Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Микростроение мерзлых грунтов

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Автореферат диссертации по теме "Микростроение мерзлых грунтов"

/гзг,

>

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВА

Географический факультет

На правах рукописи

РОГОВ Виктор Васильевич

УДК 551.340

МИКРОСТРОЕНИЕ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

04.00.07 — инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

//У

Москва 1989 г.

Работа выполнена на кафедре криолитологии и гляциологии географического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова.

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, профессор Б. И. Втюрин

доктор географических наук, ведущий научный сотрудник М. М. Корейша

доктор геолого-минералогических наук, профессор Н. Н. Романовский

Ведущая организация:

ВНИИ гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИН-ГЕО) Министерства геологии СССР

Защита состоится « ... »........ 1989 г. в ... час.

на заседании Специализированного Совета по геоморфологии и палеогеографии, мерзлотоведению и картографии (Д — 053.05.06) при Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119899, Москва, ГСП-3, Ленинские горы, МГУ, географический факультет, 21 этаж, аудитория 2109.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке географического факультета на 21 этаже.

Автореферат разослан « ... »......... 1989 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета Д — 053.05.06, доктор географических наук, профессор Г. А. Сафьянов

ВВВДЕНИЕ

", ■. ■ -./Актуальность работы. В последние десятилетия сложилось я успешно развивается учение о щшогенезе, как особом типе гипергенных процессов, происходящих в условиях фазовых переходов воды. Кряогенез, являясь одним яз зональных фязяко-географячвскях вариантов гяпоргонеза, во-многом определяет развитие природной среды на территория Севера СССР. Продукты криогенеза (мерзлые грунты я подземные льды) представляют собой сложные многокомпонентные сяо-теш, в изучении которых в настоящее время широко применяются аналитические методы. Одним из таких методов является анализ микросгроения составляющих мерзлых грунтов и льдов я их организации в пространстве с применением электронной ми1фоскопии. Анализ мик-ростроеняя позволяет существенно углубить изучение обидах вопросов генезяса и условий промерзания рыхлих отложений и продвинуть решение ряда прикладных вопросов инженерного мерзлотоведения. Важность исследований микросгроения мерзлых грунтов определяется,, во-первых, тем, что в облике составляющих их компонентов находят свое видимое отражение разнообразные условия я характер проявления криогенных процессов, таких как льдообразование, пучение, структуро-и текстурообразование, выветривание, аутягенез и др., а также условия я образования на домерзлотном этапе их развития. Во-вторых, анализ ми1фосгроеяяя выступает как синтезирующий прием изучения пространственных закономерностей строения мерзлых толщ как единой, сложной и многофазной системы» формирующейся в определенной физико-географической обстановке На соответствующей лигогеяной основе. В последйиё годы, когда происходит резкое обновление методология я технического оснащения географических исследований, значение изучения микросгроения мерзлых грунтов возрастает, гак как с внедрением новых методик и современной аппаратуры появилась возможность

получить ряд качественно новых данных, позволяющих углубить и по-новому оценить ряд положений и законов криогенеза. Проблема изучения шкростроешя мерзлых грунтов входит в ведущую тему кафедры криолятологии и гляциологии географического факультета - "Изучение криогенной организации и эволюции вещества в зоне устойчивого охлаждения Земли я перигляцисальных областях" и в перспективное направление развития науки АН СССР - "Разработка основ криогенеза".

Цель работы» Имеющиеся в настоящее время теоретические представления и накопленные эмпирические материалы позволяют на новом уровне выполнить анализ микростроения мерзлых грунгов и решить следующие задачи:

1. Разработать методические осноеы микроструктуряого анализа мерзлых грунгов.

2. Исследовать'механизмы формирования гранулометрического и минералогического состава грунтов в зоне криогенеза.

3. Выяснить информативность структурных параметров внутри-грунтовых льдов, определить структурные критерии диагностики льда-цемента и сегрегационного льда и условий их образования.

4. Изучить характеристики микростроения.основных типов мерзлых толщ а на этой основе предложить генетическую интерпретацию проявления криолигогенеза в различных физико-географических условиях.

5. Определить принципы формирования микростроения мерзлых толщ в 1фи0лиюсфере и показать их значение для разработки общей теории криогенеза.

Научная новизна -работы. Автором поставлены пионерные работы в области изучения микростроения мерзлых грунгов криолигосферы. Основная часть материалов уникальна и получена автором впервые. Разработана оригинальная методика изучения микростроения мерзлых грунтов с применением современной аппаратуры. Впервые получена

информация о макроструктуре и ыикротекстуре мерзлых дисперсных отложений различного генезиса и возраста с помощыо электронных микроскопов. Полученные данные позволяю? по новому представить механизм эволюции минерального вещества в криосфере, а также существенно уточнить понимание механизма процесса диагенеза промерзающих и протаивающих грунтов, установить закономерности формирования микростроешш мерзлых толщ.

Предметом защиты являются:

1. Предложенный автором комплекс методов, позволяющих изучать микростроение различных по генезису, составу и условиям промерзания мерзлых грунтов. Он состоит из методов отбора, сохранения и подготовки мерзлых образцов для анализа с помощью оптического, просвечивающего и растрового электронных микроскопов.

2. Экспериментальное и теоретическое обоснование механизма криогенной диспергации и агрегация минералов и формирования гранулометрического и минералогического состава лессовидных грунтов; разработка метода диагностики проявления биогенеза на основе анализа поверхности частиц кварца.

3. Установление структурных критериев диагностики льда-цемента и сегрегационного лада в мерзлых грунтах и температурных интервалов их образования; уточнение классификаций структур вышеуказанных типов внутригрунгового льда.

4. Классификация структурных связей в мерзлых грунтах и разработка метода их определения.

5. Развитие основных принципов теории структурообразоваяия в промерзающих грунтах для различных типов мерзлых толщ; определение основных структурных признаков микростроения эпи- и сингенетических мерзлых толщ и криогенного элювия.

6. Обоснование генетической взаимосвязи криогенной текстуры' и микростроения мерзлых отлокений.

Методы доследования. В предлагаемой работе использован комплекс методов изучения микросгроения мерзлых грунтов; основные принципы, методические приемы и их техническая реализация разработана лично автором. Этот комплекс включает в себя методику отбора, консервация и транспортировки мерзлых образцов, способы приготовления препаратов мерзлых фунтов и принципы аналитического яспользова-няя оптического, просвечивающего и растрового электронных мдкро-скопов. Разработка методики анализа мерзлых грунтов с помощью электронных микроскопов позволила автору (совместно с сотрудником кафедры электроники физического.факультета МГУ М.К.Антошиным) впарвые получить растровые микрофотографии мерзлых образцов природных объектов. Б качестве основного прибора использовался растровый электронный микроскоп МРЭМ-ЮО отечественного цроизводсгва.

Указанные методические разработки, естественно, не могли реализоваться без полевых и стационарных исследований мерзлых толщ различных районов Севера СССР, при этом изучались условия залегания, мерзлотяо-фациальное строение, состав и свойства исследуемых отложений. Сочетание полевых, стационарных, экспериментальных, аналитических и, конечно, теоретических мегодов позволило наиболее эффективно решить поставленные задачи.

Фактический материал. В основу работы положены материалы, полученные автором за более чем 20-летний период исследований в лаборатории ледоведения кафедры кряолитологии и гляциологии географического факультета МГУ, а также за несколько лет работы (19721979 г.г.) в лаборатории физики и механики мерзлых грунтов кафедры мерзлотоведения (ныне геокриологии) геологического факультета МГУ. Кроме этого, использовались результаты полевых исследований за 15-дегний период в полевых отрядах Северной экспедиции кафедры 1фиолитологии и гляциологии (1966-1981г.г.), а также Тихоокеанского института география ДВНЦ АН СССР (1982-1984 г.г.), других уч-

резденяй а отдельных самостоятельных полевых командировок в различные районы севера СССР. Авторский материал включает задокументированные разрезы, скважины, шурфы, журналы экспериментальных наблюдений, аналитические таблицы. С использованием различных видов микроскопии просмотрено около 300 образцов мерзлых грунтов,.: получено около 10 ООО элекгрошюмшфоскопических фотоснимков.

