Вечная (многолетняя) мерзлота

Многолетняя, или вечная, мерзлота — толща горных пород в земной коре с отрицательной температурой, устойчивой в течение длительного времени независимо от физического состояния воды, заключенной в горных породах. Площадь распространения многолетнемерзлых пород в СССР составляет 49,7% всей территории страны, а на земном шаре — до 24% всей площади суши.

Изучение многолетней мерзлоты и условий строительства в ра­йонах ее распространения имеет большое народнохозяйственное значение. Здесь выявлены многочисленные месторождения самых разнообразных полезных ископаемых: угля, железных руд, алмазов, олова, вольфрама, никеля, золота, нефти, газа и многих других, что вызвало рост в этих районах горнодобывающей промышленности и развитие других отраслей народного хозяйства и связанных с ними жилищного и дорожного строительства.

Природные условия районов распространения многолетней мерзлоты определяют специальные требования к проектированию, строительству и эксплуатации сооружений, несоблюдение которых приводит к деформации сооружений или их разрушению.

Происхождение вечной мерзлоты обусловлено, по мнению боль­шинства исследователей, тем, что в течение года земная кора теряет тепла больше, чем в нее поступает, и зимнее промерзание превышает летнее оттаивание. Вообще же детали этих процессов изучены еще недостаточно, и точно причины происхождения вечной мерзлоты не выяснены.

Мощность многолетнемерзлой толщи пород зависит от многих факторов: от температурного режима атмосферы, почвы и литосферы; от характера рельефа, растительности; от толщи снежного покрова; от наличия поверхностных водоемов и водостоков; от цир­куляции подземных вод; от геохимических процессов, протекающих в литосфере; от производственной деятельности человека. Мощность многолетнемерзлых пород колеблется от нескольких метров до 600—800 м, а в бассейне р. Вилюя превышает 1000 м.

Многолетнемерзлые породы нельзя рассматривать как сплошной экран, отделяющий поверхностные воды от подземных; распространение их прерывистое. Степень прерывистости зависит от многих природных факторов: климатических, геологических, гидрогеологических, орографических, тектонических и др. Даже на Крайнем Севере нашей страны под озерами, по долинам рек, в районах проявления молодой тектоники и в других местах распространены породы, имеющие положительную температуру. Степень прерыви­стости многолетней мерзлоты увеличивается в направлении с севера на юг, и постепенно многолетнемерзлые породы переходят в талые.

Верхний слой земной коры в районах распространения вечной мерзлоты в весенне-летний период оттаивает, а осенью и зимой замерзает. Если этот слой при промерзании зимой не сливается с толщей вечномерзлого грунта, то его называют сезоннопромерзающим, а если сливается — сезоннооттаивающим, или деятельным, слоем. Мощность деятельного слоя в разных местах колеблется от долей метра до 6—8 м. В тонкодисперсных грунтах — су­глинках и глинах — глубина сезонного промерзания и оттаивания редко превышает 2—3 м.

Опыт строительства в районах распространения вечномерзлых грунтов свидетельствует, что недоучет режима деятельного слоя приводит к самым печальным последствиям: дороги, аэродромы, здания и другие сооружения деформируются и даже разрушаются. Поэтому установление мощности деятельного слоя и его темпера­турного режима имеет существенное значение и является одной из основных задач при проведении инженерных изысканий.

Нередко зимнее промерзание по глубине не достигает вечно-мерзлой толщи пород. Деятельный слой, образовавшийся за период летнего оттпипапия, не смыкается с вечномерзлыми породами. Это проливающаяся мерзлота. Иногда наблюдается чередование талых и вечномерзлых прослоен грунта на значительную глубину. Подоб­ное залегание называется слоистой, или прерывистой, мерзлотой. Это обусловливается наличием крупнозернистых и трещиноватых пород, но которым подземные воды циркулируют с большой скоростью, что и предохраняет их от промерзания.

Подземные, воды многолетней мерзлоты, по Н. И. Толстихину, подразделяются на три категории: надмерзлотные, межмерзлотные и подмерзлотные.

Надмерзлотные воды, залегающие над зоной мерзлых пород, в свою очередь подразделяются на воды деятельного слоя и воды многолетних надмерзлотных таликов.

Надмерзлотные воды деятельного слоя залегают на толще мно­голетней мерзлоты, которая является для них водоупорным ложем. Характерная особенность этих вод — сезонная смена жидкой и твердой фаз. На севере длительность существования жидкой фазы определяется двумя-тремя месяцами летне-осеннего периода; по направлению к югу существование жидкой фазы увеличивается до шести месяцев и более. Питание вод деятельного слоя происходит за счет атмосферных осадков и частично за счет поверхностных водотоков.

В химическом отношении надмерзлотные воды сезонного слоя характеризуются малой минерализацией, значительным содержанием органических веществ и наличием гумусовых кислот. Темпе­ратура их низкая и редко превышает 5° С.

