Криогенные процессы пучения

Содержание

1

Введение

Среди криогенных процессов развитых в области распространения многолетнемерзлых пород наиболее разнообразны процессы пучения, к ним относят: криогенную (морозную) пульсацию поверхностных отложений, вымораживание каменного материала, сезонное пучение пород и формирование многолетних бугров пучения. При этом формируются различные криогенные явления.

Действие сил морозного пучения грунтов ежегодно наносит народному хозяйству большой материальный ущерб, заключающийся в снижении сроков службы зданий и сооружений, в ухудшении условий эксплуатации и в больших денежных затратах на ежегодный ремонт поврежденных зданий и сооружений, на исправление деформированных конструкций

1

1. Причины криогенного пучения грунтов

Практически все грунты (кроме скальных) могут подвергаться морозному пучению, но в наибольшей степени этот недостаток присущ глинистым грунтам (суглинки, глины, супеси, мелкие и пылеватые пески), а также пескам, содержащим пылевато-глинистые частицы. Пески гравелистые, крупные и средние, не содержащие пылевато-глинистых частиц, считаются непучинистыми.

Пучение в дисперсных отложениях происходит за счет сегрегационного льдовыделения при миграции влаги в процессе сезонного промерзания сезонно-талого слоя СТС и сезонно-мерзлого слоя СМС и изменения их температурного режима в промерзающем состоянии. Образование шлиров льда приводит к раздвижению скелета грунта, его разуплотнению и увеличению объема мерзлой породы. Влажность породы, при которой возможно образование минимума сегрегационного льда, называется влажностью порога пучения. Влажность порога пучения зависит от водных свойств грунта и температурных условий его промерзания. Величина пучения пород увеличивается с возрастанием мощности  СТС или СМС. Поэтому наибольшие величины пучения при прочих равных условиях имеют место при среднегодовых температурах грунта (tср) равных 0°С; они уменьшаются с понижением (или повышением) tср пород (Кудрявцев, Гарагуля, Кондратьева и др., 1979). Процесс пучения усиливается при увеличении влажности пучинистых грунтов в результате атмосферных осадков (в частности, обильных осенних дождей), при капиллярном поднятии влаги и повышении уровня грунтовых вод.

И.А. Тютюнов (1963) рассматривает природу криогенного пучения в зависимости от физико-химических свойств отложений. Проведенные им эксперименты показали, что интенсивность пучения зависит от химического состава воды, содержащейся в промерзающем грунте. При насыщении грунта раствором, содержащим многовалентные катионы, отмечается усиление подтока влаги к промерзающему участку, что и вызывает его пучение. Насыщение этих же грунтов водой с одновалентными катионами ослабляет указанные процессы. Подобная зависимость обусловлена энергией, возникающей на поверхности частицы, на которой происходит адсорбирование воды. Большей энергией обладают поверхности, в образование которых принимают участи многовалентные ионы и сравнительно малой – если одновалентные. Кроме того, отмечено, что при замерзании раствора с одновалентными катионами растут крупные кристаллы льда, а при насыщении грунта многовалентными ионами зарождаются многочисленные кристаллики льда игольчатой формы. В последнем случае вновь образовавшиеся поверхности вызывают дополнительные подток влаги в грунт, тем самым, увеличивая его пучение.

2. Формы пучения, их региональная и зональная приуроченность

Среди криогенных процессов наиболее разнообразны процессы пучения, к ним относят: вымораживание каменного материала, сезонное пучение пород, формирование многолетних бугров пучения и др. (Кудрявцев, Гарагуля, Кондратьева и др., 1979; Романовский, 1993).

Криогенная пульсация отложений СТС и СМС — это ежегодно происходящий процесс в зоне распространения многолетнемерзлых пород (ММП). Он слагается из пучения отложений в период их промерзания и осадки при их оттаивании. При промерзании СТС пучение отложений происходит без подтока влаги извне, т. е. по варианту «закрытой» системы. Исключение составляют подножия склонов, где может осуществляться неравномерный подток вод СТС. Вследствие этого локально образуются однолетние миграционные и инъекционные бугры пучения. Такое явление приурочено к переходным и полупереходным типам СТС, т. е. тяготеет к южной окраине криолитозоны.

