Формирование микростроения рыхлых отложений в криолитозоне

Формирование микростроения рыхлых отложений в криолитозоне сопровождается развитием сложных и многообразных теплофизических, физико-химических и физико-механических процессов. Среди них определяющими являются миграция влаги, ее фазовые изменения, процессы обезвоживания–набухания, усадки–распучивания, агрегации и коагуляции, осаждения коллоидов и растворенных солей.

Талая зона: основным структурообразующим процессом является миграция влаги к фронту промерзания. Экспериментальные исследования показывают влияние потока мигрирующей влаги на ориентацию частиц скелета, наиболее активно это проявляется в грунтах с пластинчатой формой частиц (например, слюда или каолинит). Помимо ориентации частиц происходит усадка объема грунта, при этом наиболее дисперсные частицы осаждаются на крупных, которые в свою очередь сближаются, образуя агрегаты уплощенной формы, ориентированные вдоль потока влаги. В зависимости от состава отложений усадка может привести к образованию трещин, которые сразу же заполняются влагой. По стенкам трещин может происходить дальнейшее осаждение глинистых частиц, трещины армируются и превращаются в своеобразные “каналы”, по которым влага идет в промерзающую зону. При последующем промерзании эти “каналы” могут быть зачатками вертикальных шлиров льда.

Промерзающая зона: основным структурообразующим процессом является льдообразование, и прежде всего, цементного типа. Образование льда-цемента – нового элемента микростроения качественно меняет свойства грунта. Лед-цемент начинает заполнять пространство между частицами скелета, причем степень заполнения зависит от степени увлажненности. Дальнейший рост включений льда изменяет структуру скелета: расширяет пространство пор, раздвигая частицы и агрегаты скелета, одновременно их уплотняя. Постепенно объем льда растет, лед-цемент перерастает во включения, которые приобретают видимый размер и формируют криогенную текстуру породы.

Мерзлая зона: характеризуется небольшими изменениями строения и определяется миграцией и кристаллизацией еще не замерзшей воды, доработкой криотекстуры, выпадением из порового раствора растворенных веществ и цементацией ими частиц и агрегатов скелета.

Исследования показывают, что формирование микростроения мерзлых грунтов есть результат сложных и разнообразных процессов преобразования состава и строения рыхлых отложений в зоне криолитогенеза. Вследствие этого микростроение мерзлых грунтов отличается большим многообразием, отражающимся в характере элементов микростроения, их размере и морфологии, особенностях связей между ними, а также их количественным и пространственным соотношением.

Влияние криогенеза на формирование микростроения наиболее ярко проявляется в синкриогенных отложениях, для которых характерно совпадение геологического и криогенного возраста. Преобразование осадка начинается в деятельном слое при цикличном промерзании – протаивании. Переход отложений в мерзлое состояние на подошве слоя сезонного оттаивания происходит, как правило, в условиях избыточного увлажнения, что обеспечивает их высокую льдистость. Именно в этом слое формируется специфическое строение синкриогенных толщ, которое отражает фациальные условия и геокриологическую историю преобразования пород. В тонкодисперсных отложениях микростроение фиксирует структурные связи между частицами и агрегатами скелета и включениями льда [ Микростроение.., 1988; Рогов, 2009 ], что определяет важнейшие инженерно-геологические свойства грунтов: пористость, проницаемость, размокаемость и др.

Наиболее характерным примером синкриогенных отложений является ледовый комплекс, широко распространенный на приморских низменностях северо-востока России. Микростроение отложений ледового комплекса, как высокольдистых, так и малольдистых фаций, характеризуется присутствием в разрезе кольцевых структур, обусловленных дифференциацией минеральных частиц по ориентировке [ Конищев, Рогов, 1985 ]. Наблюдаются следующие основные типы:

1) простые образования сложены минеральными зернами, радиально ориентированными, удаленными друг от друга или с точечными контактами: скол-скол, базис-скол; трещиноватость зерен кварца, отмечена, прежде всего, у обломков, обращенных к ледяным шлирам (рис. 5.2 a, б);

2) сложные образования представлены агрегатами, сложенными минеральными зернами, более мелкими агрегатами и растительными остатками; ориентировка зерен меняется от радиальной на периферии до концентрической в центре агрегата; глинистые частицы образуют рубашки на поверхности обломков и заполняют поровое пространство; между зернами с контактами базис-скол выражены клиновидные поры; отмечена цементация агрегатов железисто-кремниевыми и карбонатными соединениями (рис. 5.2 в, г);

3) частично разрушенные образования с глинистым ядром и концентрическими трещинами, согласными строению агрегатов; на периферии агрегатов обломки частично утратили старую ориентировку, т.е. захвачены новой дифференциацией (рис. 5.2 д).

Кольцевые структуры являются объемными, поскольку наблюдаются в вертикальном и горизонтальном сечениях; образуют одиночные кольца или сопряженные группы внутри более крупных агрегатов (рис. 5.2 е).

 

 

Рис. 5.2. Формирование кольцевой структуры отложений,

отложения ледового комплекса Колымской низменности.

 

Строение кольцевой микротекстуры отложений обусловлено развитием простых радиальных форм до концентрических сложных агрегатов. Преобразование структурных связей в синкриогенных отложениях происходит от объемных агрегационных контактов к точечным и затем к наиболее прочным связям: площадным коагуляционным и цементационным, вплоть до образования аутигенных минералов (рис. 5.3).

 

Рис. 5.3. Формирование кольцевой микротекстуры отложений при

циклическом промерзании–протаивании:

I – объемная агрегация обломков; II – точечные контакты обломков;

III – площадные коагуляционные связи; IV – цементация агрегата.

 

Дифференциация обломков и глинистых частиц определяется интенсивностью, длительностью цикличного промерзания и фациальной обстановкой. Максимальная структурированность отложений отмечена в пойменной фации ледового комплекса с высоким содержанием алевритов и растительных остатков.

Структурные связи обеспечивают сохранность кольцевых образований и после протаивания. Кольцевая дифференциация обломков и глинистые конкреции присутствуют в аласных отложениях, в современных, погребенных почвах и склоновых отложениях палеокриогенной области (рис. 4).

 

 

Рис. 5.4. Кольцевые образования в палеокриогенных отложениях,

Предбайкальский прогиб (Мальта).