Как промерзают и становятся льдистыми горные породы

Горные породы могут промерзать различными способами. Первый способ — эпигенетический, когда толщи ранее сформированных и преобразованных талых мерзлых горных пород, находящихся обычно во влажном состоянии, промерзают сверху. Второй — сингенетический, когда идет синхронное накопление отложений, т. е. наращивание их толщ вверх, и промерзание снизу вследствие постепенного параллельного поднятия кровли мерзлых толщ. Между этими двумя способами находится промежуточный, третий способ — диагенетический, когда водные бассейновые отложения промерзают по мере накопления в донных условиях вследствие влияния холода, поступающего из окружающих водоем мерзлых толщ снизу и с боков. Часть крупных скоплений льда может при определенных условиях захорониться в толщах мерзлых отложений — морские, речные, озерные, ледниковые льды. Однако доля захороненных льдов в общем объеме подземных льдов сравнительно невелика.

Рассмотрим несколько подробнее основные способы промерзания: сингенетический, диагенетический и эпигенетический. Сингенетический способ, или синхронное накопление отложений, их промерзание и льдовыделенне в них, может осуществляться в классическом своем выражении на ежегодно заливаемых поймах рек, где каждой весной отлагается тонкий слой наилка толщиной в среднем 1—3 мм. Возможен он и в условиях периодически заливаемых и осушаемых низменных морских и озерных побережий, речных дельт, а также у подножия пологих обводненных склонов, где накапливаются тонкозернистые отложения глинисто-суглинистого состава, нередко обогащенные растительными остатками, торфом. Во всех перечисленных случаях промерзающие минеральные и органоминеральные смеси насыщены водой. Поэтому последующая их льдистость равномерно высокая по всей толще сверху вниз.

Процесс сингенетического промерзания осуществляется по-разному в зависимости от температуры мерзлых толщ. Говорят о северном и южном вариантах этого процесса. В северном варианте вследствие больших запасов холода в толщах мерзлых горных пород, имеющих температуру от —5° С и ниже, осеннее промерзание оттаявшего летом приповерхностного слоя начинается как сверху от дневной поверхности, так и снизу от его подошвы, являющейся в то же время кровлей мерзлых толщ. Поскольку подошва оттаявшего летом (сезонноталого) слоя сильно обводнена, здесь при промерзании возникает толстая ледяная прослойка. Такая же прослойка может образоваться и близ дневной поверхности, но она не перейдет в захороненное многолетнемерзлое состояние, поскольку растает следующим летом, а нижняя — переходит.

В южных районах криолитозоны, где температуры мерзлых толщ составляют от —0,5 до —1,5° С, оттаявший летом приповерхностный слой промерзает практически только сверху, поскольку поток холода сверху значительно больше, чем снизу. Промерзающий сверху влагонасыщенный слой книзу иссушается, поэтому возникающие здесь ледяные прослойки тонкие. Они переходят постепенно в захороненное состояние, льдистость промерзающих таким образом толщ горных пород невысокая, тонкие ледяные прослойки пронизывают в горизонтальном направлении мерзлые горные породы примерно на одинаковом расстоянии друг от друга.

В обоих вариантах — южном и северном накопление слойков породы происходит более или менее равномерно, а промерзание — циклически, скачкообразно, поскольку в природе существуют циклические климатические ритмы. Несколько лет глубина летнего оттаивания может быть большой, максимальной или близкой к ней. За это время накопится определенный слой отложений. Затем наступит временное похолодание, и ряд лет глубина летнего оттаивания будет значительно меньшей. Нижние слои сезонно-талого слоя с образовавшимися в нем ледяными слойками уже не будут оттаивать летом в эти годы. Но в эти же годы продолжаются накопление отложений и наращивание их общей толщины вверх на некоторую определенную величину. В последующие теплые годы, даже при максимальной глубине летнего оттаивания подошва сезонно-талого слоя уже не достигнет своего положения в предшествующий цикл теплых лет на величину накопившейся за это время пачки слойков. Известны 11-, 40- и 100-летние климатические циклы. Их проявление и наложение одного на другой приводит к тому, что в сингенетически промерзающих в низкотемпературных районах криолитозоны отложениях возникают чередующиеся между собой на неодинаковых расстояниях ледяные прослои повышенной толщины (5 см и более). Они были названы «ледяными поясками», а весь тип ледяного рисунка в мерзлых толщах — поисковой криотекстурой. В переводе с латинского слово «текстура» означает ткань, сплетение, сложение, поэтому криотекстурой называют иногда простое, иногда сложное сплетение ледяных прослойков, пронизывающих мерзлые горные породы.

