1) Кристаллизационная и химически связанная; 2) в форме пара; 3) связанная; 4) свободная; 5) в твердом состоянии.

При отрицательных температурах в горных породах может ос­таваться незамерзшей вода: 1) связанная, 2) капиллярная, 3) свобод­ная в зависимости от степени ее минерализации. Капиллярная вода обычно замерзает при температуре от 0_до -0,2 °С. Осмотическая (рыхлосвязанная) вода замерзает в зависимости от минерального состава породы при температуре от -1,5 до -10° С. Прочносвязанная вода замерзает при температуре от -10 до -70 °С в зависимости от дисперсности и минерального состава пород. При -193,8 °С вся . в дисперсных породах находится в твердой фазе.

Свободная вода представляет собой природные растворы различной степени концентрации. Чем концентрированнее раствор им при более низкой температуре он замерзает. В зависимости от дисперсности мерзлых пород выделяются следующие границы областей фазовых переходов воды:

— в супесях при температуре от 0 до -3 °С замерзает вся свободная вода и часть осмотической (рыхлосвязанной) воды (первая область); при температуре от -3 до -10 °С замерзает вся рыхлосвязанная вода (вторая область); третья область соответствует содержанию в дисперсной мерзлой породе только прочносвязанной воды;

В песчаных породах первая область ограничивается темпера турой от 0 до -0,2 °С;

— в тяжелых суглинках и глинах эта область расположена в интервале от 0 до -7 °С и ниже.

3. Процессы в замерзающих, мерзлых и оттаивающих породах физические явления и процессы в замерзающих и мерзлых породах

Замерзание горных пород при определенных внешних и внут­ренних причинах сопровождается сложными и разнообразными фи­з., физ-хим и механ процессами и яв­лениями. дисперсные породы становятся тем прочнее, чем больше воды замерзает в порах. связано с тем, что сущест­вующее в талых породах сцепление между частицами скелета за счет водных пленок и поверхностного натяжения воды заменяется в мерз­лых породах более жестким молекулярным взаимодействием между минеральным скелетом и кристалликами льда. Дис­персность, гидратационная способность минеральных частиц, а также наличие и количество незамерзшей воды оказывают самое непосредственное влияние на прочностные свойства мерзлой породы.

при замерзании дисперсных пород обычно происходит увеличение их объема примерно на 9 % за счет расширения содержащейся воды при переходе ее в лед. При этом может происходить миграция воды к фронту промерзания из нижележащих слоев с последующей ее кристаллизацией на границе талых и мерзлых пород — к замерзающему слою дисперсных грунтов (фронту промерзания) подтягивается из окружающих пород вода в парообразном и жидком состояниях. В связи с тем, что на границе мерзлых и талых пород замерзает не только ме­стная влага, но и мигрирующие потоки воды, влажность мерзлых пород может быть больше полной их влагоемкости в талом состоя­нии. Установлено, что количество льда в породе зависит от того, в как их условиях она замерзала:

— закрытая система — без миграции влаги извне к фронту промерзания (трещиноватая зона, является водоупором);

— открытая система — с миграцией влаги извне к фронту промерзания (деградация ММП, ↓ их объема, когда идет оттаивание)

Миграция парообразной влаги в дисперсных породах обычно обусловлена неравновесным термодинамическим состоянием систе­мы «влага—порода», связанным с градиентами температур, давле­ния, влажности и др. Парообразная влага при температурном гради­енте движется от мест с большей упругостью пара к местам с мень­шей упругостью. Упругость пара прямо пропорциональна величине температуры, поэтому парообразная влага мигрирует от более на­гретых пород к холодным. При этом в мерзлых породах (фронт про­мерзания) пар переходит как в жидкую воду, так и непосредственно в лед, т. е. процессы десублимации и конденсации, сублимации и испарения явл. ведущими в механизме переноса влаги в дис­персных грунтах.

Однако миграция жидкой воды в мерзлых породах играет более сущ. роль в накоплении льда, чем миграция парообразной влаги. Современные теоретические и экспериментальные разработки учитывают различные группы факторов, способствующие миграции воды к фронту промерзания с последующей ее кристаллизацией. При замерзании воды в породе происходит выделение и отвод тепла кристаллизации (q), что поддерживает определенный градиент тем­пературы между замерзающим и нижележащим талым слоем. Но при очень низких отрицательных температурах на земной поверхно­сти в верхних слоях почвогрунтов формируются весьма значительные температурные градиенты. Происходит быстрое промерзание породы, и вода из нижележащего талого горизонта не успевает миг­рировать к фронту промерзания. Замерзший верхний слой дисперс­ных пород приобретет массивную криогенную текстуру, так как лед-цемент образуется из залегающих на месте поровых раствором. В этом случае происходит нормальное льдовыделение, а тепла кристаллизации (q) выделяется относительно мало.

Небольшие температурные градиенты в промерзающих грунтах формируются при сравнительно небольших отрицательных температурах на земной поверхности. Промерзание верхних слоев дисперсных пород в этом случае будет происходить медленно, и вода мигрирует практически постоянно к фронту промерзания снизу. В результате возникают условия для избыточного льдовыделения образования слоистой криогенной текстуры, когда в породе формируется сегрегационный лед в виде слоев и линз различной мощности. Избыточное льдовыделение сопровождается образованием сравнительно большого количества тепла кристаллизации (q).

Формирование слоистой криогенной текстуры пород будет происходить при условии, если поток тепла от фронта промерзании м мерзлом слое (Q1) будет равен сумме потока тепла к фронту промерзания из талого слоя (Q₂) и тепла кристаллизации (q\ то есть Q1= Q2+q

В этом случае разность потоков тепла Q₁ и Q₂ будет полностью компенсироваться теплом фазовых переходов (q), фронт промерзания будет находиться на месте, а мигрирующая к нему вода замерза­ет с образованием прослоев сегрегационного льда. На границе мерз­лого и талого слоев будет формироваться так называемая «нулевая завеса», когда температура пород держится около 0 °С.

При более низкой температуре на земной поверхности от фрон­та промерзания уходит больше тепла (Q1), чем суммарно его прихо­дит снизу (Q₂) и выделяется при кристаллизации воды (q): Q1 > Q2 + q

В этом случае фронт промерзания сравнительно быстро перемещается в глубь массива, так как температура мерзлого слоя посте­пенно понижается и мощность его возрастает. Значительные про­слои и линзы льда не формируются, так как вода замерзает на месте и не успевает мигрировать к фронту промерзания. Кроме того, коли­чество воды в талых породах может быть настолько мало, что оно быстро иссякает в ходе миграции.

С увеличением глубины залегания фронта промерзания темпе­ратурный градиент на его границе уменьшается, а процесс послой­ного промерзания дисперсной породы постепенно прекращается до его полной стабилизации, т. е. рассмотренные выше варианты продвижения или стабилизации границы между мерзлыми и талыми Породами будут последовательно сменять друг друга. Фиксирова­нию фронта промерзания на одном месте в значительной степени способствует увеличение влажности породы с глубиной, т. е. рост градиента влажности. Если же к фронту промерзания приходит больше тепла, чем уходит (Q1 < Q₂), мерзлый слой начинает оттаивать снизу. В предельном случае, когда Q1 = Q₂, фронт промерзания будет находиться на месте, льдовыделения на этой границе не будет и дальнейшее промерзание породы прекратится.