|
DOI: 10.7256/2453-8922.2022.2.38229
EDN: EJTVLL
Дата направления статьи в редакцию:
08-06-2022
Дата публикации:
25-07-2022
Аннотация:
Объектом исследования являются процессы метаморфизма мёрзлых пород, включая структурную перестройку, а также пластические и хрупкие деформации подземных льдов. В геокриологии многими специалистами отмечается важность рассмотрения процессов деформирования мёрзлых пород. При этом сами деформированные породы не выделяются в отдельную категорию, что затрудняет изучение развития криогенных геосистем после их формирования. Основным методом, используемым в данной статье, является анализ результатов предыдущих исследований различных авторов по рассматриваемой теме. Теоретической основой предлагаемого подхода являются положения, разработанные в рамках механики мерзлых грунтов и структурного ледоведения. Синтез анализируемых материалов осуществлялся на базе геосистемного подхода. В предлагаемой работе впервые был проведён сравнительный анализ деформаций строения различного рода криогенных образований. Актуальность рассматриваемой темы обусловлена необходимостью изучения закономерностей деформирования мёрзлых пород в естественных условиях. В теоретическом отношении, это важно для более глубокого понимания процессов происходящих в криолитозоне. Для практических целей, работы в данном направлении позволят более точно оценивать возможность развития опасных инженерно-геологических процессов при техногенных воздействиях на мёрзлые породы. Изменения строения мёрзлых пород продолжается и после формирования первичной структуры. Деформации, то есть нарушения первичного сложения, являются неотъемлемой частью строения мёрзлых пород. Данные о деформациях первичного криогенного строения несут информацию об истории развития уже сформировавшихся криогенных геосистем. Необходима разработка классификации текстурно-структурных деформаций криогенного строения мёрзлых пород, в которой следует выделять особый тип – метаморфизованных ледяных образований. Необходима разработка методов структурно-деформационного анализа позволяющих устанавливать связи между наблюдаемыми деформациями криогенного строения и процессами, происходящими в мёрзлых породах.
Ключевые слова:
многолетнемёрзлые породы, криогенные текстуры, пластические деформации, разрывные деформации, течение льда, диссоциация газогидратов, фильтрация газа, стадии развития, сегрегационные льды, инъекционные льды
Abstract: The object of the study is the processes of metamorphism of frozen rocks, including structural restructuring, as well as plastic and brittle deformations of underground ice. In geocryology, many experts note the importance of considering the processes of deformation of frozen rocks. At the same time, the deformed rocks themselves do not stand out in a separate category, which makes it difficult to study the development of cryogenic geosystems after their formation. The main method used in this article is the analysis of the results of previous studies by various authors on the topic under consideration. The theoretical basis of the proposed approach is the provisions developed within the framework of the mechanics of frozen soils and structural ice science. The synthesis of the analyzed materials was carried out on the basis of a geosystem approach. In the proposed work, for the first time, a comparative analysis of structural deformations of various kinds of cryogenic formations was carried out. The relevance of the topic under consideration is due to the need to study the patterns of deformation of frozen rocks in natural conditions. Theoretically, this is important for a deeper understanding of the processes occurring in the cryolithozone. For practical purposes, work in this direction will allow us to more accurately assess the possibility of the development of dangerous engineering-geological processes with man-made impacts on frozen rocks. Changes in the structure of frozen rocks continue after the formation of the primary structure. Deformations, that is, violations of the primary addition, are an integral part of the structure of frozen rocks. Data on deformations of the primary cryogenic structure provide information about the history of the development of cryogenic geosystems that have already been formed. It is necessary to develop a classification of textural and structural deformations of the cryogenic structure of frozen rocks, in which a special type should be distinguished - metamorphosed ice formations. It is necessary to develop methods of structural and deformation analysis that allow establishing links between the observed deformations of the cryogenic structure and the processes occurring in frozen rocks.