Практическое значение. Полученные результаты и внводы ямеюг важное значение для диагностики состава, строения, свойств и условий образования рыхлых отложений при генетических и палеогеографических исследованиях и улучшения методов их анализа. Разработанные методы и аппаратура для исследования мищюстроения мерзлых -толщ может быть использована для решения прикладных задач в области физики, химии и механики мерзлых грунтов, льдов и щжсталло-гвдратов. Полученные данные позволяют уточнить природу прочности а характер деформирования мерзлых грунтов и обосновать крдоконсо-яидациояное сцепление в мерзлых грунтах. Предложенный метод дифференцированного определения длительной прочности мерзлых глинистых грунтов на основе расчета структурных связей признан изобретением (авт.свид. № 1260441, совместно с В.В.Брачевым). Ряд разработанных методик, приборов и приспособлений используются в научных организациях (НИИ ЭОС АН СССР, МИНГ им. Й.М.Губкина). Фактический материал, научные результаты и выводы вошли в разработанные й читаемые автором курсы лекций для студентов кафедры криолитоло-гди МГУ, "Методика криолитологических исследований", "Общее и региональное мерзлотоведение", "Физика, химия д механика мерзлых грунтов", а также в лабораторных занятиях студентов географического и геологического факультетов; автором подготовлены соответствующие разделы в учебных пособиях: "Криогенное строение мерзлых пород", "Лабораторные методы исследования мерзлых пород" и "Методы криолитологических исследований".

Апробация работы. Научные результаты исследований докладывалась на Всесоюзной конференции по мерзлотоведению (Москва, 1970), на международной конференция по криогенным воздействиям (Гавр, Франция, 1975), всесоюзной конференции "Почвенный криогенез и мелиорация холодных мерзлотных почв",(Путано, 1975), Ш, 1У, У международных конференциях по мерзлотоведению (Эдмонгон, Канада, 1979; Фербенкс, США., 1983; Тронхейм, Норвегия, 1988), республиканском соведаяил по производству изысканий в районах распространения взчномерзлых грунтов (Чита, 1972), всесоюзном совещании "Опыт строительства оснований и фундаментов на вечномерзлых грунтах" (Воркута, 1981), всесоюзном совещании "Геокриологический прогноз в осваиваемых районах крайнего Севера" (Москва, 1982), 1У всесоюзной конференции "Проблемы почвенного криогенеза" (Воркута, 1985), всесоюзной конференции "Инганерно-гсологические изыскания в области вечной мерзлоты" (Благовещенск, 1986), на заседаниях научного семинара кафедры кряолигологдд и гляциологии и ряда других совещаний. По теме диссертации опубликовано 38 научных работ.

Объем и структура работы. Фактический материал, поставленные задачи и пути их реализации определили содержание и структуру диссертации. Во введении рассштриваюгся принципы и методы исследования микростроения мерзлых грунтов. Первая часть включает в себя анализ составляющих лшфосгроения мерзлых грунтов - часглц скелета, включений льда, незамерзшей воды и новообразований; она заканчивается выводами о причинах специфики мерзлых грунтов и особенностями ее возникновения. Вторая часть работы посвящена анализу пространственной организации микростроения мерзлых грунтов. В ней -рассматриваются общие представления о сгрукгурообразования в грунтах, определены факторы формирования микросгроеяия мерзлых грунтов; далее дана характеристика микроструктурных особенностей некоторых типов мерзлых толщ территории СССР. Заканчивается вторая часть разделом

о взаимосвязи характеристик микро- и макростроения мерзлых грунтов, в частности, криогенных текстур с микростроением грунгов. Работа содержи страниц машинописного текста, иллюстрирована 5 таблицами и 98 рисунками, из которых 77 - микрофотографии. Список литературы содержит 172 наименования отечественной и зарубежной литературы.

Автор приносит глубокую благодарность за постоянное внимание и поддержку заведующему кафедрой ^политологии и гляциологии, заслуженному деятелю науки РСФСР, профессору А.И.Попову и профессору В.Н.Конищеву - идейному наставнику и соратнику в научных поясках в течение многих лет совместной работы на кафедре ^политологии и гляциологии географического факультета МГУ.

■ Автор выражает большую признательность коллегам по полевой работе - А.А.Архангелову, С.В.Губяну, С.А.Зимову, Т.П.Кузнецовой, Д.В.Михалеву, И.Р.Плахту, Г.Э.Розенбаум, В.И.Соломатину, Н.А.Шпо-лянской за большую помощь и поддержку в экспедиционных исследованиях мерзлых толщ севера СССР.

Автор выраааег такие искреннюю благодарность коллегам в лабораторных и аналитических исследованиях, чьи консультации и помощь сыграли большую роль в становлении и развитии проведенных исследований - МД.Антошину, В.¡¿.Григорьеву, М„И.Заболотской, Х.Г.Зигерт, Э.Д.Ершову, Ю.ПДебеденко, Т.Н.2естковой, В.Н.Соколову, Г.В.Сапа-эину, Е.М.Чувилину, Е.П.Шушериной, Г.Н.Щуриной, М.А.Фаусговой, Э.М.Язынину.

Аьгор благодарит такш Ю.Б.Баду, Е.Д.Ермолина, С.А.Корояеш, Колесникова, 0.А.Казанского за помощь в работе и представлению образцы для исследований.

Автор выражает большую благодарность сотрудникам эксперлмен-■ального завода научного приборостроения АН СССР Н.А.Гарееву и '.Б.Шишкину за техническое обеспечение исследований микросгроення ерзлых грунгов на МРЭМ-100.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАБОТЫ

Введение

Изучение микростроения мерзлых грунтов началось сравнительно недавно. Основы этого направления были залозвны П.А.Шумским. Он показал, что в микростроении мерзлых грунтов находят видимое отражение результаты процессов формирования и преобразования мерзлых толщ, поэтому, по его словам, изучение микростроения - "одно из средств познания генезиса, т.е. сущности и истории процессов и условий формирования мерзлых горных пород, а также оценки и объяснения их свойств" (¡Думским, 1954). Однако, работы мерзлотоведов в 50-е - 60-е годы в основном касались микрострукгурных характеристик только одного компонента мерзлых грунтов, хотя и самого вакного - лада (Шумский, 1955; Вгюрин, 1963, 1968; Вгюрина, 1963, 1970, 1974; Гасанов, 1969; Кесткова, 1961; 1966, 1984; Коннова, 1957, 1958, 1959, 1961; Пчелинцев, 1964; Шполянская, 1964 и др.). Изучение микросгроения скелета мерзлых грунтов, почв и криогенных образований проводилось, в основном, почвоведами (Кошелева, 1958; Морозова, 1964; Конищев, ФаустоЕа, 1966) методами принятыми в микроморфологии почв. Комплексное изучение микростроения мерзлых грунтов началось лишь в 70-е годы в связи с разработкой и применением методов просвечивающей и растровой электронной микроскопии (Максимяк, 1967, 1970; Зигерт, 1970; Рогов, 1972, 1974; Рогов, Заболотская, 1978). Эти исследования касались многих аспектов микростроения мерзлых грунтов: изучения условий образования льда-цемента (Жесткова, 1977, 1984)и роли составляющих мищюстроение мерзлых грунтов в формировании их прочности (Шушерина и др., 1975, 1982, 1983), отражения процессов криогипергенеза в микростроении грунтов (Конищев, Рогов, Шурина, 1974; Конищев, Рогов, 1977; Конищев, 1981), структуры внутригрунтовых льдов (Корейша, 1980;

Ермолин, 1983; Соломатин, 1986), процессов аутягеяеза я формирования новообразований (Зягерт, 1978, 1981, 1985), факторов и условий формирования микростроеняя мерзлых грунтов (Чувилин, 1984), процессов струкгурообразованяя в промерзающих, мерзлых я протаивающих грунтах (Язынян, 1986). В 1988 г. вышла коллективная монография "Микростроеняе мерзлых пород" под общей редакцией Э.Д.Ершова с участием автора, обобщающая имеющийся на настоящее время материал по рассматриваемой проблеме. Однако, в целом изучение микростроеняя мерзлых груяго! още находится в начальной стадии своего развития. Особенно это касается анализа мякро строения природных объектов, закономерности формирования которых остаются невыясненными и требуют дальнейшего исследования.

