко убывает с понижением температуры, а затем посте­ пенно увеличивается, стремясь в пределе к значению ат.

Введение эффективных теплофизических характеристик зна*- чительно упрощает вид уравнения теплопроводности, но не об­ легчает его решение. Поэтому до сих пор не разработаны методы расчета, включающие эффективные теплофизические характерис­ тики.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА*

Удельное электрическое сопротивление [22, 23]. Относитель­ ная дифференциация горных пород по удельному электрическому сопротивлению после промерзания сохраняется, а среди осадоч­ ных, особенно рыхлых, возрастает. Это исключительно важное положение открывает широкие возможности для исследования мерзлых горных пород методами электрометрии.

Проводимость мерзлых и талых горных пород имеет одина­ ковую природу и зависит от одних и тех же факторов: количества и формы проводящих включений в минеральном скелете, пори­ стости, удельной поверхности, структуры порового пространства, количества и минерализации насыщающей влаги и т. и. Промер­ зающие и мерзлые горные породы отличаются тем ,что фазовые переходы воды изменяют в них не только количество жидкой воды и концентрацию растворенного в ней вещества, но одновре­ менно и структуру порового пространства породы, а в случае рыхлых отложений — часто и общую влажность и удельную по­ верхность соответственно уменьшению доли минеральных частиц в объеме породы и коагуляции некоторой их части.

Для горных пород-диэлектриков* * основными носителями тока являются ионы порового раствора и адсорбированные — ионы

*Раздел написан А. Т. Акимовым и В. С. Якуповым.

**Породы, у которых удельное сопротивление определяется включениями

минералов с высокой проводимостью и поэтому одинаково при отрицатель­ ных и положительных температурах, не рассматриваются.

186

внешней обкладки двойного электрического слоя на границе по­ рода — раствор. Относительная роль этих групп ионов опреде­ ляется нх численным соотношением, которое зависит от минерали­ зации порового раствора, удельной поверхности и ее заряда. При замерзании горной породы роль адсорбированных ионов возрастает вследствие сохранения основной среды их движения (прочносвязанпая вода не замерзает), в то время хшк равномерное распределение ионов порового раствора в объеме породы наруша­ ется в результате захвата части ионов порового раствора льдом (изоморфное замещение и образование пленок жидкого раствора в толще льда).

Главной причиной различия удельного сопротивления талых и мерзлых горных пород является увеличение извилистости их поровых каналов при промерзании, т. е. удлинение токопроводящих путей породы, вызванное образованием включений льда.

В скальных породах объем и форма включений образующегося при промерзании льда жестко ограничена поровым пространст­ вом породы. Вследствие этого ограничено и увеличение удельного электрического сопротивления промерзающих скальных пород: оно возрастает в среднем не более чем в 10 раз и по абсолютной величине относительно редко превосходит 10 000 Ом-м. Величина скачка тем больше, чем больше доля и абсолютное количество свободной воды, т. е. чем больше процент относительно крупных пор и грубокластичнее порода. Удельное сопротивление микро­ пористых пород, например некоторых разностей алевритов, гли­ нистых сланцев, эффузивов, возможно, некоторых интрузивных пород, монолитных кварцевых жил и т. д., практически одинаково при положительных и отрицательных температурах.

Т а б л и ц а 33

Удельное электрическое сопротивление мерзлых скальных пород (оценки параметров распределения)

187

Т а б л и ц а 34

Удельное электрическое сопротивление мерзлых рыхлых отложений (оцен­ ки параметров распределения)

Распределение удельного сопротивления мерзлых скальных пород хорошо описывается логнормальным законом. Оценки па­ раметров распределения удельного электрического сопротивле­ ния некоторых типов мерзлых пород приведены в табл. 33.

