ЛЕКЦИЯ 4. Текстурные особенности мерзлых пород

Под криогенной текстурой мерзлой породы понимается сложение ее ледяного каркаса, состоящего из включений и прослоев льда различной формы и размеров, ориентировки и пространственного взаиморасположения, при котором структура минерального скелета разделена на структурные отдельности. Понятие текстуры мерзлой породы в отличие от криогенной текстуры включает изучение текстурных особенностей не только ледяных включений, но и органо- минеральной части.

Текстура тонкодисперсных пород формируется в процессе их литификации. В зависимости от химико - минеральной и фациальной изменчивости пород при различных способах промерзания (сингенетическом, характеризующемся криогенным преобразованием осадка в породу с одновременным его накоплением, и эпигенетическом, характеризующемся промерзанием литифицированных пород) проявляются специфические особенности криогенного текстурообразования. Криогенная текстура породы существенно зависит от её текстуры и структуры до промерзания. Наличие в первоначально не мерзлых породах текстурных признаков (слоистости, трещиноватости и др.) приводит к формированию унаследованных криогенных текстур. В однородных по составу и строению дисперсных породах в процессе промерзания образуются наложенные криогенные текстуры.

Большое разнообразие встречаемых в природе видов криогенных текстур обусловлено различными механизмами криогенного текстурообразования, основными из которых являются миграционно-сегрегационный, напорно-миграционный, инъекционный и ортотропно-компрессионный. В зависимости от процесса льдообразования в криогенных текстурах может быть сегрегационный, инъекционный, аблимационный и другие виды льда. Основным механизмом формирования наложенных криогенных текстур является миграционно-сегрегационный. Для их формирования необходимо развитие не только тепло- и массообменных и физико-механических процессов, но и физико-химических процессов (коагуляции, агрегации, усадки, набухания и др.), которые существенно преобразуют первичную структуру породы. В результате происходят развитие напряжений, разрывы структурных связей и сегрегация льда.

Криогенные текстуры скальных пород определяются главным образом их трещиноватостью, особенностями заполнения трещин влагой и её замерзанием. Это, как правило, унаследованные криогенные текстуры. Размеры, форма, ориентировка и пространственное взаиморасположения ледяных включений в них соответствуют геометрии трещин. В магматических изверженных породах (гранитах, диоритах, андезитах и др.) формируются трещинные и трещинно-жильные криогенные текстуры. В трещинах лед содержится в виде пленок, корок и скоплений кристаллов, льда-цемента рыхлого заполнителя, полностью или частично заполняя пустые полости. Для трещинно-жильных криогенных текстур характерно более полное заполнение льдом полостей трещин, которые имеют вид хорошо выдержанных в пространстве жил.

Таблица 1

Классификация криогенных текстур в многолетнемерзлых скальных породах (по А.А. Каган, Н.Ф. Кривоноговой)

Текстура	Описание текстуры	Основные типы пород, для которых характерна криотекстура
Трещинная	Лед по трещинам в виде пленок, корок по стенам или цемента и шлиров в заполнителе трещин	Магматические (граниты, диабазы, андезиты, базальты)
Трещинно-жильная	Лед заполняет всю площадь сечения, образуя прожилки	Метаморфические (роговики, кварциты, кристаллические сланцы, гипсы)
Пластово-трещинная	Ледяные жилки по трещинам напластования создают основной облик криотекстуры; льдосодержание трещин других систем имеет подчиненное значение	Осадочные (доломиты, известняки, мергели, алевролиты, аргиллиты)
Пластово-трещинно-поровая	Ледяные жилки по трещинам напластования и лед-цемент а порах породы; льдосодержание трещин других систем имеет подчиненное значение	Осадочные (песчаники, глинистые сланцы, мергели)

Окончание табл. 1

Пластово-трещинно-карстовая

Ледяные жилки по трещинам напластования и пустотам выщелачивания и растворения создают основной облик криотекстуры; льдосодержание трещин других систем имеет подчиненное значение

Осадочные (известняки, доломиты, гипсы, каменная соль)

В осадочных сцементированных породах выделяются пластово-трещинные, пластово-трещинно-поровые, пластово-трещинно-карстовые типы криогенных текстур (см. табл. 1). Размеры прослоев льда в унаследованной текстуре определяются раскрытием трещины и изменяются от долей миллиметра до десятков сантиметров. По мощности льда выделяются тонко-, средне-, толсто-трещинные и трещинно-жильные криогенные текстуры.