Терминология диссертации основывав гея на использовании определений, принятых в мерзлотоведения, инженерной геологии и почвоведения. К сожалению, в настоящее время нет однозначного толкования понятий, связанных с определением характеристик строения грунтов и почв и иерархическим уровнем их изучения. В прилагаемой работе под термином строение подразумевается совокупность их структуры я текстуры. В свою очередь, под структурой подразумевается размер, форма, характер поверхности, количественное соотношение элементов грунта и характер связей медцу ними, под текстурой -пространственное расположение участков с различной структурой (для ■мерзлых грунтов чаще говорят о криогенной текстуре, то есть, пространственном расположения включений льда и агрегатов скелета). Вслед за В.Н.Соколовым (1988) выделяется два уровня изучения строения: макро, т.е. таких особенностей строения, которые различимы невооруженным глазом, я мшфо, когда морфомегричдекие особенности компонентов мерзлых грунтов и их взаимное расположение могут быть определены только прибором с разрешением менее 0,1 мм. Конечно, эта граница достаточно условна, поэтому при характеристике микро-

строения мерзлых грунтов для большей полноты и ясности часто приводятся данные их макростроения»

ЧАСТЬ I.

АНАЛИЗ МИКРОСТРОЕНИЯ ОТДЕЛЬНЫХ КОМПОНЕНТОВ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

Глава I. Формирование состава скелета мерзлых грунтов

Анализ большого количества данных гранулометрии поверхностных рыхлых отложений, имеющихся в литературе показывает, что во многих случаях в гранулометрическом спектре наблюдается преобладание частиц пылеватой фракции. Этот факт, а также причина его возникновения, заключающаяся в условиях образования пылеватых грунтов, давно вызывает интерес у исследователей разного профиля. Еще в 30-е годы (Лукашев, 1938) появилось представление о связи пылеватости-грунтов с процессами, характерными для зоны существенно низких температур и интенсивных фазовых переходов, хотя в общем смысле пылева-тость характерна для широкого диапазона рыхлых отложений. Проблеме образования специфических особенностей гранулометрии грунтов пнле-ватого состава зоны кряолдтогенеза (или, как их еще называют, лессовидных) посвящено большое число работ (Цытовдч, 1947; Попов, 1958; Минервин, 1959; Сергеев, Минервин, 1960; Тютюнов, 1960; Баранов, 1962; Конящев, 1962, 1964, 1977, 1981; Мазуров, Тихонова, 1964; Полгев, 1966; Шило, 1971; Ершов, 1986 и др.), в результате которых теоретически я экспериментально установлена закономерность накопления фракции 0,05-0,01 мм в ходе чередования промерзания -протаивания и неустойчивости частиц как большего, так я меньшего размера. Указанный процесс лежит в основе криогенного выветривания - одной из разновидностей криолитогенеза (Попов, 1967; Попов, Ро-зенбаум, Тумель, 1985).

Формирование гшлеватости грунтов в результате воздействия фазовых переходов воды при условии промерзания-протаяваняя имеет

большое экспертенгальное подтверждение. В последнее время экспериментами было показано существование определенных взаимосвязей между условиями промерзания-протаивания, дисперсностью и минералогическим составом отложений (Кояшцев, 1974, 1977). На основании полученных материалов В.Н.Конищев сделал вывод о меньшей криогенной устойчивости кварца по сравнению с полевыми шпагами и установил ряд криогенной устойчивости минералов, что позволило сформулировать концепцию эволюции минерального вещества в криосфере (Кони-щев, 1981). Несмотря на полученные закономерности преобразования гранулометрического состава грунтов в зоне криогенеза далеко не ясным остается механизм разрушения минералов. Большая часть исследователей признает за основу механизм расклинивания частиц за счет кристаллизации воды в трещинах, другая часть считает, что наряду с этим в разрушении частиц участвует и механизм расклинивающего действия тонких водных пленок в трещинах меньшего масштаба. Автором поставлено большое число экспериментов по попеременному проыерзанию-цротадваяню различных минералов * Они показали, что диспергация кварца в ходе промерзания-протаавания активна и в случае отсутствия трещин в частицах, что говорит о том, что возможен другой механизм разрушения. Элекгронномикроскопический анализ показал, что разрушение кварца связано с присутствием в этом минерале газово-лодких включений, кристаллизацией их содержимого и ростом давления, приводящего к разрыву частиц. Возможность участия газово-жидких включений в криогенном разрушении была впервые осознана С.Тэбером, однако он имел в евду 1фупные включения (Тэбер, 1953). Исследования автора показывает, что и мелкие (менее одного мкм) включения способствуют криогенному разрушению, причем следует отметить, что при вскрытии газово-зздкие включения создают открытие полости, куда при протаивании попадает вода и кристаллизация ее приводит к дальнейшему разрушению частиц. Другими слоЕаш, га-

зово-кидкие включения, как вскрытые, гак и невскрытые, являются важнейшим фактором разрушения частиц при криогенезе.

Поверхность кварцевых частиц показывает наличие трещин, распространяющихся радиально от вскрывшейся полости, причем интенсивность развития трещин увеличивается с размером полостей, понижением температуры промерзания (в пределах до -20°) и числа циклов промерзания. Характер проявления трещин и их сочетание с полостями газово-жидких включений является весьма специфическим и использован как диагностический признак определения продуктов криолито-генеза.

Аналогичные опыты были проведены с рядом других минералов -альбитом, Лабрадором, диопсидом, роговой обманкой, хлоритом и лимонитом. Гранулометрические анализы показали, что кадцый минерал реагирует на условия по-разному: дисперсность альбита и Лабрадора изменяется незначительно, изменение дисперсности роговой обманки несколько больше, степень диспергацаи диопсида близка в аналогичных условиях к таковой у кварца. Слюды (мусковит и биотит) и хлорит показывают в ходе щжогенного преобразования минимальную диспергацию, а в ряде случаев -агрегацию; частида лимонита активно агрегируют во влажном состоянии и диспергируют в гигроскопически сухом.

Выяснено, что причина столь неоднозначного поведения определяется свойствами каядого минерала и механизмом криогенного преобразования: чем совершеннее спайность и выше упругость отдельных фрагментов минералов, тем больше их криогенная устойчивость; чем хуже спайность, больше количество и размер газово-ккдких включений в минералах, тем она меньше. Полученные закономерности хорошо объясняют ряд криогенной устойчивости, установленный В.Н.Конищевым (1981) - слюды, полевые шпаты, амфиболы, пироксена, кварц.

Агрегация частиц в ходе криогенного преобразования тесно

связана с их диспергадаей - так, преобразование хлорита определяется значительным разрушением частиц еплоть до их частичной амор-фязации, разрушения поверхности 1фисталлической решетки, высвобождением элементов и, предце всего, железа. Последний быстро гидра-тируется и образовавшиеся гидроокиси служат материалом цемента, скрепляющего частицы. Это приводит к появлению агрегатов песчаных и пнлевагых частиц гетерогенного строения.

Сделан вывод, что накопление минералов в пылеватой фракции определяется запдатной функцией пленок незамерзшей воды, толщина которых по отношению к размеру частиц резко возрастает для частиц меньшего размера.

Закономерности биогенного преобразования глинистых частиц близки к механизму преобразования первичных минералов. Каолинит, монтмориллонит и галлуазиг в ходе попеременного промерзания-прота-ивания активно диспергируются. В ходе диспергации гидрослюды происходит образование соединений железа, которые цементируют частицы, что приводит к весьма заметной агрегации. Методы рентгеноскопии, инфракрасной спектроскопии и электронной диффракции показывают, что преобразование гидрослюд, а также хлорита сопровождается разрушением кристаллической решетки и амортизацией, для других минералов этого не наблюдается.