Промерзание рыхлых отложений обычно сопровождается значительными изменениями их физических свойств. В рыхлых от­ ложениях лед, раздвигая частицы и целые агрегаты и блоки по­ роды, способен во много раз увеличить ее влажность, совершенно преобразовать структуру порового пространства и соответственно с уменьшением доли минеральных частиц уменьшить и величину удельной поверхности породы. В зависимости от литологического состава и степени преобразования породы в ходе промерзания (типа и степени развития криогенной текстуры и криогенного сложения) меняется и ее удельное сопротивление (табл. 34).

188

Промерзание тонкоднсперсных рыхлых отложений с образо­ ванием массивной криотекстуры увеличивает их удельное сопро­ тивление примерно в 10 раз, до величины 1000 Ом-м; при образо­ вании такситовой (шлпровой) криотекстуры — приблизительно в 100 раз,до 20000 Ом-м и более; при формировании эпигенетичес­ ких повторно-жильных льдов—примерно в 400 раз, до 140 0000м • м; при образовании сингенетических повторно-жильных льдов — примерно в 2000 раз, до 1,5 млн. Ом-м. Удельное сопротивление высокодисперсных рыхлых отложений, содержащих практически только прочносвязанную воду, одинаково при положительных и отрицательных температурах.

В л и я н и е в л а ж н о с т и н а у д е л ь н о е с о п р о ­ т и в л е н и е м е р з л ы х г о р н ы х п о р о д . Поведение удельного сопротивления мерзлых рыхлых отложений как функ­ ции влажности зависит от их гранулометрического состава, по­ скольку тип криотекстуры при прочих равных услових опреде­ ляется совместным влиянием влажности и гранулометрического состава. Нарушение сплошности в обломочных и крупнозернистых отложениях происходит уже при небольшой влажности на стадии образования льда-цемента на контактах отдельных частиц. В результате, несмотря на сравнительно высокую электропровод­ ность отдельно взятых мерзлых частиц породы, общее ее сопротив­ ление резко увеличивается. Увеличение исходной влажности ма­ ло меняет удельное сопротивление грубодисперсных отложений, поскольку характер контактов соседних частиц сохраняется.

В тонкодисперсных отложениях с влажностью до определен­ ного и относительно высокого предела и в скальных породах об­ разуется лед-цемент в достаточно крупш х и обычно изолирован­ ных порах. На этой стадии с ростом влажности удельное сопро­ тивление плавно возрастает, но ненамного. При влажности, от­ вечающей началу возникновения такситовых криогенных тек­ стур, удельное сопротивление тонкодисперсных отложений резко увеличивается и далее снова медленно возрастает. Амплитуда скачка достигает десятков тысяч Ом-м, а при одновременном об­ разовании повторно-жильных льдов на порядок больше.

У д е л ь н о е с о п р о т и в л е н и е м е р з л ы х п о р о д к а к ф у н к ц и и л и т о л о г и ч е с к о г о с о с т а в а . Помимо влияния состава, на величину удельного сопротивления мерзлых горных пород налагается влияние влажности, которое для тонкодисперсных рыхлых отложений с момента образования такситовой криотекстуры становится решающим: верхние пределы сопротивления грубообломочных и наиболее льдистых тонкодис­ персных отложений относятся к одному порядку. Ниже рассмат­ риваются только породы с массивной криотекстурой.

Удельное сопротивление мерзлых скальных пород зависит от пористости и удельной поверхности, определяющих отношение количества свободной воды к количеству прочносвязанной воды. Поэтому удельное сопротивление может быть относительно ве­

189

лико и в породах с малой пористостью и удельной поверхностью (некоторые гранптоиды, метаморфические породы, кварцевые жилы и др.), 11 в породах с большой пористостью и большим про­ центом крупных нор, поскольку увеличение удельного сопро­ тивления при промерзании значительно (песчаники).

Удельное сопротивление рыхлых отложений с массивной крио­ текстурой как функция размера частиц сначала медленно возра­ стает, затем увеличивается скачком па несколько десятков тысяч Ом-м и далее снова медленно возрастает. Скачок удельного сопротивления соответствует изменению значения льда в породе от отдельных включений до вмещающей среды. Рыхлые отложения меньшего удельного сопротивления являются нучшшстыми.