Keywords: permafrost rocks, cryogenic textures, plastic deformations, breaking deformations, ice flow, dissociation of gas hydrates, gas filtration, stages of development, segregation ice, injectable ice
Подходы к изучению деформаций в многолетнемёрзлых грунтах
Введение
Большая часть мёрзлых толщ, формирующих криолитозону сохраняет своё первичное криогенное строение неизменными от формирования до разрушения. Это позволяет достаточно убедительно анализировать условия льдообразования и сопровождающие его процессы. На основе данного анализа построены все генетические классификации подземных льдов и сформулированы представления о палеогеографических условиях их формирований на тех или иных территориях. При этом, встречаются многочисленные локальные криогенные образования со следами динамических процессов, деформирующих первичное криогенное строение вмещающих мёрзлых пород. Отличительной чертой данных образований является наличие многочисленных пластических и разрывных деформаций, а также признаков структурной перестройки первичного криогенного строения. Они широко распространены в мёрзлых породах всех возрастов и всех генетических типов. Тем не менее, изученность зон деформаций и структурных изменений в сформировавшихся мёрзлых породах, а также понимание их роли и значения в общей совокупности криогенных процессов явно недостаточна. Это связано, с рядом причин. Для мёрзлых пород не вполне понятны условия возникновения локальных зон повышенного внутригрунтового давления. Слабо разработаны представления о механизмах реализации напорных процессов. Не проведена систематизация деформаций криогенного строения и структурных изменений льдов и мёрзлых пород. Рассматривая лед, как минерал или горную породу, нельзя ограничиваться только вопросами формирования его первичной структуры. При определенных температурных и барических условиях, первично сформировавшаяся структура льда претерпевает существенные изменения. В данной работе рассмотрена группа, дислоцированных многолетнемёрзлых пород и метаморфизованных подземных льдов, формирующих локальные криогенные геосистемы: бугры пучения, пластовые льды, инъекционные льды, повторно-жильные льды и др. Авторы исходят из того, что деформации или структурные изменения мёрзлых пород являются результатом взаимодействия комплекса внутригрунтовых процессов. Зоны повышенного давления в мёрзлых породах могут формироваться в результате различных причин, среди которых: криогенной концентрации воды и газа, температурных деформаций, разложения газогидратов при повышении температуры или снятия давления, гравитационного смещения грунтов, поступления напорных газов и грунтовых вод из подмерзлотных горизонтов. Давление может передаваться через литогенную составляющую породы, а также, через жидкую и газовую компоненты. Перераспределение давления может происходить в форме объёмного воздействия фрагмента породы на вмещающую толщу, или по отдельным крупным трещинам, или в виде множества мелких трещин (каналов), по которым жидкие или газовые флюиды пронизывают грунтовый массив, оставляя неизменным первичное строение. В статье рассматриваются примеры изучения деформаций ледяной, минеральной и газовой составляющих мёрзлых пород в криогенных геосистемах различного уровня. Теоретической основой предлагаемого подхода является положения, разработанные в рамках механики мерзлых грунтов (Н. А. Цытович, С. С. Вялов, Ю. К. Зарецкий, Г. В. Порхаев и др.) и структурного ледоведения (П. Н. Шумский, В. И. Соломатин и др.).
Теоретические аспекты изучения деформаций мёрзлых пород и льдов.
