Мёрзлые – морозные, талые – немёрзлые: такие разные арктические грунты

Сегодня мы хотели бы немного поговорить о терминологии, которая очевидна и понятна всем, кто изучает криосферу Земли, но может запутать человека, далёкого от геокриологии. Большинство людей привыкли (и на первый взгляд это кажется очевидным), что горные породы, существующие при температурах ниже нуля, должны быть мёрзлыми, а выше нуля – талыми, и различаются эти породы между собой прежде всего тем, что в мёрзлых породах вода присутствует в виде твёрдой фазы – льда. Поэтому, когда в обыденном разговоре речь случайно заходит о горных породах, имеющих отрицательную температуру, то обычно употребляется привычный термин «мёрзлые». Однако часто упускается из виду, что не все горные породы с отрицательной температурой корректно так называть. Для части из них применяют специальные научные термины - «морозные» и «охлаждённые», при этом все они являются составными частями криолитозоны.

Криолитозона — верхний слой земной коры, характеризующийся температурой пород ниже 0^оС и возможностью существования в горных породах различных включений льда.

Так в чём же состоит различие между мёрзлыми, морозными и охлаждёнными породами? Прежде всего в наличии или отсутствии важного породообразующего минерала – льда. Попробуем разобраться в этих терминах.

Итак, первая в нашем списке – мёрзлая горная порода. Она имеет отрицательную температуру и содержит в своём составе лёд.

В отличие от неё, морозная порода, также имеющая отрицательную температуру, лёд в своём составе не содержит. Обычно в природе это монолитные скальные породы, но в тоже время к морозным породам в широком смысле можно отнести и «сухие» дисперсные породы (преимущественное грубообломочные и песчаные), которые не сцементированы льдом. Интересно, что свойства морозных пород практически не меняются при переходах через 0^оС в ту и другую сторону. Важным следствием является то, что приёмы строительства на морозных породах практически не отличаются от таковых, применяемых на подобных породах при положительных температурах.

Охлаждённые породы, так же как морозные, имеют отрицательную температуру и лёд в составе не содержат, но уже по другой причине. Лёд в охлаждённых горных породах не образуется, поскольку влага в этих породах существует в виде растворов солей (рассолов) с температурой замерзания гораздо ниже той, при которой в настоящий момент существует сама эта порода. Охлаждённые засолённые породы широко распространены на шельфе Северного Ледовитого океана и севере Западной Сибири. В частности, на Ямале, по оценкам учёных, они составляют значительную часть пород криолитозоны. При этом в тех регионах, где присутствуют засолённые горные породы, криолитозона может быть слоистой, состоящей из чередующихся горизонтов мёрзлых, охлаждённых и морозных пород.

Буровые работы на мёрзлых грунтах (фото из открытых источников).

***

Теперь, когда мы немного разобрались с отрицательно-температурными горными породами и грунтами, попробуем понять, можно ли в качестве синонимов употреблять, казалось бы, такие близкие по смыслу определения, как «талая» и «немёрзлая» порода. В обыденном разговоре это может быть вполне допустимо. Однако в строго научном плане данные термины, как говорится - «две большие разницы», и различия здесь принципиальные.

Дело в том, что талые или оттаявшие породы – это породы, когда-то находившиеся в мёрзлом состоянии, но в настоящее время существующие при положительной температуре. К немёрзлым породам следует относить те, которые никогда не вступали в цикл промерзания-оттаивания. И при одном и том же исходном составе и строении оттаявшие породы могут существенно отличаться от немёрзлых даже после однократного промерзания и оттаивания, а при циклическом промерзании-оттаивании эти отличия будут весьма значительны. Существует даже специальный термин, описывающий это явление, – криогенное структурообразование. Именно в результате криогенного структурообразования появляется характерная для северных дисперсных горных пород пылеватость, поэтому наиболее распространённым типом арктических грунтов по гранулометрическому составу являются пылеватые суглинки. Пылеватые частицы по своему размеру находятся между глинистыми и песчаными. И образуются они в результате диспергации (дробления) более крупных песчаных частиц и агрегации (склеивания) более мелких глинистых частиц. Процесс преобразования гранулометрического состава горной породы при циклическом промерзании-оттаивании в криолитозоне (криогенное выветривание) происходит гораздо быстрее, чем в иных климатических зонах (например, тёплых гумидных областях), где процесс физического выветривания и преобразования материнской породы может занимать тысячелетия.