сопротивление промерзающих горных пород с малой концентра­ цией норового раствора возрастает скачком при кристаллизации свободной воды, т. е. в момент формирования криогенной текстуры, и при дальнейшем понижении температуры, лишь несколько уве­ личивающем размеры ранее возникших включений льда, практи­ чески не меняется (если оно в момент скачка увеличивается в 3 раза и более). По результатам исследований методом ВЭЗ мерзлые литологически однородные горные породы самого разнообразного состава при незначительной минерализации поровой воды (неза­ висимо от распределения температуры в них) представляют со­ бой практически однородный электрический горизонт, нижняя

видимому, непрерывно, возрастая в конечном счете не более чем в 2—3 раза. Если почти вся вода в породе бывает прочносвязанной, то удельное сопротивление такой породы одинаково при положи­ тельной и отрицательной температуре.

По лабораторным исследованиям на образцах удельное электри­

носительно быстро, т. е. без учета переохлаждения и длительности процесса замерзания воды и без сохранения подобия между мо­ делью и натурой.

раствора понижает температуру замерзания породы и ее удельное сопротивление, которое, вероятно, становится функцией темпе­ ратуры. Как и в случае насыщения пресной водой, изменение удельного сопротивления промерзающей горной породы с- минера­ лизованной поровой водой определяется изменением извилистости

190

поровых каналов породы. Влияние минерализации поровой воды значительнее для более грубодисперсных и влажных пород. При достаточно высоких концентрациях оно чрезвычайно велико и со­ вершенно меняет картину распределения удельного сопротивления.

ЛИ Т Е Р А Т У Р А

1.Основы геокреологии (мерзлото ведения), т. II. Ипженерная геокрио­ логия. М., Изд-во АН СССР, 1959.

2.Строительные нормы п правила. Основания и фундаменты зданий и со­ оружений на вечномерзлых грунтах. Нормы проектирования, СНиП,

П-Б, 6-66. М., Стройиздат, 1967.

3.Ц ы т о в и ч Н. А. Принципы механики мерзлых грунтов. М., Изд-во АН СССР, 1952.

6.Мероприятия против деформаций зданий и сооружений от действия сил морозного выпучивания фундаментов. М., Стройиздат, 1971.

7.Строительные нормы и правила. Основания зданий и сооружений.

и сжимаемости мерзлых грунтов. М., «Наука», 1966.

12.Б р о д с к а я А. Г. Сжимаемость мерзлых грунтов. М., Изд-во АН

СССР, 1962.

13.П е к а р с к а я Н. К. Прочность мерзлых грунтов при сдвиге и ее за­ висимость от текстуры. М., Изд-во АН СССР, 1969.

15.Д а л м а т о в Б. И. Воздействие морозного пучения грунтов на фун­ даменты сооружений. М.—Л., Госстройиздат, 1957.

16.Материалы по лабораторным исследованиям мерзлых грунтов, сб. 1,

1953; сб. 2, 1954; сб. 3, 1957. М., Изд-во АН СССР.

17. Б е й н б е р г Б. В. Лед. М,—Л., Гостехтеориздат, 1940.

18.К е р с т е н М. С. Тепловые свойства грунта.— В кн.: Мерзлотные явления в грунтах. М., ИЛ, 1955.

19.И в а н о в Н. С. Тепло- и массоперенос в мерзлых горных породах.

22.Я к у п о в В. С. Электропроводность и геоэлектрический разрез мерзлых толщ.—«Тр. СВКНИИ», вып. 20. М., «Наука», 1968.

23.А к и м о в А. Т. Закономерности пространственного изменения неко­ торых физических параметров многолетнемерзлых горных пород тер­ ритории Болыпеземельской тундры.— В кн.: Физико-химические про­ цессы в промерзающих и мерзлых горных породах. М., Изд-во АН СССР,

1961.