При сезонном промерзании отложений пучение может происходить также с притоком влаги, т. е. по варианту открытой системы. Наибольшее пучение может быть в случае близкого залегания зеркала грунтовых вод в днищах долин рек, на плоских заболоченных междуречьях равнин. Криогенное пучение проявляется главным образом в тонкодисперсных пылеватых отложениях. Для них характерны высокая водоудерживающая способность и сильное сегрегационное льдовыделение при промерзании и последующем охлаждении. Возрастанию криогенного пучения способствуют высокая влажность отложений, большая мощность СТС (СМС) и невысокий темп промерзания, что в большей степени свойственно для морских и умеренно континентальных типов.

Более высокую влажность в одних и тех же районах имеют отложения СТС по сравнению с СМС,  однако криогенное пучение СМС значительнее по сравнению с СТС за счет подтягивания влаги снизу, из талой зоны, особенно при близком залегании уровня грунтовых вод. Поэтому близи южной окраины мерзлой зоны, где при температурах грунта, близких к 0°С, криогенная пульсация отложений СМС достигает наибольших величин, измеряемых первыми сантиметрами. Сильная криогенная пульсация отложений СМС характерна для юга Западной и Восточной Сибири при умеренно континентальных до резко континентальных типов.

Влажность отложений СТС в целом возрастает к северу, а в северной Евразии и с востока на запад, т. е. от районов с континентальным к районам с морским типом климата. В этих же направлениях увеличиваются удельные (на единицу мощности СТС) величины пучения и осадки при оттаивании, но также уменьшаются и глубины СТС пород.

Миграционные многолетние бугры пучения приурочены к аккумулятивным равнинам, межгорным впадинам и долинам крупных рек. Многолетние миграционные бугры и площади пучения образуются в местах распространения с поверхности тонкодисперсных отложений мощностью не менее 3—4 м, подстилаемых водоносными песками. Они возникают на начальных этапах эпикриогенного промерзания талых дисперсных отложений, вследствие осушения термокарстовых озер со сквозными таликами под ними, промерзающими по типу открытой системы. Их образованию способствует накопление на поверхности торфа, заболачивание, приводящее к понижению температуры пород. Толчком к такому процессу часто служат похолодание за счет коротко- и среднепериодных колебаний климата. Под растущими миграционными буграми пучения мощность ММП изменяется от 2 до 40 м, и нижняя граница ММП постоянно испытывает колебания под воздействием изменений климата. Это вызывает периодические изменения высоты (пульсацию) миграционных бугров. Таким образом, возраст растущих миграционных бугров не превышает первых сотен лет. При возрастании мощности ММП (до 100—150 м и более) миграционные бугры переходят в реликтовое состояние. Поэтому в северной части южной и в пределах северной геокриологической зоны преобладают реликтовые формы миграционных бугров и площадей пучения, имеющих разнообразный возраст. Поверхность реликтовых миграционных бугров и площадей пучения осложнена обычно полигональным рельефом.

Многолетние инъекционные бугры пучения (пальса, булгуняхи, пинго) характерны для зоны сплошного распространения мерзлых пород и формируются при промерзании замкнутых несквозных таликов вследствие быстрого осушения (спуска) термокарстовых озер. Размеры и внутренне строение бугров зависят от мощности талика, его водных запасов и характера промерзания. Возникновение крупных бугров пучения с ледяным ядром обусловлено высокой скоростью промерзания обширных водонасыщенных таликов. При медленном промерзании происходит формирование сильнольдистых отложений и относительно равномерное пучение. Районами их распространения являются север Восточно-Европейской и Западно-Сибирской равнин, Северо-Сибирская низменность, приморские низменности Северо-Бостока России, Чукотки, севера Аляски и Канады. Возраст большинства булгунняхов позднеплейстоценовый.