Многие исследователи отмечали, что криолитогенез не ограничивается актом фазовых превращений воды в лёд, а включает различные преобразования ледовых и ледогрунтовых структур после их формирования. Поэтому, при изучении истории развития криогенных пород, кроме анализа закономерностей кристаллизации грунтовых вод следует рассматривать и процессы метаморфизма уже сформированного льда. П. А. Шумским впервые были рассмотрены различные виды деформаций мёрзлых пород. Он отмечал, что при формировании инъёкционных бугров пучения, под воздействием возрастающего давления промерзающей воды, кровля мёрзлых пород изгибается. Иногда в кровле образуются трещины, которые со временем могут регенерировать. У боковой поверхности повторно-жильных льдов им была выделена зона, которая под воздействием нарастающего бокового давления сминается в складки и разбивается трещинами на ряд блоков, испытывающих перемещения. В его генетической классификации ледяные горные породы были разделены на три группы: 1. конжеляционные льды (конституционные льды, включающие лёд цемент, сегрегационный лёд, инъекционный лёд, жильный лёд); 2. осадочные льды; 3. метаморфические льды. [1]. Автором было заявлено, что конжеляционные и осадочные льды после своего образования всегда в той или иной степени подвержены изменению (метаморфизму). При этом в группу метаморфических льдов рассмотренные им деформированные мёрзлые породы не вошли (туда вошли только ледниковые льды). Это значительно обеднило классификацию подземных льдов, сведя её к трем основным группам: повторно-жильным, образующимся в результате ежегодно повторяющегося заполнения льдом морозобойных трещин; сегрегационным, связанным с подтягиванием воды к слою кристаллизации и инъекционным связанным с промерзанием внедрившихся под напором воды или водонасыщенного грунта. Предложенная В. И. Соломатиным петрогенетическая классификация подземных ледяных пород практически повторяет классификацию П.А. Шумского. В ней все подземные льды разделены на три группы. Первая группа - конжеляционные льды, их строение определяется условиями внутригрунтовой кристаллизации свободной и связанной воды. Вторая группа – метаморфизованные льды (жильный и режеляционно-сегрегационный льды, подвергшиеся воздействию динамометаморфизма). Это ледяные образования со следами пластических деформаций, течения льда, в формировании строения которых существенную роль играют процессы перекристаллизации под влиянием внешних воздействий. Третья группа, это седиментогенные (погребённые) льды, формирование которых происходит в субаэральных условиях с последующим перекрытием и консервацией осадочными породами [2, 3]. Важно, что дислоцированные ледогрунтовые образования со следами динамометаторфизма отделялись от инъекционных льдов. При этом, сам динамометаморфизм подземных льдов связывается только с повторно-жильными льдами, в которых основную роль играют преобразование структуры элементарных жилок под воздействием систематически возникающих напряжений [3]. Ш.Ш. Гасанов изучая метаморфизм газовых включений повторно жильных льдов (ПЖЛ), пришёл к важному выводу, что подземные льды, находясь при отрицательных температурах, подвергаются существенной текстурно-структурной перестройке и деформациям. Особенно интенсивно эти процессы развиваются при повышении температуры мёрзлых пород в условиях воздействия нагрузки. В этих условиях формируется группа внутригрунтовых льдов со следами пластических деформаций и течения льда. Он предположил, что деформированные льдогрунты могут иметь широкое распространение в зоне вечной мерзлоты и это должно учитываться в ходе криолитологических исследований. Для этого необходимо разработать адекватную модель процессов деформирования мёрзлых грунтов, используя в решении подобных задач опыт и достижения гляциологии [4]. В тоже время, каких-либо классификационных признаков для выделения группы деформированных льдов не было предложено. Е. А Втюрина и Б. И. Втюрин в фундаментальной работе, посвящённой льдообразованию в горных породах, отмечали, что подземным льдам свойственны разнообразные процессы метаморфического льдообразования. Основными источниками этих процессов является либо энергия самой ледяной породы, либо внешнее влияние на неё, а чаще их сочетание. В классификации процессов метаморфизма мёрзлых пород, динамометаморфизм выделен в отдельную группу, но в генетической классификации типов льдообразования в горных породах он отражения не нашёл [5]. Обзор публикаций показывает, что многие исследователи указывали на значимость проблемы трансформации сформировавшихся подземных льдов в теоретическом и практическом отношении, но направлений для её решения не предложили. Для этого, прежде всего, следует выяснить, насколько стабильно состояние Напряжения, вызывающие деформации в мёрзлых породах и подземных льдах, связаны со многими процессами: внешним динамическим воздействием, колебанием температур мёрзлых пород, их собственным весом, возникновением зон повышенного давления внутригрунтового газа, давлением грунтовых вод в промерзающих грунтовых массивах сформировавшейся мёрзлой породы, какие условия переводят её из устойчивого состояния в динамическое, причём часто без фазовых переходов и какими процессами это напряжений сопровождается. Понимание данных вопросов также важно и для решения прикладных задач, связанных с поддержанием устойчивости инженерных сооружений расположенных в зоне распространения многолетнемёрзлых пород. Следствием механических в мерзлых породах являются процессы их деформирования и разрушения, включающие смещение минеральных частиц, а также частичного