Физические свойства и строение мерзлотно-геофизических разрезов

Для районов распространения многолетнемерзлых пород и льдов характерны особые типы мерзлотно-геофизических разрезов, которые обусловлены прежде всего физическими свойствами горных пород при отрицательных температурах. Например, плотность горных пород с увеличением льдистости уменьшается, так как лед имеет малую плотность (0,9-0,95 г/см³). Магнитная проницаемость и восприимчивость при промерзании пород не изменяются. Вместе с тем магнитная восприимчивость подземных льдов в десятки и сотни раз меньше, чем вмещающих пород. Удельное электрическое сопротивление льдов из пресных вод очень высокое (10⁵ - 10⁸ Ом*м), а льдов из минерализованных вод ниже (10² - 10⁴ Ом*м) и зависит от содержания в них солей и их состава. Поэтому при промерзании горных пород их сопротивление возрастает обычно скачком (при температурах от -0,5 до -5 С), а иногда плавно (при температурах от -2 до -10 С). В зависимости от литологии, пористости, обводненности, особенностей термического режима, льдистости и криогенного строения сопротивление скальных пород при замерзании увеличивается не более чем в 10 раз, тонкодисперсных рыхлых пород (глины, суглинки) в 10-100 раз, грубодисперсных пород (пески, гравийно-галечниковые отложения) в 100-1000 раз.

Электрохимическая активность () мерзлых и талых пород может значительно различаться вследствие наличия и движения надмерзлотных и межмерзлотных вод. Вызванная поляризация () у мерзлых пород выше, чем у талых, и достигает 2-3% для мелкодисперсных пород, 10% - для льда и 15 % - для грубодисперсных пород.

Так как относительная диэлектрическая проницаемость воды = 80, т.е. на порядок выше, чем для большинства породообразующих минералов, а для льда 3, то при замерзании пород убывает с уменьшением содержания незамерзшей воды. Скорость распространения упругих волн V при переходе пород в мерзлое состояние возрастает. Для льда скорость продольных волн больше ( 3500-4000 м/с), чем для воды ( 1450 м/с). При промерзании грубодисперсных пород значения возрастают резко, в 3-5 раз. Увеличение тонкодисперсных пород происходит более плавно с общим увеличением в 1,5-3 раза. При промерзании скальных пород значения возрастают обычно не более чем в 2 раза для трещиноватых пород, а для массивных пород скорость может не изменяться. Аналогичные закономерности отмечаются для скорости поперечных волн . Характерно, что для любых мерзлых пород отношение примерно постоянно и составляет 0,4-0,6.

Мерзлотно-геофизические разрезы характеризуются следующими основными особенностями:

• непостоянством физических свойств в плане и по глубине даже для одних и тех же литологических комплексов горных пород, если в них изменяются температура, льдистость, криогенное строение;
• резким (например, для на несколько порядков) изменением физических свойств горных пород в слое годовых колебаний температур, мощность которого 0,3-3 м, что приводит к различиям " зимних " и " летних " свойств горных пород;
• скачкообразным, а иногда плавным (градиентным) увеличением и в зоне годовых теплообменов мощностью 10-30 м;
• наличием в средней части многолетнемерзлых отложений зоны (мощностью от 0,1 до 0,3 от общей мощности многолетнемерзлых пород) с высокими электрическими сопротивлениями и скоростями упругих волн;
• скачкообразным или плавным изменением физических свойств в нижней части многолетнемерзлых пород, т.е. на границе мерзлых и талых пород.