Бугры пучения, возникшие в местах разгрузки подземных вод (гидролакколиты) – многолетние или сезонные бугры пучения, образующиеся под воздействием гидродинамического напора при замерзании подземных вод. В основном это инъекционные и инъекционно-сегрегационные бугры с ледяным и ледогрунтовым ядром. Их высота измеряется первыми десятками метров, диаметр основания – от десятков до сотен метров. Возникают в местах разгрузки подземных льдов и в обрамлении наледей, а также при промерзании закрытых систем несквозных таликов под осушенными термокарстовыми озерами

Процессы пучения могут проявляются и в субаквальных условиях.

Сценарий образования крупных сильнольдистых бугров на шельфовом дне в пределах нефтегазовых залежей предложен В.П. Мельниковым, К.М Федоровым и др. (1998). Необходимое условие для начала проявления процесса пучения – возникновение в перекрывающих залежь породах зоны трещиноватости. Трещинообразование может быть вызвано сейсмическими движениями как естественного, так и антропогенного характера. По образовавшимся трещинам газ из пласта под давлением проникнет в верхние придонные слои. Расширение газа вызовет промерзание водонасыщенных осадков, а его последующее накопление под мерзлыми непроницаемыми слоями – выдавливание их на поверхность. Рост бугра прекратится, когда мощность выдавленной породы компенсирует пластовое давление.

Ф.А. Каплянская и В.Д. Тарноградский описывают в отложениях нижнего плейстоцена (1974) пластические дислокации, возникновение которых связывают с промерзанием и пучением осадков мелководья. После образования сегрегационных бугров пучения, дальнейшее осадконакопление в водоеме происходило в основном во впадинах между буграми, куда также оплывал подтаявший грунт. По мере углубления водоема бугры таяли, и выпуклые формы в рельефе дна возникали на месте межбугровых понижений, накопление осадков за счет подводного оползания шло на месте вытаявших бугров.

Криогенное выпучивание каменного материала из дисперсных обложений — процесс, регионально связанный с территориями, где близко к поверхности залегают скальные породы, на которых развит мелкозернистый криогенный элювий и продукты его ближайшего переотложения, а также отложения, содержащие валуны, глыбы и щебень. Поэтому криогенное выпучивание наиболее активно проявляется в горных районах, на плоскогорьях и плато.

Криогенное выпучивание происходит как в СТС, так и в СМС. Однако при сезонном промерзании этот процесс протекает менее активно. В СТС активность процесса уменьшается при малых величинах (мощность 0,4—0,3 м и менее) в устойчивых и арктических типах (tср ниже —8...—10°С).

Проявляясь ежегодно в течение геологически длительного времени, этот процесс приводит к формированию каменных покровов (курумов), «сортированных полигонов» и других явлений, залегающих на слое мелкозема, практически лишенного крупнообломочного материала. Дальнейшее их развитие происходит довольно медленно. Активизация процесса связана с техногенным нарушением природных условий, приводящим к увеличению мощности СТС, изменению влажности СТС или его состава. Например, это часто происходит при вырубке и выгорании лесов или нарушении наземной растительности на каменистых склонах и у их подножий. Активность проявления выпучивание сопровождавшаяся трансформацией образованных форм, менялась при динамике климатических, ландшафтных и геокриологических условий. Потепления и увеличения среднегодовых температур грунта ведут к активизации выпучивания, захвату этим процессом горизонтов большей мощности. Но оттаивание мерзлых толщ и период сезонного оттаивания в сезонное промерзание приводят к ослаблению и затуханию процесса. Вместе с тем похолодания и уменьшение среднегодовых температур грунта также ослабляют проявления выпучивания, особенно в арктических районах.

Значительная часть форм, генетически связанных с выпучиванием камней, имеет полигональный характер. Образование полигональности является следствием длительного многостадийного сложного развития этих образований. Оно включает проявление на этапе их развития в экстремально суровой геокриологической обстановке позднего плейстоцена  процессов криогенного растрескивания и образования полигонально-жильных структур. В голоценовый оптимум в широкой зоне возросли среднегодовые температуры грунта, что привело к оттаиванию жильных льдов и образованию политональной сети понижений на поверхности крупнообломочных покровов. В свою очередь это обусловило активизацию выпучивания камней и их криогенной сортировки, которая приобрела дифференцированный характер. В результате возникли «сортированные полигоны», бугристо-западинный рельеф каменных покровов, полигональные фации курумов  и другие формы.