В природных условиях криолитогенез во многом определяется. ■ физико-химическими условиями среды. Выяснено, что увеличение концентрации порового раствора (по крайней мере до 0,5 г/л) уменьшает интенсивность криогенного разрушения, что согласуется с положением о защитной роля пленок незамерзшей воды, црячем интенсивность разрушений в раду значений рН уменьшается от кислых к щелочным. Помимо этого, разрушение минералов в ходе кряогенеза бамо влияет на характер физико-химической среды - вскрытие газово-яидких включений я переход их содержимого в состав норовой влагя изменяет его

-16 -

концентрацию, состав донов я величину рН,

На основании полученных данных формулируются принципы формирования гранулометрического и минералогического состава в зоне 1фйогенеза. Они определяются ролью газово-жидких включений в процессе криогенной диспергации, неоднозначностью проявления ее для минералов с различной крисгаллохимической структурой, механизмом перерастания криогенной диспергации в агрегацию. На основе принятых принципов формируются деэ фактора криогенного преобразования - региональный, обусловленный свойствами минералов и, превде всего, кварца той или иной террягеяно-мияералогяческой провинции и климатический, зависящий от температурных условий криогипергенеза, в первую очередь, степени суровости условий промерзания.

Глава. 2. Лед в мерзлых грунтах как важнейший элемент микростроения

Б работе рассматриваются особенности микростроения двух наиболее распространенных типов внутригрунтового льда - сегрегационного и льда-цемента. Сегрегационный лед со структурной точки зрения изучался многими исследователями (Иумский, 1955; Коннова, 1957; Вгюрина, 1963; Пчелинцев , 1964; Гасанов, 1969; Шполянская, 1965; Кесткова, 1966, 1982 и др.), в гораздо меньшей степени изучен лед-цемент (Шумский, 1954, 1957; Коннова, 1961; Пчелинцев, 1964; Рогов, Заболотская, 1977; Жесгкова, 1982; Чувнлин, 1984). Однако для установления полной картины условий образования внутригрунтовых льдов имеющихся данных явно недостаточно. Автором получен большой материал по структуре указанных видое льда на основе полевых я экспериментальных исследований. Поиск диагностических микрострук-гурных критериев, которые позволяли бы однозначно оценивать условия промерзания и льдовыцеления привел к выводу, что таковой является ориентировка главных кристаллографических осей кристаллов

льда (далее просго ориентировка). Экспериментальный материал показывает, что при скорости промерзания в рыхлых грунтах 20-25 см/сутки и температуре промерзания -25° формируется горизонтальная ориентировка, при скоростях 0,03-0,1 см/сутки и температуре -I ~ - 0,5° - вертикальная; в промежуточных условиях - горизонтально-вертикальная (перекрестная). Анализ структуры льда-цемента и сегрегационного льда в широком генетическом спектре четвертичных отложений различных районов СССР показал, что эти виды льда имеют только два типа ориентировки - вертикальную и перекрестную. В соответствии с экспериментальными данншли вертикальную ориентировку следует считать характерной для более мягких условий, а для более суровых -перекрестную. Структурные характеристики кристаллов льда б Еврхне-я среднечетвертичных отложениях позволяют сделать вывод, что температурные условия их промерзания кардинально не отличались от современных. Морфология льда-цемента показывает, что он может постепенно переходить в сегрегационный, а сходство' структурных параметров в;одинаковых условиях промерзания льда-цемента и сегрегационного лада дает возможность утвергдать, что мевду этими типами льда нет качественных различий. Это позволяет использовать структурные характеристики льда-цемента для диагностики температурных условий образования мерзлых толщ, не имеющих включений сегрегационного льда и, следовательно, не поддающихся мерзлогно-фациальному анализу.

Указанные структурные зависимости сегрегационного льда позволили обосновать критерии "отличия сегрегационного льда от льдов иного генезиса и подтвердить сегрегационную гипотезу происхождения ледо-грунговых жил.

Глава 3 я 4. Незамерзшая вода я. новообразования как компоненты микросгроення мерзлых толщ

Б работе приводятся результаты морфологического изучения распределения незамерзшей воды в мерзлых грунтах. На основе изучения йриконтактового льда-цемента в замороженных суспензиях показана существенно большая гол^щияа пленок незамерзшей воды на полевом шпаге по сравнению с кварцем. Анализ распределения пленок воды в льдистых алевритах показал их приуроченность к включениям органики и агрегатов с органикой и по его результатам сделан вывод о неравномерности распределения незамерзшей воды в этих отложениях.

Новообразования в мерзлых грунтах занимают весьма малый объем, но имеют важное диагностическое значение. До недавнего времени существовало мнение о подавленности аутигенного минералообразова-ния (за исключением льда, который считается согласно теории крио-лигогенеза главным аугдгвнным минералом) в мерзлых толщах, но в последнее время работами Х.Зигерг (1978, 1981, 1985) показано активное развитие этого процесса и его специфика. В работе рассмотрен микросгруктурный аспект аутигенеза и форм его проявления в мерзлых грунтах различных регионов. Показано преимущественное развитие одной группы минералов (карбонаты, сульфаты, хлориды) внутри включений лада, другой (преимущественно гидроокиси и сульфиды Ре и Ми), на контакте льда с агрегатами скелета. Первая из них образуется при криогенной мегаморфизация поровых растворов, вторая - связана с процессами криогенного преобразования минералов. Распределение новообразований минералов на контакте со льдом позволяет сделать вывод о том, что включения льда,особенно сегрегационного, выступают в роли своеобразного геохимического барьера, где происходит резкое изменение физико-химических параметров среды и, как следствие, формирование новообразований аутигенных минералов.

- 19 -

ЧАСТЬ П

ФОНДИРОВАНИЕ МИКРОСТРОЕНИЯ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ

Глава 5о Особенности структурообразующих процессов в промерзаюнщх и мерзлых грунтах

Анализ проблемы микростроения мерзлых грунтов невозможен без изучения основных закономерностей структурообразования рыхлых отложений. Эти законы основываются на принципах теории структурообразования коллоидных и дисперсных систем, к которым можно с. некоторыми допущениями отнести и дисперсные грунты (Ефремов, 1971). В литературе она носит название теорйи ДЛФО и.основные положения ее были разработаны трудами Б.В;Дерягина, Л.Д.Ландау, Е.Фервейя и ДЛвербека. Большое значение для ее развития имели работы П.А.Ре-биндера (1958, 1966, 1968); в последнее время теория структурообразования дисперсных и коллоидных систем успешно применена и развита для глинистых грунтов В^И.Осиповны (1979) и В.Н.Соколовым (1988). В настоящее время установлен ряд общих зависимостей структурообразования на начальной стадии формирования осадка и рассмотрены фазы этого процесса, заключающиеся в дегидратации, физико-химическом и гравитационном уплотнении, выветривании, дифференциации и переотложении. Указанные закономерности для микростроения -мерзлых грунтов определяют домерзлотный этап развития. Отмечено, что наиболее ответственной является стадия седиментогенеза, так как на этой стадии закладывается тип микростроения исходного осадка, что в значительной мере влияет на последующую трансформацию, в ходе литогенеза, которая, в свою очередь, зависит от состава грунтов и физико-химических условий структурообразования. Выявленные закономерности структурообразования домерзлотного этапа являются определяющими в формировании микроструктуры скелета эпикриогенных

мерзлых толщ.

Установлено, что формирование микростроенид мерзлых грунтов определяется комплексным влиянием различных факторов структурооб-разования, связанных с генезисом отложений и условиями промерзания. Фактор гранулометрического состава является'одним из главных, так как определяет величину и тип льдовыделения; кроме этого, с увеличением дисперсности растет степень взаимосвязи частиц друг с другом, что определяет морфологию агрегатов и интенсивность их образования. Минералогический состав определяет форму и размер частиц, а, следовательно, и пор, влияет на характер миграций влаги и льдоввделенив, особенности размеров,формы и распределения агрегатов. Влажность первоначального осадка на микростроение грунтов в мерзлом состоянии начинает оказывать влияние с определенного предела (для пылеватых грунтов с вланности предела раскатывания) и выражается в росте включений льда и агрегатов скелета;-при превышении влажности порогового значения (для тех лее грунтов - влажность верхнего предела пластичности) размеры агрегатов уменьшаются, а размер включений льда продолжает расти. При этом тип льда-иемента изменяется от контактного и пленочного до базального. Влияние физико-химической среды на микростроение мерзлых грунтов также неоднозначно: засоление грунтов при малых концентрациях ведет к дис-пергации грунта и разрушению микроагрегатов, при дальнейшем возрастании концентрации, напротив, агрегация усиливается за счет цементации частиц.выпавшими из раствора солями. Кроме того, струк-турообразование в условиях слабого засоления ведет к образованию более рыхлой структуры скелета по сравнению с условиями, где оно отсутствует, Наиболее важными факторами структурообразования мерзлых грунтов являются температура и скорость промерзания. Этот фактор определяет преобладание того или иного типа внутригрунтового

льда (льда-цемента для сегрегационного) и параметры его структуры, а также размеры структурных элементов, степень их ориентации а плотности. Большое влияние на характер микростроения мерзлнх толщ играют таите наличге органического компонента и характер первичного сложения.