Криогенное (морозное) выветривание – одна из разновидностей физического выветривания, представляющая собой разрушение (растрескивание, измельчение) горных пород вследствие периодического замерзания и оттаивания, происходящая в результате неодинаковой температурной деформации (изменения объёма) различных минералов, слагающих породу, а также расклинивающего действия замерзающей трещинной и поровой влаги.

Криогенное выветривание.

Здесь интересно было бы упомянуть о так называемой криогенной устойчивости минералов, которую впервые детально описал в своих работах профессор Вячеслав Николаевич Конищев. Им было показано, что криогенное разрушение прочных минералов типа кварца происходит по трещинам и дефектам, зарождение которых обусловлено кристаллографическими особенностями самих минералов. А слабые слоистые минералы, типа слюды, допускающие возможность разбухания за счёт вхождения молекул воды в свои внутренние слои, ведут себя более пластично. Иными словами, прочные твёрдые минералы подвергаются жёсткому разрушению за счёт расклинивающего действия растущих кристаллов льда, а слабые слоистые, подобно гармошке, просто расширяются при промерзании и сжимаются при протаивании. То есть чем прочнее минерал в механическом отношении, тем он может быть слабее в криогенном и наоборот.

Ещё одной особенностью горных пород, подвергавшихся многократному (сотни и тысячи циклов) промерзанию-протаиванию, является часто наблюдаемая сортировка слагающего их дисперсного материала по размеру частиц. При этом более крупные частицы и обломки пород перемещаются вверх (выпучиваются) и концентрируются вблизи земной поверхности, а частицы меньшего размера остаются на месте и как бы накапливаются в нижней части слоя. В процессе такой дифференциации происходит истирание и сглаживание граней перемещающихся частиц.

Отличием оттаявшей породы от немёрзлой, является характерная для неё посткриогенная текстура. Ведь даже в результате однократного промерзания влагонасыщенных рыхлых пород в них могут образоваться как отдельные изометричные включения льда, так и многочисленные ледяные прослои различной толщины и ориентировки. После оттаивания таких пород на месте ледяных включений могут оставаться несомкнувшиеся пустоты и полости, подчёркивающие разделение отложений, возникшее при промерзании породы. Впоследствии эти полости часто заполняются грунтовым материалом, отличающимся по составу от вмещающей породы.

Зная о криогенных преобразованиях горных пород при однократном промерзании и циклическом промерзании-оттаивании, учёные обязательно принимают их в расчёт при интерпретации полученных данных, например, для палеогеографических реконструкций, позволяющих заглянуть в геологическую историю нашей планеты, в том числе и прошлое российской Арктики.

***

Теперь, немного разобравшись с терминологией, поговорим о характерных свойствах горных пород, которые, естественно, должны меняться при переходе через 0^оС в ту или иную сторону. Напомним, что это не относится к морозным породам, на свойства которых температурный переход практически не влияет. Но когда речь заходит об охлаждении или нагревании влагонасыщенных пород – всё кардинально меняется.

И первое, на что мы можем обратить внимание, -- это изменение механических свойств пород и прежде всего – прочности. Наверное, каждый человек, живущий в северных широтах, из личного опыта знает, какой твёрдой может стать после ночных осенних заморозков ещё недавно вязкая и влажная земля под ногами. И понимает, что причиной этого является цементирующее действие образовавшегося за ночь льда. Однако все мы понимаем, что это сцепление грунта ещё долго нельзя будет считать стабильным, поскольку оно может существенно измениться или даже полностью исчезнуть при оттаивании под лучами дневного солнышка.

Замёрзший влажный грунт (фото из открытых источников).

