Лекция 5. Структурообразование в промерзающих и протаивающих породах
Широкий спектр физико-химических и физико-механических процессов, сопровождающих промерзание и протаивание дисперсных пород, вызывает значительные структурные преобразования 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 - 600С) и отсутствии миграции влаги одновременное зарождение центров кристаллизации и рост кристаллов льда обусловливают преобладающее проявление процесса дезинтеграции частиц и агрегатов. Разрушаются крупнозернистые частицы и агрегаты минерального скелета (песчаной и крупнопылеватой фракции) как более неоднородные и имеющие большое число дефектов, чем структурные элементы меньшего размера (рис. 1, а). При повышении температуры замораживания (выше -300С) процесс укрупнения агрегатов преобладает над процессом их разрушения. Так, для полиминерального суглинка после промерзания при температуре -300С, так же как и при -600С, характерно увеличение содержания крупнопылеватых и песчаных агрегатов, но за счет агрегации более мелких структурных элементов (рис. 1, б). 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.
Рис. 1. Изменение дисперсности глинистых пород:
а – исходное состояние; б – после промерзания
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 вызывает резкое возрастание прочности породы в целом. В талой обезвоживающей зоне промерзающих пород при этом происходят дегидратация структурных элементов, а также 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 вызывают распучивание минерального скелета и дифференциацию грунтовой 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 и переориентация грунтовых блоков и агрегатов в результате деформаций распучивания, но внутри этих агрегатов ориентация элементарных (первичных) частиц обычно сохраняется. Вследствие роста ледяных включений 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 промерзании обусловлены составом и первоначальным строением. Минеральный состав 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 условия глубокого обезвоживания в глинистых породах, содержащих Na-ион, отмечается преобладающее проявление процессов коагуляции и агрегирования структурных элементов. Промерзание глин, содержащих многовалентные катионы (Ca2+ и Mg2+), 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. 2). Криогенное микростроение глинистых пород (супесей, суглинков, глин) характеризуется наличием микротекстур, подобных макротекстурам мерзлых пород (массивные, слоистые, сетчатые, ячеистые). С увеличением дисперсности происходит увеличение как мощности микропрослоев льда, так и частоты их взаиморасположения.
Рис. 2. Основные типы льда-цемента в мерзлых породах:
а – базальный; б – поровый; в – пленочный; г – контактный;
1 – грунтовые частицы, агрегаты; 2 – лед-цемент; 3 – свободные ото льда и воды поры
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 ионного обмена, которые в зависимости от состава солей приводят либо к агрегации, либо к диспергации минерального скелета.
Формирование криогенного микростроения также определяется условиями промерзания (скоростью промерзания, градиентами температуры, наличием или отсутствием подтока влаги). При медленном промерзании у агрегатов наблюдается более однородное микростроение.
При оттаивании также идет преобразование структуры мерзлых пород. В большинстве случаев, 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.