или полного разрушения кристаллов льда, его перекристаллизации и даже течения. Реологические процессы в мерзлых породах в отличие от других твердых тел и немерзлых пород зарождаются и развиваются практически при любых (даже очень небольших) нагрузках. Наличие перепада напряжений в мерзлых породах вызывает перемещение в них незамерзшей воды и льда из участков повышенного к участкам пониженного сжимающего напряжения или к участкам с более высокими растягивающими или сдвиговыми напряжениями. Обусловлено это, прежде всего, наличием в мерзлых породах включений льда (в виде льда-цемента или ледяных прослоев), для которого нагрузка любой (сколь угодно малой) величины вызывает пластические течения и переориентировку кристаллов [6]. Сцепление цементации льдом обусловлено связью между кристаллами льда и минеральными частицами. Данная связь осуществляется не путем непосредственного контакта льда и минеральных частиц, а через жидкую пленку, обволакивающую твердые частицы и ледяные кристаллы. Это сцепление зависит от содержания льда, площади его контакта с минеральными частицами и температуры мерзлых грунтов. Данная структурная связь наименее стабильна и в природных условиях непрерывно меняется, в соответствии с колебанием температуры мёрзлой толщи. С повышением температуры сцепление мерзлых грунтов уменьшается, при понижении наоборот увеличивается [7]. Для льда величина критического сдвигающего напряжения, при котором возникает его пластическое течение, не превышает 0,01 МПа. Предел же длительной прочности льда при сдвиге при температуре —0,4 °С составляет не более 0,2 МПа [6]. Даже при небольших внешних давлениях на контактах минеральных частиц и кристаллов льда могут возникать напряжения до сотен кг/см2. Это вызывает плавление льда и отжатие образующейся воды в менее напряжённые области, где она вновь замерзает. При достижении достаточных напряжений, возникают пластические деформации льда и его отжатие из более напряженной зоны мёрзлой породы в менее напряжённую, за счёт вязкопластического течения льда, уже без фазовых переходов. При этом, также происходит отжатие газа и минерализованных вод, содержащихся в мерзлой породе [7]. Особенно опасно пластично-вязкое течение мёрзлых пород при повышении их температуры до величин близких к температуре фазовых переходов. Напряжение, соответствующее началу текучести для мёрзлого песка при температуре -1,6 °C составляет около 0,2 МПа, а для мёрзлой глины при температуре -1,9 °C примерно 0,1 МПа [6].
При компрессии мерзлой породы происходит и существенная перестройка структуры (в более мёлкозернистую) шлирового и порового льда с оплавлением острых граней кристаллов льда, а также значительные по величине пластично-вязкие течения кристаллов льда и их агрегатов. Если напряжения во льду не превышают предела его упругости, то перекристаллизация является единственным способом приспособления к вынужденным деформациям. В зависимости от величины напряжений и температуры в криогенных текстурах мёрзлой породы или подземном льде может наблюдаться перекристаллизация (сублимационная или режеляционная). При наличии значительных изгибающих напряжений в отдельных кристаллах происходит полигонизация, сопровождающаяся распадом на мелкие кристаллы с кристаллографической ориентировкой, близкой к ориентировке первичного кристалла. Дальнейшее увеличение ориентированного напряжения, при котором достигается превышение сопротивления тела хрупкому разрушению, приводит к дроблению кристаллов [8]. Следует различать три основных механизма деформирования льда: 1 — течение льда при медленном сдвиге параллельно базисным плоскос-тям-кристаллов (без изменения структуры льда); 2 — нарушение кристаллической решетки льда за счет молекулярного распада, рекристаллизации, межкристаллических сдвижек, сколов; 3 — плавление льда при высоких действующих напряжениях. Монокристалл льда является наиболее простой криогенной системой. Монокристаллы льда с точки зрения пластических свойств обладают сильновыраженной анизотропией. Пластические свойства монокристаллического льда сильно зависят от направления приложения нагрузки по отношению к базисной плоскости. П.И. Шумским [1] дается описание поведение монокристалла льда при изгибе. При небольшой нагрузке в кристалле появляется двуосность. При этом сам кристалл остается в прежних границах. При устранении нагрузки (при температурах в пределах от -5 до -12 ºС) происходит довольно быстрая релаксация_и исчезновением двуосности. Сохранение двуосности после устранения нагрузки имеет место только в тех случаях, когда изгибы вызывают расхождение оптических осей не свыше 7-8 ºС. При дальнейшем деформировании изогнутая часть кристалла без видимых нарушений сплошности распадается на ряд блоков с более или менее близкой друг к другу ориентировкой, достигая, таким образом, устойчивого равновесия, сохраняющегося и после освобождения от нагрузки. Возникающие в кристалле льда деформации можно объяснить с помощью теории дислокаций возникающих после приложения нагрузки. Было строго доказано, что внутри льда существуют дислокации, смещающиеся вдоль базисных плоскостей при приложении внешней нагрузки. Скорость смещения дислокации при напряжении сдвига около 0,1 МПа равна примерно 0.5 мкм/с (2 мм/ч). Если же увеличивать напряжение, скорость будет возрастать пропорционально ему. Таким образом, отдельная дислокация перемещается довольно медленно. Однако по мере развития деформации число дислокации все увеличивается и в результате их незначительные смещения приводят к тому, что становится возможным макроскопическое скольжение вдоль базисных плоскостей [9].