В криолигологяческой лятератзфе до недавнего ьремепл рассматривались лишь отдельные закономерности структурообразоваяия и только в последнее время работами Э.Д.ЕршоЕа (1979, 1386), Е.М.Чу-вияина (1984), О.М.ЯзыниНа (1986) и Ю.П.Лебеденко (1988) качатн комплексные экспериментальные исследования структурообразующих процессов в промерзающих, мерзлых и оттаивающих грунтах. Эти исследования показали, что промерзание дисперсных отложений сопровождается развитием сложных я г.шогообразяих геплоишзическдх, физико-химических я физяко-механяческлх процессов. Среди них определяющими являются миграция влаги, ее фазовые переходы, процессы усадки - набухания, усадки-растрескивания, агрегации я коагуляции, осаждения коллоидов и растворенных солей. Автором рассмотрены закономерности структурообразующих процессов применительно к природным объектам - мерзлым толщам различного генезиса я возраста. На основания работ Э.Д.Ершова я О.И.Язккина, выделивших зоны струк-турообразованяя применительно к мерзлым толщам, ввделяются немерзлая, промерзающая и мерзлая стадия структурообразования. На первой из лях закладывавтся образование структурно обусловленных "каналов" - путей миграция влаги, происходит переориентировка частиц пластинчатой формы в направлении миграция я перенос тонкодяс-персных частиц с мигрирующей влагой. Степень переориентировки уменьшается с увеличением количества изометричных частиц; с ростом влажности отложений она сначала растет (до верхнего предела пластичности), а потом падает. Опираясь на данные энспериментов О.М. Языняна, делается вывод, что микроагрегатный состав мерзлых грун-

тов закладывается па стадия немерзлого состояния при их обезвоживании и осадцеяии глинистых частиц на поверхности песчано-пылева-гых. Это наиболее характерно дам сильяообводненных грунтов, например, льдистых алевритов Колымской низменности.

Стадия промерзания, характеризующаяся возникновением кристаллов льда в толще грунта,качественно меняет их микростроение. Формирование включений льда приводит к появлению нового компонента микростроения, который начинает играть ведущую роль. В зависимости от условий промерзания кристаллизация влаги приводит к появлению внутригрунтового льда с определенными размерами, формой и ориентировкой его кристаллов. Растущие кристаллы льда приводят к перемещению частиц скелета, их перегруппировке, образованию скоплений различной формы и комцрессионному уплотнению агрегатов. На промерзающей стадии также происходит перестройка льда-цемента в сегрегационный с соответствующими структурными характеристиками и уплотнение грунта в направлении промерзания. При этом формируются поры упяо щ енной формы и зона уплотнения на контакте со шлирами сегрегационного льда, проявляются формы микропучения. Стадия промерзания характеризуется дальнейшим уплотнением агрегатов, вымерзанием, не замерзшей воды, выпадением коллоидов и растворенных солей в осадок л, в результате^ образованяемаутигенных минералов.

Согласно современным цредставлениям свойства дисперсных грунтов определяются не столько особенностями их элементарных структурных элементов, сколько характером взаимодействия их между со-~бой. Конкретным выражением взаимодействия элементов грунта служат структурные связи, которые являются важнейшим элементом микросгро-ения дисперсных грунтов (Сергеев, 1978, 1980; Осипов, 1979; Соколов, 1988). Комплекс структурных связей в мерзлых грунтах из-за присутствия в них включений лада шире, чем в неыерзлых. В иерз-

лых грунтах предслагавгея ввделять несколько гидов связей -скелетные, существовавшие между частицами скелета до промерзания и биогенные, формирующиеся в грунтах под воздействием промерзания. Скеле-гные связи включают в себя комплекс молекулярных, иоя-ноэлектросгатяческих, капиллярных, магнитных я др.связей, характерных для рыхлых немерзлых отложений, криогенные, в свою очередь, подразделяются на льдоцемеягадиояные, обусловленные смерзанием частиц скелета с включениями льда я хфяокоясолддационные, возникающие в грунтах в результате однократного или многократного воздействия криогенных процессов. Предлагается метод их определения (разработка совместно с В.В.Врачевым). Выяснено, что формирование структурных связей имеет два аспекта» С одной стороны, эти сеязи обладают определенной прочностью, формирующей прочностные и реологические свойства мерзлых грунтов, что крайне важно для решения инженерных вопросов. С другой стороны, они обладают определенным пространственным расположением, что является важным диагностическим показателем генезиса отложений и фактором, определяющим расположение включений льда в мерзлых грунтах.

Глава 7. Характеристика микростроеяия различных криолитологических типов мерзлых толщ

Как известно, крлолигогенез проявляется (Попов, 1967, 1985) 'в одних случаях в качестве процесса криогенного диагенеза, в других в качестве процесса криогенного выветривания. Вместе с этим формирование мерзлых толщ, согласно закону зонального проявления крио-ллтогеяеза, может идти по эпигенетическому (эпивриогенному) или сингенетическому (сянкриогенному) пути развития. Формирование мяк-росгроеядя мерзлых толщ, как одно из составляющих 1фяолигогенеза, неизбежно происходят согласно законам, присущим тому или иному кряолятологяческому гяпу образования, поэтому представляется ная-

более целесообразным дать характеристику макрос трое идя мерзлых толщ в рамках эпи- и синкриогенного типов развития, отдельно выделив анализ продуктов криогяпергеяеза, как наиболее сложных и интересных объектов с точки зрения их микростроения.

В качестве примера эпикриогенных мерзлых толщ рассмотрены отложения ледово-морских толщ Западной Сибири и Северо-Востока Европейской части СССР и ленточных глин района г.Игарки. Ледово-морские отло;кения изучались по образцам валунных суглинков рогов-ской свиты ("серая толща"), взятых из керна скважины в районе г.Воркуты и салехардской свиты, взятых из скважины, пробуренной в районе пос.Харасавей (п-в Ямал)55. Указанные отложения имеют матричный тип (по В.И.Осипову) микроструктуры скелета. Характер отдельных элементов скелета - форма и поверхность частиц песчано-пылеватой фракции, наличие диагенегических трещин, присутствие не-переотложенной микрофауны, отсутствие растительных остатков, преобладание среди аутигенных образований хлоридов и карбонатоЕ, а также рыхлое строение скелета по типу "книжного домика", характерное для осадков слабозасоленных водоемов, наличие кососегчатых и наклонных микротексгур сегрегационного льда, отсутствие следов крио-генеза в облике частиц и криогенной дифференциации в микроструктуре скелета дают мдкроструктурные аргументы, подтверждающие точку зрения ледово-морского генезиса валунных суглинков указанных районов и не согласуются с высказанными положениями о их изначально мерзлом состоянии и моренном генезисе. Влияние эпигенетического промерзания в Еалунных суглинках проявилось в образования порфирового лвда-цеменга и микро- и макровкдючений сегрегационного льда е виде линзочек и шлифов и в появлении зоны уплотнения тонкодис-

Анализ микростроения проведен'совместно с Е.М.Чувялиным.

- 25 -

персного материала скелета вокруг включений льда-цемента.

Анализ микростроеяия ленточных глин Игарки по образцам, взятых в подземелье ИНИМС показал, что они обладают ламинарной микроструктурой скелета, ритмичным чередованием прослоев сегрегационного льда, малым количеством и обособленностью включений льда-цемента, значительной пористостью, наличием "каналов" миграции влаги, включений аутигенных гццрокарбонатов. Это позволяет сделать вывод о формировании ленточных глин в условиях пресного водоема с последующим промерзанием в условиях интенсивной миграции влаги.