Очевидно, что прочностные свойства мёрзлых дисперсных пород существенно отличаются от свойств пород немёрзлых и талых и при этом напрямую зависят от величины отрицательной температуры самой породы. При устойчивых низких температурах мёрзлые породы будут характеризоваться повышенной прочностью и водонепроницаемостью по сравнению с немёрзлыми или талыми породами. Это своего рода переход в другой класс по прочности, поскольку прочность мёрзлых пород в десятки и даже сотни раз превосходит прочность этих же пород в немёрзлом состоянии. При этом особенно высокой будет прочность мёрзлой породы при кратковременных нагрузках, позволяющая даже высекать искры при ударе топором (взрослым можно попробовать!). И если ударить посильнее, то вполне можно и отколоть кусок, поскольку с понижением температуры мёрзлая порода всё в большей степени приобретает хрупкие свойства.

Бурение мёрзлого грунта.

Помимо мгновенной прочности (прочность при кратковременных нагрузках), существует ещё понятие длительной прочности, то есть способности долгое время выдерживать прилагаемые нагрузки, пока не будет достигнут предел прочности, после которого происходят необратимые изменения. Также и мёрзлая порода, несмотря на свою повышенную прочность, в какой-то момент начинает разрушаться. Наличие большого количества льда придаёт разрушению мёрзлого грунта упруго-пластический характер. Как было показано в своё время профессором Сергеем Степановичем Вяловым, льдистый грунт при длительной нагрузке начинает медленно деформироваться и как бы течь. При этом смещение грунтовых блоков происходит, как правило, по ледяным прослоям. И чем более явно выражена слоистость мёрзлого грунта, тем с большей вероятностью можно предположить направление сдвига. Примечательно, что мгновенная прочность мёрзлой породы с увеличением количества ледяных включений повышается, а длительная – уменьшается.

***

А как же обстоят дела с охлаждёнными породами? В них, так же как и в морозных, переход от отрицательных температур к положительным и обратно не сопровождается изменением прочностных показателей. Их механические свойства при отрицательных температурах близки к свойствам немёрзлых и талых пород, находящихся при положительных температурах. Это связано прежде всего с отсутствием кристаллов льда, выполняющих в мёрзлых породах роль цементирующего вещества. Но если температура охлаждённых пород понизится настолько, что влага в них перейдёт в твёрдое состояние, они перестанут быть охлаждёнными и станут мёрзлыми, механические свойства которых мы в общем виде уже обсудили. Правда, надо заметить, что существует достаточно широкий температурный интервал от температуры начала образования ледяных кристаллов в охлаждённых породах, до некоторой отрицательной температуры, когда основная часть поровой влаги переходит в лёд. В этом переходном температурном интервале, который может составлять 10 и более ^оС, такие породы представляют большую сложность в плане прогнозирования свойств, поскольку проявляют качества как талой, так и мёрзлой породы. Это кардинально отличает засолённые горные породы от незасолённых и, прежде всего, грубообломочных и песчаных, где переход от немёрзлого состояния в мёрзлое и обратно происходит достаточно резко при изменении агрегатного состояния воды вблизи нуля.

Но не только механические свойства существенно меняются при замерзании и оттаивании горных пород – изменяются и их теплофизические, электрические, акустические свойства, что связано опять же с наличием или отсутствием порового льда и ледяных включений.

Рассмотрим, например, такую важную теплофизическую характеристику мёрзлых пород, как теплоёмкость (количество тепла, поглощаемого (выделяемого) в процессе нагревания (охлаждения), которая является суммой теплоёмкостей составляющих её компонентов – минеральных частиц, льда и незамёрзшей воды. Теплоёмкость влагонасыщенных дисперсных пород может значительно меняться как при переходе через 0^оС, так и при понижении отрицательной температуры, что влечёт за собой изменение соотношения воды и льда, и это при том, что теплоёмкость минерального скелета при колебаниях температуры меняется очень мало. Известно, что с понижением отрицательной температуры мёрзлой породы величина её теплоёмкости заметно уменьшается, что связано с продолжающимся переходом оставшейся в порах незамёрзшей воды в лёд, теплоёмкость которого в два раза ниже, чем у воды. А вот с теплопроводностью льда и воды всё обстоит наоборот: теплопроводность льда почти в четыре раза больше, чем воды, причём с понижением температуры теплопроводность льда постепенно возрастает. Как ни удивительно, но льдонасыщенные мёрзлые породы гораздо лучше проводят тепло, чем талые с такой же влажностью.