Промерзание отложений диагенетическим способом возможно в условиях дна водоемов, но после того, как там уже накопились более или менее мощные толщи донных грунтов, которые находятся на стадии глубоких физико-химических преобразований, т. е. на стадии диагенеза. Промерзание прерывает физико-химические диагенетические процессы или, вернее, завершает их. На стадии диагенеза могут промерзать отложения озер, лагун, прибрежных морских мелководий. В этом случае потоки холода в земных недрах направлены со стороны суши в сторону водоемов. Иногда под берегами образуются выдвинутые в сторону водоема «козырьки» мерзлых отложений. Вследствие промерзания за счет потоков холода, идущих в горизонтальном (сбоку) и вертикальном (снизу) направлениях, формируется наклонная результирующая общего положения, так называемый «фронт промерзания». Он движется наклонно снизу вверх, в результате чего возникают характерные для диагенетического способа промерзания наклонные (косые) прослойки подземного льда. Косая или наклонная сеть ледяных прослойков — характерный признак промерзания отложений по данному способу. В целом следует сказать, что промерзание отложений на дне водоемов на стадии диагенеза приводит к образованию весьма сложно построенных систем прослоек подземного льда, в которых сочетаются ледяные прослойки с разными углами наклона, поскольку глубина водоемов и их размеры с течением времени меняются.

Наконец, эпигенетическим способом промерзают отложения, которые уже испытали на себе комплекс физико-химических диагенетических преобразований, уплотнились и превратились в горные породы. Так промерзают, например, мощные толщи морских, озерных достаточно глубоководных отложений, накопление которых происходило вдали от берегов. Состав их преимущественно глинисто-алевритовый. Процесс промерзания начинается после осушения дна морских или озерных водоемов, поток холода направлен сверху вниз. Таким же способом могут промерзать толщи очень и не очень уплотненных древних осадочных горных пород, а также магматических и метаморфических. В самом начале процесса промерзания горных пород при небольших значениях отрицательной температуры в интервале от 0 до 0,2° С, если грунты не засолены, происходит кристаллизация свободной капиллярно-гравитационной воды, не связанной с поверхностью частиц грунта. Развитие процесса промерзания и понижение температур приводит к кристаллизации воды, связанной с поверхностью тонких частиц грунта или ионами раствора. Чем больше влияние сил, удерживающих связанную воду, тем ниже температура ее кристаллизации.

Известно, что грунты разного состава обладают различной способностью удерживать, связывать влагу: чем мельче грунтовые частицы, тем больше эта способность. Высока она также у мелких торфянистых частиц. Вследствие этого грубозернистые грунты, например чистые, промытые пески, содержащие свободную капиллярно-гравитационную влагу, промерзают практически полностью, т. е. вся вода в них переходит в лед при температуре менее —0,2° С. Отсутствие связанной воды определяет и другую особенность криогенного строения песков и отложений грубообломочного состава. При их промерзании не происходит подтягивания незамерзшей воды из нижележащих горизонтов, так как нет сил, способствующих этому, а, напротив, происходит отжимание влаги в нижележащие слои, так называемый «поршневой» эффект. Следствием сказанного является то, что пески, промерзшие после их накопления сверху, обычно малольдистые; лед, как правило, образует мелкие вкрапления между песчаными частицами — так называемую массивную криотекстуру. Льдистость песков бывает высокой только в тех случаях, когда при промерзании в них внедрялась вода под действием гидродинамического или гидростатического напоров. Иногда вода в этих случаях изливается даже на поверхность, образуя поля льда или наледи. Иногда водные массы, не прорвавшись наружу, замерзают внутри земных недр, образуя крупные залежи подземных льдов, о которых речь впереди.

В тонкодисперсных, глинистых грунтах связанной воды много. Переход основного количества влаги в лед при промерзании осуществляется при температуре от —7 до —10° С, а стадия практически полного промерзания, т. е. перехода всей воды в лед, наступает при температуре около —30° С. Такой низкой температурой мерзлые толщи не обладают ни в одном из районов современной криолитозоны, значит, в них наряду со льдом всегда присутствует жидкая вода (имеются в виду, конечно, глинистые отложения). При быстром промерзании глинистых отложений в лед переходит только находившаяся в них до начала промерзания вода, без ее заметной миграции. В этом случае лед и частицы грунта равномерно распределены между собой. Ледяные кристаллы и их небольшие сростки, называемые льдом-цементом, цементируют грунтовые частицы. При этом чем быстрее идет процесс промерзания, скорость которого обусловлена разницей температур близ поверхности и в зоне промерзания (температурный градиент), тем мельче возникающие кристаллы льда.

Значительно чаще промерзание глинистых отложений происходит медленно и сопровождается миграцией — подтягиванием влаги из нижней талой в вышележащую промерзающую зону. Граница между этими зонами называется «фронтом промерзания». Миграция влаги из талых отложений идет к фронту промерзания, где происходит образование очередной ледяной прослойки, называемой ледяным «шлиром». В этом процессе остается много неясных вопросов, над которыми работают ученые разных направлений.