В структуру поликристаллического льда входят различно ориентированные кристаллы. Внутри каждого кристаллического зерна, если к нему приложить силу, возникнет движение дислокации и начнет развиваться скольжение вдоль базисных плоскостей. Однако главные оптические оси, а значит, и базисные плоскости разных зерен ориентированы различным образом, поэтому скольжение вдоль базисных плоскостей в. каждом кристаллическом зерне ограничено соседними зернами и не может развиваться так же свободно, как в монокристалле. В результате пластические свойства поликристаллического льда оказываются сильно зависящими от величины образующих его кристаллических зерен и от ориентации их оптических осей. Процесс деформирования такой структуры включает в себя несколько этапов [7]. В первый момент после приложения нагрузки происходит упругая деформация кристаллов, а в местах наибольшей концентрации напряжений, обусловленной дефектами упаковки, на стыках различно ориентированных кристаллов возникают зоны дробления, появляются свободные от напряжений обломки за счет скалывания углов и краев кристаллов, развиваются микротрещины. Ориентация трещин на этой стадии хаотична. Если нагрузка достигает критического значения, рост трещин становится лавинообразным, образуются магистральные трещины, ориентированные по направлению максимальных растягивающих или сдвигающих напряжений, и процесс заканчивается хрупким разрушением. Длительные небольшие нагрузки, действуя в течение продолжительного времени, вызывают процесс ползучести, в ходе которого происходит существенная перестройка структуры льда. Трещины либо не возникают, либо локализованы и не определяют макроскопического поведения льда; преобладают равномерно протекающие во всем объеме процессы постепенной переориентации кристаллов, сопровождающиеся молекулярным распадом и рекристаллизацией с уменьшением их среднего размера. В силу анизотропии кристаллы стремятся течь по своим базисным плоскостям, при этом максимальная скорость течения будет у кристаллов, ориентированных по направлению максимальных сдвигающих напряжений. Развитию этого течения препятствует различная ориентация кристаллов, приводящая к пересечению полос скольжения, причем наибольшее сопротивление оказывают наиболее неблагоприятно ориентированные кристаллы. В соответствующих местах возникает концентрация напряжений, обусловливающая трещинообразование, дробление и распад кристаллов. При длительном деформировании процессы молекулярного распада и дробления приводят к существенному уменьшению среднего размера кристаллов. Одновременно во льду протекает процесс рекристаллизации, центрами которого являются ненапряженные обломки и менее напряженные кристаллы. При этом вновь образуемые кристаллы ориентированы базисными плоскостями вдоль направления сдвига. При достаточно больших нагрузках определяющим является процесс микротрещинообразования, обусловливающий переход к блоковому механизму скольжения по системе трещин, ориентированных согласно максимальным сдвигающим напряжениям. Структура основного объема кристаллов остается при этом неизменной; переориентация приурочена к тонким граничным участкам. В предложенной П.А. Шумским [10] схеме выделено семь механизмов деформации льда, сменяющих друг друга в зависимости от характера и величины нагрузки и скорости деформации: 1) скольжение по базисным плоскостям в отдельных кристаллах; 2) небольшие изменения кристаллической решетки, увеличение среднего размера зерен в агрегате и перемещение границ между ними; 3) значительные нарушения кристаллической решетки, полигонизация и начинающаяся рекристаллизация; 4) внутрикристаллические перемещения, сопровождающиеся измельчением зерен льда и практически полным разрушением первоначальной структуры; 5) развитие хрупких разрушений по определенным плоскостям; 6) милонитизация; 7) режеляция. В И. Соломатиным рассмотрено соотношение деформаций кристаллов льда при пластических и хрупких деформациях (табл. 1)
Таблица 1 Виды деформирования кристаллов льда [2].
