Слоистость - память о прошлом

Материалы студентам и ученикам / Удивительная мерзлота / Слоистость - память о прошлом

Страница 1

Рассмотрим еще одно интереснейшее явление, сопутствующее процессу промерзания грунта. На рис. 4 показана колонка грунта после промерзания в лабораторных условиях. Нижнее основание колонки во время опыта находилось в контакте с источником воды. Талый грунт сохранился в нижней части колонки и остался совершенно однородным. Промерзшая же часть сильно изменилась: образовалась четко выраженная слоистость. Слои мерзлого грунта перемежаются линзами чистого льда, толщина которых изменяется с глубиной вполне определенным образом.

Картина слоистости - текстура мерзлого грунта - оказывается связанной со свойствами грунта и условиями его промерзания. Например, при некоторых условиях для грунта данного типа толщина ледяных линз может превысить высоту начальной талой колонки. Вообще же по текстуре мерзлого грунта можно в принципе восстановить температурные условия его промерзания. Подобную слоистость мы видим и в природных толщах мерзлой породы. Она прослеживается до весьма значительных глубин - 100-150 м. Максимальная же толщина ледяных линз наблюдается в верхних 10-40 м. Ниже их толщина монотонно снижается, а расстояние между линзами увеличивается. Довольно часто в верхних слоях мерзлого грунта обнаруживаются слои льда толщиной от единиц до нескольких десятков метров.

Застывшая картина слоистости в промерзших рыхлых отложениях напрямую связана с климатом прошлых тысячелетий. Познать же закономерности изменения климата означает обрести ключ к разгадке многих тайн, которые волнуют человечество. Каким же образом возникает слоистость? Можно сразу сказать, что рост отдельных линз вполне аналогичен картине, которую мы описали для ледяного тела на поверхности керамического фильтра. Но чем вызвано их возникновение в данном конкретном месте и почему они прекращают свой рост спустя какое-то время? Ответ на эти вопросы требует анализа внутренних напряжений в промерзающем грунте, а точнее в той зоне, где расположена корневая система растущей линзы.

Если при стационарном росте льда на поверхности фильтра протяженность корневой зоны не меняется, то при промерзании грунта ее длина все время увеличивается и внутренние напряжения в отдельных компонентах грунта также меняются. По законам механики, в каждом поперечном сечении зоны корневой системы величина внешней нагрузки всегда должна быть равна сумме напряжений в отдельных компонентах грунта. Иными словами, нагрузка равна сумме внутрипоровых напряжений (обусловленных внутренним давлением во льду и незамерзшей воде) и напряжений в скелете минеральных частиц грунта. Этот баланс подразумевает, что при постоянной общей нагрузке увеличение давления внутри пор сопровождается уменьшением напряжений в скелете.

В некоторый момент в определенном сечении зоны корневой системы поровое давление, монотонно нарастая, достигает значения внешней нагрузки. В скелете грунта начинают возникать растягивающие напряжения. Однако рыхлые отложения не обладают прочностью на разрыв, и минеральные частички начинают расходиться в пространстве, которое немедленно заполняется льдом. Так образуется новая линза льда, перекрывающая все поперечное сечение образца и лишающая питания водой предыдущую линзу. Последняя сразу же прекращает свой рост. Далее процесс повторяется, что и приводит к образованию слоистой текстуры. Количественно ее параметры (размеры ледяных линз и расстояния между ними) определяются математической моделью текстурообразования, учитывающей в уравнениях весь комплекс факторов, оказывающих влияние на этот процесс.