Миграция воды к фронту промерзания происходит благодаря наличию разницы температур в талых и промерзающих отложениях. Влага перемещается, подтягивается по пленкам, окружающим грунтовые частицы, под действием молекулярных адсорбционных сил. Механизм этого перемещения приходит в действие, когда вследствие замерзания и льдовыделения пленки связанной воды на поверхности грунтовых частиц в промерзающей зоне становятся тоньше, чем в талой. Стремясь к восстановлению равновесия, вода из талой зоны, где пленки толще, движется в промерзающую зону, где они тоньше. При переходе воды в лед выделяется скрытая теплота кристаллизации. Для дальнейшего развития процесса промерзания нужно, чтобы интенсивность охлаждения была выше, чем отепляющее воздействие скрытой теплоты кристаллизации. Установление равновесия между этими двумя процессами приводит к остановке продвижения фронта промерзания и устойчивому льдовыделению на определенной глубине в ограниченном интервале горных пород. Процесс льдовыделения длится на этой глубине столько времени, сколько сохраняется достигнутое равновесие между охлаждением вещества сверху и количеством выделяемой скрытой теплоты кристаллизации. В зону льдовыделения мигрирует дополнительное количество воды, целиком переходящей в лед, так как все молекулы такой воды являются избыточными по отношению к тому ее количеству, которое при данной температуре может остаться в жидком виде.

Таким образом, при равенстве оттока тепла и выделяющегося тепла кристаллизации воды, которая постоянно подтягивается к фронту промерзания, создаются условия для возникновения прослоек — шлиров льда. Если подток влаги не ограничен во времени и не изменяется поток холода, то процесс льдовыделения на определенной глубине может продолжаться очень долго (теоретически бесконечно), в результате чего образуются прослойки льда толщиной до нескольких сантиметров, десятков сантиметров, а иногда и более. Некоторые исследователи говорят о возможности образования прослоев толщиной в несколько метров или даже первых десятков метров, которые называют уже пластами. Основные прослои-шлиры льда соответствуют былому положению фронта промерзания, который обычно параллелен дневной поверхности. Поэтому, когда промерзают плоские, ровные поверхности, шлиры льда в отложениях ориентированы преимущественно горизонтально, когда промерзание начинается от поверхности склона, шлиры льда в слагающих его отложениях наклонные.

При увеличении потока холода сверху или уменьшении подтока влаги снизу промерзают участки, расположенные ниже ледяного прослоя и весьма сильно обезвоженные. Промерзание грунтов, почти лишенных влаги, происходит быстро. Вода не успевает подтянуться из нижележащих талых слоев, поэтому ниже ледяного прослоя на некотором расстоянии льдистость отложений невелика и лед находится в них в виде цемента между грунтовыми частицами. Процесс быстрого промерзания и формирования малольдистых мерзлых отложений продолжается до тех пор, пока вновь не создадутся благоприятные условия для образования следующей прослойки льда, т. е. вновь не возникнет равновесие между интенсивностью охлаждения грунта и выделением скрытой теплоты кристаллизации льда. Благодаря этому формируются параллельные шлиры льда, разделенные малольдистыми прослойками мерзлого грунта. Процесс этот ограничен возрастающим с глубиной давлением и проявляется, как правило, на расстоянии 30—40 м от кровли мерзлых толщ.

Помимо преимущественно горизонтальных ледяных прослойков при эпигенетическом способе промерзания сверху образуются вертикальные и наклонные прослойки. Их возникновение связано как с наличием трещин усыхания, которые неизбежно сопровождают процесс обезвоживания и уплотнения влагонасыщенных донных глинистых грунтов, так и иссушением грунта при промерзании непосредственно ниже формирующейся ледяной прослойки. В этих трещинах также происходит льдовыделенне. В результате возникает система пересекающихся между собой преимущественно горизонтальных и вертикальных шлиров льда. Неоднородность состава отложений, наличие в них прослоек, трещин приводят к тому, что картина строения льдистого каркаса мерзлых отложений усложняется. Заметный и даже существенный рост ледяных прослоек может происходить и в уже мерзлых глинистых отложениях, поскольку связанная незамерзшая вода в них сохраняется, как уже говорилось, при очень низких температурах и мигрирует из более теплых горизонтов в более холодные, т. е., как правило, снизу вверх. Наличие водоносных горизонтов под мерзлыми глинистыми толщами приводит к тому, что избыточное льдовыделение в них продолжается до тех пор, пока существует разница температур между верхними и нижними горизонтами, т. е. температурный градиент, с его исчезновением миграция прекращается.

Подземные льды можно подразделить на следующие главные разновидности: 1) изначально внутриземные — небольшие включения и прослойки (текстурно-структурный лед), вертикальные ледяные жилы, горизонтальные пласты и линзы, возникшие в процессе промерзания и последующего криогенного преобразования горных пород; 2) изначально поверхностные, но в последующем погребенные в процессе синхронного накопления и промерзания отложений льды.

Основные разновидности подземных льдов

Источник: И.Д. Данилов. Подземные льды. Издательство «Недра». Москва. 1990