По взаиморасположению и ориентировке в пространстве выделяют упорядоченно-сетчатые (или закономерно-сетчатые) и беспорядочно-сетчатые (незакономерно-сетчатые) криогенные текстуры. Последние, как правило, приурочены к зонам тектонического дробления и интенсивного выветривания, а упорядоченно-сетчатые криотекстуры удалены от этих зон. Различия состава и строения льда унаследованных криогенных текстур скальных пород в первую очередь связаны с различными механизмами льдообразования. Миграционно-сегрегационный тип льда в скальных породах встречается лишь в тонкодисперсном влагонасыщенном материале заполнителя трещин. А.А. Гаган и Н. Ф. Кривоногова выделяют следующие механизмы льдообразования:

1) инфильтрационный, обусловленный инфильтрацией поверхностных и подземных вод; лед отличается полизернистостью с хаотической ориентировкой кристаллов (аллотриоморфнозернистый);

2) инъекционный, связанный с гидродинамическим внедрением воды в трещины и её замерзанием в них; чаще всего инъекционный лед в крупных трещинах прозрачный, а сами текстуры называются унаследованно- расширенными;

3) цементный, характерный для трещиноватых массивов, промерзающих ниже уровня подземных вод, а также для обводненных скальных пород сезонно- талого слоя;

4) аблимационный (сублимационный), формирующийся вследствие замерзания парообразной влаги в более крупных трещинах, сообщающихся с дневной поверхностью или с другими источниками питания. Аблимационный лед имеет зернистую структуру.

Криогенные текстуры в литифицированных породах рыхлого чехла в зависимости от их состава и строения, а также условий промерзания весьма разнообразны. По ориентировке и пространственному взаиморасположению прослоев льда выделяется несколько основных типов криогенных текстур: массивные, слоистые, сетчатые и ячеистые. В зависимости от размеров прослоев льда и расстояния между ними отмечаются различные виды криогенных текстур (см. табл. 2).

Одним из основных процессов, определяющих разнообразие типов и видов миграционно- сегрегационных текстур, является процесс миграции влаги. Плотность миграционного потока влаги и время его действия определяют мощность сегрегационного прослоя, а интенсивность – развитие усадочных напряжений и деформаций, их частоту и ориентировку. Плотность потоков влаги возрастает с увеличением дисперсности пород. Поэтому толсто-шлировые криогенные текстуры чаще встречаются в глинистых породах. Типы криогенных текстур в большей степени определяются минеральным составом пород. Так, при увеличении содержания в глинах минералов группы монтмориллонита (по сравнению с каолинитом) тип криогенной текстуры изменяется от горизонтально-слоистого до ячеистого. С увеличением в породах минералов группы монтмориллонита плотность потока влаги и мощность прослоев льда уменьшаются, а с увеличением в них минералов группы каолинита, наоборот, возрастают.

При больших скоростях промерзания формируется в основном массивная криогенная текстура, причем чем меньше дисперсность породы, тем более малые скорости промерзания требуются для образования массивной криогенной текстуры. С уменьшением скорости промерзания в тонкодисперсных породах происходит переход от массивной к шлировым криогенным текстурам. При этом чем меньше скорость промерзания, тем большее время необходимо для роста прослоев льда и их мощности. При неглубоком залегании грунтовых вод в условиях открытой системы создается наиболее благоприятная обстановка для формирования горизонтально-слоистой толсто-шлировой криогенной текстуры. В процессе криогенного текстурообразования особенно велика роль первоначального строения и сложения пород. Пустоты и трещины в тонкодисперсных породах не только являются местом образования аблимационного, инфильтрационного или других видов льда, но и оказывают существенное влияние на взаиморасположение и пространственную ориентировку образующихся вблизи них прослоев миграционно-сегрегационного льда.