Анализ эпикриогенянх толщ на примере валунных суглинков и ленточных глин показывает, что микростроенде толщ эпикриогенного типа формируется в значительной степени (особенно микроструктуры скелета) до промерзания за счет процессов домерзлотного диагенеза. Промерзание этих отложений отражается в микростровняи в появлении ледяных включений согласно унаследованной микроструктуре скелета и в незначительном по размерам уплотнении грунта на контакте с включениями льда.

Метростроение синкряогенных толщ изучалось на примере средне-верхнечетвертичннх льдистых алевритов, современных аласннх и пойменных отложений по образцам, отобранных в скважинах и обнажениях Колымской низменности. Наибольшим интересом среди криолитологов из оинкриогенных мерзлых толщ пользуется толща лвдистых алевритов, распространенная на Приморской низменности Северо-Востока СССР, мощностью до 40-50 м, содержащая полигонально-жильные льды и часто называемая "едомой", "едомной" толщей, "едомной" свитой (Архангелов 1977, Втюрин, 1975, Гасанов, 1981; Гравис, 1969; Зимов, 1981; Кап-лина, 1981; Ка-тасонов, 1954, 1958; Конищев, 1970; Роэенбаум, 1973; Романовский, 1958; Соломами, 1974; Томирдиаро, 1980; и др.). Микростроенле льдистых алевритов едомной толщи подтверждает точку зрения многих исследователей о их диалогическом разнообразии. В

диалогическом отношении выделяются две разновидности описываемых отложений - "коричневые алевриты" (Архангелов и др., 1982) я "темно-серые" алевриты (Попов, 1983). Коричневые алевриты отмечаются слабой агрегированносгью,преобладанием в скелете частиц песчано-пылеватой фракции с явно аллювиальными признаками поверхности, преобладанием базального лэда-цемента, перекрестной ориентировкой кристаллов льда-цемента и сегрегационного льда. Микростроение темно-серых алевритов намного сложнее. Песчано-пылеватые частицы имеют на поверхности элементы аллювиального происхождения, следы активного внутрипочвеиного выветривания и признаки активного криогенного воздействия. Агрегаты скелета разнообразны по размерам и форме, цементирующим материалом в них служат гидроокиси железа и органика. Скелет льдистых алевритов отличается заметной дифференциацией частиц - ццольшлировой, кольцевой, в виде бесформенных скоплений и наличием своеобразных по составу (в основном гидроокиси и сульфиды железа) и по форме (пленки, сгустки, микроконкреции) новообразований. Анализ микростроения льдистых алевритов едомной свиты позволяет ввделить также еще одну разновидность гемносерых алевритов, скелет которых представлен слабо- и неокатанными зернами, поверхность которых имеет грубый рельеф со сколами, малым количеством органики, базальяым льдом-цементом и наличием ледо-грунтовых жил.

Микростроение современных пойменных отложений во многом сходно с микросгроением алеЕритов едомной толщи, отличие состоит в наличии характерной микрослоистосги и вертикальной ориентировке кристаллов лвда. Микростроение аласных отложений более разнообразно: структурные характеристики фации мелководных аласных отложений весьма сходны с темносерыми алевритами едомной свиты, фация же озерных, относительно более глубоководных отложений менее агрегирована, имеет более рыхлую-структуру, близкую к типу "карточного

дошка", характерную .для бассейновых осадков и косослоистую, ломаную и кососетчатую криогенную текстуру, близкую к микротекстуре в эпякряогенных мерзлых толщах.

Выяснено, что криоэлювиалъные образования, изучавшиеся по образцам покровных суглинков Большеземельской тувдры в районе г.Воркуты,имеют васьгла оригинальное микростроение, отличающее их от других типов мерзлых толщ. Оно характеризуется четким проявлением криогенных признаков формы и поверхности частиц скелета песчано-пылевагой фракция, выражающееся в наличия сколов я радиальных трещин, связанных с полостями газово-аддких включений, а так::;е широким развитием кольцевой, сгустковой я вдольшляровой дифференциации частиц, причем как песчано-пылеватых, так я глинистых. К

другим характерным особенностям криоэлювиальных образований следует отнести мищю- и макроагрегаты грунта компрессионного генезиса в горизонте базального льда-цемента.

Исследования различных по генезису и условиям промерзания мерзлых толщ позволял установить закономерности формирования их микростроения и сформулировать диагностические принципы их анализа. Установлено, что микростроение эпигенетических мерзлых толщ определяется преимущественно стадией седиментогенеза; па стадии промерзания закладывается распределение включений льда-цемента и сегрегационного льда, причем формирующиеся ледяные включения приспосабливаются к микроструктуре скелета. Ее изменение выражается лииь в образовании уплотненной пряконтактовой зоны вокруг включений льда. Анализ микростроения толщи валунных суглинков севера Западной Сибири позволяет утверэдатъ, что они образовались в условяях слабо-засоленного водоема морского или лагунного генезиса и стадия седиментогенеза и промерзание разделены довольно большим промежутком времени диагенеза в немерзлом состоянии.

Анализ микростроения сингенетических мерзлых толщ позволяет

утверждать, что формирование их микроструктуры и микротекстуры идет под интенсивным воздействием процессов криогенного характера. Они включают в себя изменение гранулометрического состава скелета, проявляющееся в диспергации и преобразовании песчано-пылеватых частиц и агрегации их фрагментов согласно предложенному механизму криогенного преобразования минералов в зоне активных фазовых переходов. Другая сторона преобразования заключается в пространственной переориентации и дифференциации частиц скелета под воздействием периодического ледообразования. Преобразоваше продолжается и в период перехода в вечномврзлое состояние, что приводит к образованию уплотненных агрегатов. На основании проведенных исследований делается вывод о том, что сгрукгурообразование сшцфиогенных толщ идет практически полностью под влиянием криолитогенеза и что их ыикростроение закладывается на стадии криолитогенеза в период нахождения осадка в слое сезонного промерзания-проталвания и перехода в вечномврзлое состояние. На основании мищюсгруктурных данных не подтверждается тезис об однообразии и монотонности льдистых алевритов едомной толщи (Томирдиаро, 1980) я делается вывод о их полифациальности; при этом анализ мякросгроеяия позволяет выделить разновидности близкие к аллювиальным, аласным и склоновым отложениям. Микроструктурные данные по включениям льда позволяют заключить, что формирование едомных алевритов и переход в вечномврзлое состояние происходило в климатической обстановке не отличающейся крайней суровостью по сравнению с современной.

Микроструктурный анализ криоэлюЕиальных образований дает основание сделать вывод о примате процессов криогипергенеза в их формировании, о их покровном залегании и связи с подстилающими материнскими породами. Определены микроструктурные диагностические критерии криогипергенеза в рыхлых отложениях.

Глава 8. Взаимосвязь мякросгроения я криогенных текстур мерзлых

грунтов

Изучение мякросгроения мерзлых грунтов имеет не только самостоятельный интерес; неизбежно встает вопрос о его взаимосвязи с макростроеняем я, особенно, с криогенными текстурами. Формирование криогенных текстур в мерзлых грунтах связывается как с условиями промерзания, гак я со свойствами я строением самих грунтов (Бесков, 1935; Тэбер, 1945; Шумскяй, 1955; Пчелянцзв, 1969; Втюрян, Вгюряна, 1970; Ершов, 1979; Бзсткова, 1982 я др.). В работе показано, что между формой л распределением включений сегрегационного льда и характером микроструктуры (точнее, по В. II. Осипову," структурным могяеом") существует генетическая связь. В работе проведено сопоставление микроструктур и криогенных макротекстур различных по генезису и возрасту отложений - ламинарный "мотив" я горизонтально-слоистая текст:/ра ленточных глин, матричный и сетчатая - аллювиальных отложений, "мотив" "книжного домика" я кососегчатая валунных суглинков, турбулентный я линзовядно-плесвкчатая у озерных отложений. Сделан вывод о том, что "структурный ыогяе", образуемый пространственным распределением песчаио-пнлеватых часгяц скелета и связей между ними, проявляющихся в виде глинисик "мостиков", определяют направления зарождения кристаллов льда, которые при образовании шлиров сегрегационного льда дают тот яля иной рисунок криогенной текстуры. Мощность я частота формирующихся пря этом млиров будет зависеть от влажности грунтов, гяпа промерзающей системы (открытая яля закрытая) я температурных условий промерзания. Проведенные исследования развивают представления Э.Д.Ершова о природе физико-механического условия возникновения криогенных текстур и раскрывают генетическую сущность классификации криогенных текстур А.И.Попова. Делается вывод, что криогенное тексгурообразованяе наряду с термодинамическими условиями определяется прочностью и