Что касается электрических свойств мёрзлых пород, то они будут также определяться соотношением льда и незамёрзшей воды. То, что вода хороший проводник тока, нам постоянно напоминают все инструкции по технике безопасности при обращении с электроприборами. А вот про твёрдое агрегатное состояние воды там ничего не говорится, да и зачем, ведь электропроводность чистого льда очень мала. Так что вывод напрашивается сам собой. Чем ниже температура мёрзлой породы и меньше её засолённость (а следовательно, и количество незамёрзшей воды) – тем лучшим изолятором тока будет эта мёрзлая порода.

Скорость распространения акустических волн в отрицательно-температурных породах опять же определяется фазовыми переходами и появлением нового компонента – льда, который характеризуется значительно большими скоростями распространения упругих волн, чем вода в жидкой фазе. С этим связана возможность применения сейсмоакустического метода для выделения границ талых зон в мерзлоте.

Пример использования данных электроразведки, подтверждённых последующим бурением, при картировании криолитозоны. Отсюда.

***

То есть, за что ни возьмись, наличие или отсутствие внутригрунтового льда при отрицательной температуре является важнейшим фактором, влияющим на свойства и поведение горных пород. И, значит, различать морозные, мёрзлые и охлаждённые породы всё же необходимо. Это сделать достаточно просто, если горные породы изучаются в условиях, когда их можно, в прямом смысле слова, взять в руки. Но в значительном большинстве случаев при масштабных исследованиях – например, при картировании для разных целей – районов распространения мёрзлых пород, необходимо прибегать к дистанционным методам изучения. К таковым относятся геофизические методы разведки. Однако толщи мёрзлых пород часто представляют собой экранирующие горизонты, делающие невозможными применение некоторых геофизических методов, успешно работающих в средних широтах, где нет многолетней мерзлоты. Кроме того, при интерпретации данных возникает целый ряд характерных затруднений, которые обусловлены большой изменчивостью свойств пород криолитозоны. 

Как мы постарались показать, разделить толщу горных пород по температуре и только на этом основании сделать вывод о её состоянии было бы некорректно, особенно если мы имеем дело с засолёнными породами. Интерпретацию полученных геофизических данных может осложнить отсутствие резкой границы между мёрзлой и талой зонами, наличие между ними некоторого переходного слоя с промежуточными свойствами, а также существование переслаивающейся мерзлоты, включающей в себя слои из мёрзлых и охлаждённых пород. Для правильной интерпретации полученных геофизических данных необходимо проводить специальное бурение с получением грунтовых образцов (керна) для исследования их реальных физических свойств (в частности, температуры замерзания и содержания незамёрзшей воды), что позволит вносить корректировку в типовые расчёты, которые иначе могут дать большую погрешность, а то и вовсе исказить результат, когда охлаждённую породу мы можем принять за талую, а дисперсную, но прочно сцементированную льдом мёрзлую породу – за немёрзлую скальную. В качестве примера можно привести постановку такой практически важной задачи, как изучение погребённого рельефа коренных пород в мёрзлой толще. Её решение только с помощью геофизических методов оказывается весьма затруднительным, поскольку контрастность некоторых используемых в исследованиях физических свойств между поверхностными дисперсными, но сцементированными льдом мёрзлыми отложениями и скальными коренными (морозными) породами в значительной мере стирается. Ещё одним ярким примером сложности использования геофизических методов является выделение границы между охлаждёнными (или протаивавшими) и остающимися в мёрзлом состоянии осадочными отложениями на арктическом шельфе в районах развития подводной мерзлоты.

Возвращаясь к геокриологической терминологии и нашим попыткам «на пальцах» показать отличие мёрзлых пород от морозных и охлаждённых, а талых от намёрзлых, мы, конечно, не призываем во всех ситуациях пользоваться именно этой устоявшейся научной терминологией. Как говорится, применять необязательно, но помнить полезно!

Авторы: Чувилин Е.М., Соколова Н.С., Центр добычи углеводородов Сколтеха.

Фотографии из открытых источников.