Рассмотренные материалы по изучению деформаций мёрзлых пород показывают, что к настоящему времени представления о том, что подземные льды могут претерпевать значительные изменения, а перекристаллизация льда в ходе его метаморфизма является важным элементом криолитогенеза, разработаны достаточно детально. При этом степень изученности процессов метаморфизма в преобразовании подземных льдов в реальных условиях, по мнению Е. А. Втюриной и Б. И. Втюрина, настолько недостаточны, что все соображения по этому вопросу носят предположительный характер [5].
Формирование деформационных структур в мёрзлых породах
Рассмотренные выше материалы показывают, что в геокриологии давно назрела необходимость оценки значения деформационных процессов, а также роли деформированных мёрзлых пород и подземных льдов в общей системе криолитогенеза. Для этого необходимо, в первую очередь, провести анализ структурно-текстурных деформаций различного рода криогенных образований. Их краткий обзор приводится ниже.
Объёмные локальные деформации в массивах многолетнемёрзлых пород.
При воздействии внешней нагрузки в мёрзлых грунтах может начать развиваться комплекс процессов приводящих к пластично-вязкому течению мёрзлых пород и льдов. Эти процессы сопровождаются нарушением структурных связей и перекомпоновке твердых частиц, в результате чего возникают необратимые структурные деформации. Данный вид деформаций возникают только в том случае, когда касательные напряжения превышают силы внутреннего взаимодействия, обусловливающие равновесное состояние мёрзлой породы. В зоне воздействия нагрузки вследствие уплотнения формируется ядро жёсткости. Когда нагрузка достигает предельного значения и в грунтовом массиве возникают наибольшие касательные напряжения в окрестности плотного ядра начинают развиваться деформации пластично вязкого течения. На этой стадии уплотненное ядро начинает раздвигать окружающий менее плотный грунт и внедряться в него [7].В естественных условиях данные процессы распространены достаточно широко. В качестве уплотнённого ядра может выступать ранее сформировавшееся ледяное тело или блок грунтового массива (рис. 1). Здесь изображена антиклинальная складка сформированная блоком льда и дислоцированной льдо-грунтовой массой, внедрившейся в слоистые прибрежно-морские пески и алевриты. В центральной части складки залегает вытянутый монолитный ледяной блок. На фотографии верхней. части Ямальского кратера (рис. 2) хорошо видно, как сильно деформированный округлый блок газонасыщенного льда под воздействием слоистого, ледогрута вдавливается в мёрзлую слоистую толщу, разрывая её клиновидными трещинам.
Рис.1. Внедрение монолитного блока чистого льда (1) и дислоцированной льдо-грунтовой массы (1) в слоистые прибрежно-морские пески и алевриты (2), изогнутые в антиклинальную складку (п-ов Ямал) [11].
Рис.2. Верхняя часть Ямальского кратера. Воздействие ледяного блока на слоистый ледогрунтовый массив. Фото А. Лупачёва.
На рис. 3 изображена ледогрунтовая струтура со следами деформаций [12]. В центральной части можно выделить ледяное тело с многочисленными дислокациями. Слева и справа к нему примыкают зоны слоистого ледогрунта со следами пластических деформаций, переходящие в деформированные песчаные слои. В верхней части разреза с резким несогласием залегают торфяной горизонт. Характер дислокаций, пластических деформаций и следов течения льда и ледогрунта свидетельствует о длительном постепенном воздействии ледяного штока на перекрывающую его ледогрунтовую толщу и перекрывающие осадки. Ледяной шток пронзает перекрывающие породы, раздвигая и деформируя их. Последующее протаивание срезает выступающую апикальную часть деформированной кровли.
|
Рус
© 1998 – 2024 Nota Bene. Publishing Technologies. NB-Media Ltd.