- 30 -

геометрией структурных связей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученный материал л результаты работы позволяют констатировать, что изучение микростроения мерзлых грунтов сформировалось как новое, оригинальное направление в криолитологии. Значение исследований состоит предав всего в диагностике условий образования я диагенеза отложений в их домерзлотной истории, условий их промерзания, криодиагенеза и криогипергенеза. Основные полученные результаты заключаются в следующем:

I. Полученные экспериментальные данные позволяют сделать вывод о неоднозначном поведении различных минералов в ходе криогенного выветривания. Автором на новом материале подтверждено положение о меньшей стабильности кварца в зоне криогенеза по сравнению с полевыми шпатами. Проведенные эксперименты позволяют утверждать, что в основе криогенного разрушения лежит расклинивающий эффект при замерзании воды и растворов в полостях газово-жидких включений минералов. Интенсивность криогенного выветривания определяется условиями промерзания, крисгалло-химическими свойствами минералов, размером,- количеством и распределением газово-жвдких включений в них. В связи с предложенным механизмом криогенного преобразования минералов обосновываются региональный и климатический факторы криогипергенеза - обусловленные свойствами минералов, и, прежде всего, кварца в данной терригенно-мияералогической провинции и температурными условиями' криогипергенеза я ¿первую очередь/степени суровости климата. Указанные особенности процесса позволили обосновать метод диагностирования продуктов криогенного выветривания, который определяется выявлением специфической морфологии частиц кварца песчаной фракции, выражающейся-во взаимосвязи трещин с пустотами газово-жидких включений.

- 31 -

2. Преобразование тонкодясперсной (глинистой) части скелета мерзлых грунтов в ходе криогенного выветривания происходит по схеме, аналогичной разрушению первичных минералов. Циклическое про-мерзаяие-протаивание приводит к дяспергации.глинистых частиц за счет льдообразования в глинистых агрегатах и микроблоках. Интенсивная диспергация отмечается .для минералов групп каолинита и монтмориллонита, но при этом их кристаллографическая структура не меняется; диспергация же смешаннослойннх, гидрослюд и хлорита приводит к разрушению их кристаллографической решетки, аморфязации и, в конечном счете, к агрегации.

3. Исследованиями установлено, что агрегация частиц в процессе криогенного выветривания, во-многом, обусловлена ходом их ■ дяспергации, в результате которой в минералах, содержащих железо, происходит разрушение их кристаллической решетки, освобоздеиие этого элемента, его окисление, гидратация я образование в итоге гидроокисей железа, служащих материалом, скрепляющим частицы скелета. Исходя из схемы процесса диспергация - агрегации в грунтах предложен механизм агрегатообразования, обусловленный, во-первых, цементацией частиц скелета гидроокисями железа при циклическом промерзанип-протаиваняя и, во-вторых, цементацией выпавшими из раствора солями при однократном промерзании.

4» Интенсивность проявления криогенного преобразования минералов зависит в значительной степени от фязяко-химическях условий среды: повышение минерализации порового раствора, а также отклонение рН среды от нейтральных значений, уменьшает степень диспергация дисперсных частиц. Это объясняется увеличением толщины пленок незамерзшей воды, играющей, согласно В.Н.Конищеву (1972, 1981) защитную роль в ходе дяспергации вещества при циклическом промерзании-протаяваняи.

5. В работе определены структурные крягеряя выделения сегре-

гационного льда и льда-цемента в мерзлых грунтах. Мякроструктурный анализ процесса промерзания дисперсных грунтов показывает генетическую связь этих двух типов внутригрунгового конкеляционного льда. Выявлена количественная связь мезду влажностью и типом льда-цемента. Выяснено, что из микросгруктурных характеристик этих видов льда наибольшей информативностью обладает ориентировка главных кристаллографических осей кристаллов льда; при этом выделены три типа ориентировки в зависимости от скорости промерзания. Наибольшим распространением пользуется перекрестная ориентировка кристаллов сегрегационного льда, что позволяет отличать этот тип внутрягрунтового льда от льдов иного генезиса. Определение температурных типов ориентировки кристаллов льда позволило подтвердить гипотезу о сегрегационном генезисе ледогрунтовнх жил.

6. Анализ экспериментального и аналитического материала показывает, что формирование микростроеняя мерзлых грунтов определяется законами сгрукгурообразования дисперсных немерзлых отложений и в значительной мере степени усложняется процессами,происходящими при промерзании. Формирование микростроеняя зависит от ряда факторов, определяемых составом, характером микростроения отложения до промерзания, влажностью и теплофизическими условиями промерзания и проходит через определенные стадии.

7. Установленные типы микростроеняя мерзлых толщ следуют классификационным рамкам типов криолитогенеза. Эпикриогенный тип млкросгроедия мерзлых толщ характеризуется минимальным проявлением криогенных структурообразующих факторов, выражающемся в сохранении основных черт микростроеняя немерзлых отложений. При этом происходит приспособление льдообразования к унаследованной микроструктуре скелета и лишь незначительное ее изменение, выражающееся в уплотнении и переориентации дисперсной массы вблизи ледяных включений и выпадением солей из пороЕого раствора. Синкрдогенный тип развития

мякростроеняч мерзлых толщ характеризуется формированием избыточного льдовнделения и сложного взаимообусловленного влияния льдообразования на состав и микроструктуру первоначального осадка. Синкриогенные толщи характеризуются особой морфологией частиц скелета и их распределением, определенным набором аутягенных минералов и новообразований. Микростроение этих толщ отличается значительной льдистостью, разобщенностью частиц скелета, их кольцевой и вдолыцляровой дифференциацией. Наибольшее проявление криогенных процессов в структурообразованяя проявляется в покровных лессовидных образованиях - продуктах криогенного внЕегрявания. В них наиболее четко наблюдаются преобразование состава я сгроеняя скелета я выделяются формы мищюсгроенля, обязанные кряогипергенезу, что подтвервдается экспериментами.

Получена данные, дополняющие гипотезу о ледово-морском генезисе валунных суглиякоЕ севера Западной Сибири. Подтверждены вы-еодп о гетерогенном строении алевритов едомной свиты Колымской свиты, установлено отсутствие признаков их эолового генезиса, определены рамки условий промерзания этих отложений л доказано большое влияние криогипергенеза на их состав и строение. Комплекс микрострукгурных характеристик этих отложении позволяет выделять разновидности, близкие к аллювиальным, аласным я склоновым отложениям. Анализ покровных образований Большеземельской тундры подтверждает представления о их кряоэлювяальном происхождении, покровном залегании и связи с подстилающим субстратом.