Г л а в а I X

ПОДЗЕМНЫЕ И ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОДЫ ТЕРРИТОРИИ

РАСПРОСТРАНЕНИЯ МЕРЗЛОЙ ЗОНЫ

ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ

Типы подземных вод. По отношению к мерзлым породам под­ земные воды (жидкая фаза) можно подразделить на три типа [1]:

1.Надмерзлотные воды, залегающие над мерзлыми породами, на их поверхности. Для них в большинстве случаев мерзлые по­ роды служат водоупорным основанием.

2.Межмерзлотные воды, находящиеся между мерзлыми поро­

дами.

3. Подмерзлотные воды, залегающие ниже мерзлых по­ род. Для верхнего горизонта этих вод мерзлые породы являются водоупорной кровлей.

Все три типа подземных вод в той или иной мере связаны друг с другом, а также с поверхностными водами ,и атмосферой.

Существуют и более детальные классификации подземных вод мерзлой зоны [2, 3, 4, 5], однако указанные основные три типа подземных вод сохраняются (табл. 35).

Надмерзлотные воды. Они обычно приурочены к отрицатель­ ным формам рельефа и к широким плоским водоразделам. Реже их местонахождением являются склоны (пологие чаще, чем кру­ тые, северные чаще, чем южные). В большинстве случаев над­ мерзлотные воды залегают в четвертичных отложениях. По усло­ виям залегания и режиму они разделяются на три подтипа:

1)сезоннопромерзающие, находящиеся в пределах деятель­ ного слоя;

2)сезоннополупромерзающие, верхняя часть которых на­ ходится в пределах деятельного слоя;

3)сезоннонепромерзающие, поверхность которых залегает ниже деятельного слоя. Возможны и более сложные случаи (рис. 65).

в пределах деятельного слоя обусловливают характерную особен­ ность вод 1-го подтипа — сезонное существование в жидкой фазе. В Арктике длительность существования надмерзлотного водонос­ ного горизонта определяется двумя-тремя летне-осенними месяцами.

192

еЗ»

О к о н ч а н и е т а б л. 35

194

глубина оттаивания не превышает 1—1,5 м, южнее она достигает 4 м и более. Там, где надмерзлотные воды’двигаются со значитель­ ной скоростью и, значит, несут достаточное количество тепла, мерзлые породы протаивают более глубоко.

Питание надмерзлотных вод происходит за счет атмосферных осадков, поверхностных потоков и реже за счет более глубоких водоносных горизонтов. Существенное значение в питании над­ мерзлотных вод, по-видимому, имеет конденсация водяных паров на мерзлой поверхности горных пород, особенно если они пред­ ставлены грубым обломочным материалом. В этом случае, по дан­ ным И. Т. Рейнюка, величина конденсации достигает 80 мм, но возможно, и превышает это значение. Роль фактора конденсации в питании до конца не выяснена. В горных районах большое зна­ чение в восполнении ресурсов надмерзлотных вод приобретают гольцовые льды, появляющиеся в каменистых россыпях при про­ мерзании влаги осенних дождей и весенних талых вод, проникаю­ щих на глубину мерзлой россыпи. Некоторое значение в питании может иметь и оттаивание подземных льдов иного генезиса.

Соответственно летом, особенно в период дождей, наблюдается увеличение водоносности надмерзлотного горизонта. По оконча­ нии периода дождей уровень воды в нем понижается, а местами водоносный горизонт осушается полностью. Осенние дожди при­ водят вновь к повышению уровня вод.

В пределах гольцов и каменистых россыпей вследствие конден­ сации и гольцового льдообразования воды деятельного слоя не истощаются в течение всего лета. Сочетание благоприятных усло­ вий питания с сильно расчлененным рельефом, способствующим накоплению этих вод в распадках и верховьях речных долин, приводит к образованию источников со значительными дебитами,