Таблица 2

Классификация шлировых криогенных текстур

(по Е.А. Втюриной, Б.И. Втюрину)

Тип (по расположению шлиров и характеру ледяного цемента)	Подтип (по ориентировке шлиров льда)	Вид (по интервалу между шлирами: редко слоистый и крупно-сетчатый (более 100 мм); средне-слоистый среднесетчатый (10-100 мм); частослоистый и мелкосетчатый (1-10 мм); микрослоистый и микросетчатый (менее 1мм))	Разновидность (по толщине ледяных шлиров: толсто-шлировая (более10 мм); среднешлировая (5-10 мм); тонкошлировая (1-5мм); микро-шлировая (менее 1 мм))
Слоистый	Горизонтально-косо-, вертикально-слоистый	Редко-, средне-, часто-, микро-слоистый	Толсто-, средне-, тонко-, микрошлировая
Сетчато-слоистый	Средне-, часто-, микросетчато-слоистый
Сетчатый	Горизонтально-, косо-, вертикально-сетчатый, беспорядочно-сетчатый	Крупно-, средне-, мелко-,микро-сетчатый
Ячеистый	------------	Крупно-, среднемелкоячеистый

Льдообразование в грубообломочных нелитифицированных породах главным образом обусловлено замерзанием талых и дождевых вод, проникающих при инфильтрации и несущих с собой тонкодисперсный материал. Замерзание этой воды в грубообломочных породах с отрицательной температурой часто приводит к распучиванию обломков и формированию базального льда-цемента (гольцовый лед). При уменьшении глубины сезонного оттаивания такой лед иногда может захороняться многолетнемерзлой толще. На контактах отдельных глыб и обломков могут образоваться замкнутые воздушные пространства, в которых нарастает аблимационный лед.

Грубообломочный материал с дисперсным заполнителем чаще всего имеет массивную, корковую или сложную линзовидно-слоистую криогенную текстуру, в которой прослои льда изогнуты, не выдержаны по простиранию и часто наследуют форму обломков.

В неоднородных нелитифицированных породах происходит формирование унаследованных криогенных текстур в разрывах сплошности пород, трещинах и пустотах.

Различают криогенные текстуры сезонно-талого и сезонно-мерзлого слоев, которые существуют лишь в зимний период, и текстуры многолетнемерзлых пород. Главное значение в их формировании имеют температурный режим промерзания и химико-минеральный состав пород. Механизм текстурообразования в слоях сезонного промерзания и оттаивания в основном миграционно-сегрегационный.

Для пород сезонно-мерзлого слоя характерно двухчленное криогенное строение, обусловленное изменением режима промерзания пород с глубиной. В породах сезонно-талого слоя дополнительно выделяется ещё горизонт криогенных текстур, возникающий вследствие промерзания снизу, со стороны многолетнемерзлой толщи.

В верхней части многолетнемерзлых пород эпигенетические криогенные текстуры формировались при меньших градиентах температур и скоростях промерзания, чем в слое сезонного оттаивания. Небольшие скорости промерзания и градиенты температур приводят к формированию здесь меньших миграционных потоков влаги, но действующих большее время, вызывая при этом рост более мощных сегрегационных прослоев. В многолетнемерзлых породах ниже глубины нулевых годовых амплитуд развитие криогенного текстурообразования при эпигенетическом промерзании происходило при меньших градиентах температуры и скоростях промерзания. Формирование криогенных текстур прежде всего происходит в результате напорно-миграционного и инъекционного механизмов льдовыделения, которые отражаются как на виде текстуры (на размерах сегрегационных прослоев льда и частоте расположения), так и на их типе. Горизонтально-слоистая криогенная текстура, формирующаяся в условиях свободного подтока влаги, с ростом гидродинамического давления переходит в блоковую криогенную текстуру с вертикальными шлирами льда, ориентированными по направлению инъекций влаги.

Криогенные текстуры сингенетически промерзающих отложений образуются при одновременном (в геологическом смысле) промерзании и диагенетическом преобразовании свежеотложенных осадков в породу. Криогенное строение многолетнемерзлых пород при сингенетическом типе промерзания формируется за счет перехода в многолетнемерзлое состояние нижней части сезонно-талого слоя. Криогенные текстуры в нем формируются при промерзании снизу и гораздо реже (при высоких среднегодовых температурах) – при промерзании сверху.

Криогенное строение сингенетических пород существенно зависит от режима промерзания снизу и оттаивания сверху. Для пород с высокими значениями среднегодовых температур (т. е для южного типа сингенетически промерзающих отложений) характерно небольшое льдонакопление как за счет зимнего промерзания снизу, так и за счет летнего оттаивания сверху. Это связано в первую очередь с малыми градиентами температур в кровле многолетнемерзлых пород как в зимний, так и в летний периоды. Наоборот, в породах с низкой среднегодовой температурой (т. е. для северного типа сингенетически промерзающих отложений) характерна особенно большая льдистость многолетнемерзлых пород ниже слоя сезонного оттаивания.

Дата добавления: 2014-12-08