8. Ыерзлые грунты обладают широким комплексом структурных связей, среди которых вцделяются скелетные, кряоконсолядацяонные, л льдопеменгныв. Наибольшее значение в формирования микростроеняя мерзлых грунтов играют скелетные л кряокоисолддационяые связи, причем ваяла не только величина их СБязей, но и распределение их в пространстве. При отсутствии связей мелду частицами скелета или

при величине их прочности, превышающей напряжения разрыва сплошности массива грунта, образуется лед-цемент и массивная криогенная текстура, при промежуточных значениях ее формируется шлиро-вая криогенная текстура. Определена генетическая связь между типом макроструктуры рыхлых грунтов до промерзания (по Осипову В.Я.) и характером образующихся при промерзании шлировых криогенных текстур сегрегационного генезиса.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. О методике изучения микростроения мерзлых пород в шлифах// Тез.докладов Всес.совещания по мерзлотоведению. М., Изд-во МГУ, 1970, с. 85-86

2. Изучение вдкростроения мерзлых пород при инженерно-геологических исследованиях/^ Тез.докладов Всес.совещания по. мерзлотоведению. М. Изд-во МГУ, 1970, с. 264-265 (совместно с В.Н.Конищевым)

3. К методике изучения микростроенш мерзлых пород*/ Вестник Моек.ун-та. Сер. 5. География, 1971, № 4, с. 98-100

4. Применение метода травления для изучения структуры льда в мерзлых грунтах/^ Вестник Моск.ун-та. Сер; 5; География, 1972,

№ 3, с. 101-102

5. Микростроение грунтов, испытавших многократное замораживание 'И оттаивание/ В кн.: Проблемы криолитологии, вып. 2. М., Изд-во МГУ, 1972, с. 80-95 (совместно с В.Н.Конищевым)

6. Механизмы процесса сублимации при его взаимодействии с воздушной средой// В кн.:. Мерзлотные исследования, вып. ХШ, М., Изд-во МГУ, 1973, с. 162-166 (совместно с Б.Н.Достоваловым,

Э.Д.Ершовым, В.В»Гуровым)

7. Отражение криогенных явлений в микростроении: четвертичных отложений// В кн.: Микроморфология почв и ршшх отложений. М., Изд-во Наука, 1973, с. 61-67 (совместно с В.Н.Конищевым, М.А.Фаус-■говой)

8. Влияние криогенных процессов на глинистые минералы// Вестник Моек .ун-та. Сер.5. География, 1974, № 4, с. 40—4^ (совместно с. В.Н.Конищевым, Г.Н.Щуриной)

9. Микростроение мерзлых глинистых пород при их охлаждении от -5° до -50° (по данным электронной микроскопии)// Вестник Моск.ун-та Сер. 4, Геология, 1975, ,№ 6, с. 106-108 (совместно с Е.П.Шушериной, М.И.'Заболотской)

10. Влияние попеременного промерзания-оттаивания на первичные минералы// В кн.: Проблемы криолитологии, вып. 5, М;, Изд-во МГУ, 1976, с. 50-60 (совместно с В.Н.Коншцевым, Г.Н.Щуриной)

11. Микроморфология криогенных почв и грунтов/йочвоведение. М„, Изд-во АН СССР, 1977, № 2, с.П&-125 (совместно с В.Н.Конищевым)

12. Морозное иссушение как метод исследования природы прочности мерзлых глинистых грунтов/В кн.: Мерзлотные исследования, вып. ХУ1, М., Изд-во МГУ, с.230-235, 1977 (совместно с В.В.Врачевым)

13. К методике исследований сегрегационного льда и льда-цемента/ В кн.: Мерзлотные исследования, вып. ХУ1, М., Изд-во МГУ, 1977, с. 152-158 (совместно с Т;Н.Жестковой, М.И.Заболотской)

14. О роли составляющих мерзлых глинистых грунтов в формировании прочности при различных температурах/ Ш Меадунар.конф. по мерзлотоведению, Канада, Эдмонтон, 1978, с,81-85.(совместно с Е.П.Шушериной, Р.В.Максимяк, М.И.Заболотской)-

15. Микростроение мерзлых пород со льдом-цементом/В кн.-: Проблемы криолитологии, вып. 7, М., Изд-во МГУ, 1978, с. 165-178 (совместно с М.И.Заболотской)

- 36 -

16. Микростроение мерзлых пород// В кн.: Общее мерзлотоведение. Докл.сов.ученых « Ш Междунар.конф. по мерзлотоведению. М., Наука, 1978, с. 95-97

17. О ыерзлогно-фациальном отроении едомной толщи Дуванного яра Колымской низменности// В кн.: Проблемы криолитологии, вып. 8, М., Изд-во МГУ, 1979, с. 145-157 (совместно с А.А.Архангеловым, А.В.Льянос-Масом)

18. Криогенное строение мерзлых пород/ М., Изд-во МГУ, 1980, с. 134 (совместно с Т.Н.Жестковой, М.И.Заболотской)

19. Структура полигонально-жильного льда как показатель возрастав 3 кн„: Проблемы криолитологии, вып. 9, М., Изд-во МГУ, 1981, с. 57-69

20. Научные основы и методы исследования микростроения мерзлых пород// Тез.докладов к междуведомственному совещанию 'Теокриологи-ческий прогноз в осваиваемых районах Крайнего Севера. М;, Изд-во МГУ, 1982, с. I5I-I52

21. Изучение механизма деформирования и разрушения мерзлых глинистых грунтов в области температур, близких к О0// В кн;: Мерзлотные исследования, вып.- XX. М., Изд-во МГУ, 1982, с. 136-152 (совместно с Е;П.Шушериной, А.А.Каровым, Л.В.Й.тльяновои)

22. Поверхность частиц кварца как показатель криогенного выветривания// В кн.£ Проблемы криолитологии, вып. 10, М., Изд-во МГУ, 1982, с. 68-75

23. О физических свойствах полигонально-жильного льда Колымской низмениости/ В KHv: Проблемы -криолитологии, вып.10. М.,Изд~е МГУ, 1982, с.113-123 (совместно'с А.А.Архангеловым, Д.В.Михалевым)

24. Некоторые данные о физико-механических свойствах полигонально-жильного льда и мерзлых пород района оз. Малый Олер Колым-çkoiÏ низменности// В кн.:. Проблемы криолитологии, вып. 10, М., Изд-во МГУ, 1982, с.123-131

- 37 -

25. Новые методы исследования состава, строения и свойств мерзлых грунтов/ под ред. Э.Д.Гречщева и Э„Д.Ершова. М. Изд-во Недра, 1983, гл. 22, 23, с. 60-72

26. Исследование основных факторов и механизма криогенного преобразования минералов/УВ кн.: Проблемы геокриологии. М., Изд-во Наука, 1983, с.152-158 (совместно с В.Н.Конишевым, С.Ф.Колесниковкм)

27. Особенности состава и строения криогенных почв и покровных образований Большеземельской тундры//В кн.: Проблемы почвенного криогенеза. Сыктывкар, 1985, с. 29-30 (совместно с В.Н.Конишевнм, Н.Д.Артемовой)

28. Верхнеплейстоценовый этап криолитогенеза на восточной окраине севера Западной Сибири//В кн.: Развитие криолитозоны Евразии в верхнем кайнозое. М., Изд-ео Наука, 1985, с. 52-67 (совместно с Т.П.Кузнешвой, Н.А.Шполянской)

29. Микростроение мерзлых пород.// В кн: Лабораторные методы исследования мерзлых пород. Гл. 3.2, ГЛ., Изд-во МГУ, 1985,348с.

30. Методы криолитологических исследований/ Часть П, М., Изд-во МГУ, 1985, 114 с.

31. Способ определения длительной прочности мерзлых глинистых грунтов. А. с. JS 125044I от 1.У1.1986 г. (совместно с В.В.Вра-чевым). СССР. 4 с.ил.

32. Роль газово-ждцких включений в механизме криогенного разрушения// Вестник Моск. ун-та. Сер. 5, География, № 3, 1987, с. 81-85

33. Микростроение мерзлых пород/ под ред. Э.Д.Ершова, М., Изд-во МГУ, 200 с. (Гл. П.1, 1У.1, УП.2, УШ; совместно С Е.МЛувилиным, П.С.Даиько)

54.Cryogenic processes as reflected in ground microstructure// Biuletin Periglacialny.N 22.Lodz,1973.p.213-219.(in coop.V.N. Konischev.M.A.Faustova).

35.Microstructure of ground that experienced repeteated freezing and thowing.//Draft Translation,4-33.CREEL. 1974.p.4-7-59 (in coop.V.N.Konischev).

36.The cryogenic evolution of matter (am experimental model)// Permafrost,it Intern. Conf. on perznafrost.Washington.1983.p.S56-659.(in coop.V.N.Konischev).

37.Investigation of the main factors and the mechanism of the cryogenic transformation of minerals//Permafrost,it Intern.Conf. on permafrost.Pinal proceedings .Vfashington.1984.p.317-320.(in coop.V.N.Konischev,S.F.Kolesnikov).

38.Physical-chemical types of cryogenesis//Permafrost,V Intern. Conf.on permafrost.Trondheim.1988.p.381-384.(in coop.V.N.Konischev, S.A.Poklormyi).