Надмерзлотные воды многолетних таликов существуют благодаря тепловому влиянию поверхностных вод. Залегают подобные талики под озерами и руслами рек. По долинам рек Сибири, несущим тепло, имеются сквозные талики, через которые осуществляется связь, надмерзлотных, межмерзлотных и подмерзлотных вод. Отличаются эти воды постоянством качества и количества. Минерализация их невысокая, жесткость 0,8—1,2 мг • экв; они широко распространены в бассейнах рек Лены и Колымы. Дебит каптажных сооружений (скважин, галерей) нередко достигает 47 л/сек. Используются данные воды на питьевое и хозяйственно-техниче­ское водоснабжение.

Межмерзлотные воды. К межмерзлотным водам, по II. II. Толстихину, относят как жидкие воды, циркулирующие в массиве; вечномерзлых пород, так и твердую фазу - ископаемые льды и временно законсервированные многолетней мерзлотой мерзлые водоносные горизонты, некогда функционировавшие. Основным фактором, предохраняющим жидкие межмерзлотные воды от замерезания, являются их динамичность, а иногда также высокая минера­лизация. По характеру вмещающих горных пород выделяются пластовые, карстовые и трещинно-жильные. межмерзлотные воды.

При проходке горных выработок в случае пересечения меж­мерзлотных вод притоки с течением времени могут увеличиваться, что обусловливается увеличением водоносных путей вследствие оттаивания льда в трещинах, мерзлых водоносных горизонтов и т. п.

Подмерзлотные воды. Подмерзлотными водами назы­ваются все подземные воды, залегающие ниже слоя многолетней мерзлоты. Эти веды обладают напором, нередко в несколько сотен метров. По характеру залегания и условиям циркуляции подмерзлотные воды аналогичны подземным водам внемерзлотных районов. Условия же питания и стока подмерзлотиых вод иные.

По гидрогеологическим условиям среди подмерзлотных вод П. И. Толстихин выделяет следующие типы: аллювиальные, порово-пластовые, трещинно-пластовые, трещинные или жильные, и трещинно-карстовые.

Аллювиальные под мерзлотные, воды питаются за счет просачи­вания атмосферных вод по таликам в аллювии, подтока подземных вод из коренных пород и за счет конденсации. Подмерзлот­ные воды аллювиальных отложений имеют температуру, близкую к нулю. Лишь в тех случаях, когда в питании аллювиальных вод принимают участие воды коренных пород с более высокой темпе­ратурой, подмерзлотные воды аллювия имеют аномально высо­кую температуру.

Химический состав подмерзлотных вод аллювия характеризует­ся меньшим содержанием органических веществ.

Подмерзлотные воды аллювиальных отложений при разработ­ке многих россыпных месторождений полезных ископаемых игра­ют отрицательную роль; на борьбу с ними приходится выделять много материальных средств.

Порово-пластовые подмерзлотные воды залегают в осадочных породах и обладают капором. Во многих местах выявлены артезианские бассейны подмерзлотных вод.

Трещинно-пластовые подмерзлотные воды характерны для пород древнего возраста (палеозой — юра). Циркулируют они по трещинам в пластах песчаников, известняков, конгломератов и других пород, перекрываемых водоупорами. В частности, на многих месторождениях каменного угля, распространенных в зоне многолетней мерзлоты (Букачачинском, Буреинском бассейнах и др.), подмерзлотные воды этого типа приурочены к трещиноватым песчаникам, конгломератам, изредка к алевролитам и пластам угля. Породы глинистого состава являются водоупорными и раз­деляют подземные воды на ряд водоносных горизонтов. Воды обладают напором от десятков до сотен метров.

Трещинные и трещинно-карстовые подмерзлотные воды связа­ны с тектоническими нарушениями. Эти воды отмечены во многих местах Забайкалья, в бассейнах Алдана, на Лене и в других мес­тах. Режим данных вод еще более непостоянный. Известняки на площади распространения многолетней мерзлоты являются наибо­лее водообильными породами, с ними связаны выходы крупных ис­точников, где образуются мощные наледи.

Источники в зоне многолетней мерзлоты. Для районов распространения многолетней мерзлоты характерны специфические условия выходов подземных вод на поверхность. Источники разделяются на нисходящие и восходящие. Нисхо­дящие источники образуются за счет надмерзлотных вод, расположенных выше местного базиса эрозии. По режиму источники надмерзлотных вод разделяются на сезонные и функционирую­щие в течение всего года. Дебит тех и других источников непос­тоянен.

Восходящие источники образуются за счет выходов подмерзлотных вод. Геологические условия выходов подмерзлотных вод весьма разнообразны. Режим источников осложняется мерзлотны­ми факторами — оттаиванием и замерзанием путей движения воды, что обусловливает разделение восходящих источников на сле­дующие виды: периодически исчезающие, мигрирующие, сменные сезонные, непостоянные по дебиту и постоянные. Режим восходящих источников, зависящий от замерзания и оттаивания путей дви­жения воды, не отражает истинного состояния водоносного гори­зонта, питающего эти источники. Высокодебитные восходящие источники образуются в местах выходов на поверхность трещинно-карстовых подмерзлотных вод.

Явления, связанные с вечной мерзлотой. В области распространения вечной мерзлоты наблюдаются наледи, гидролакколиты, термокарст, солифлюкция и пучение.

Наледь — ледяное тело, образовавшееся на поверхности земли или на льду реки в результате замерзания подземной или речной воды, излившейся на поверхность земли или ледяного покрова реки. Различают грунтовые, или наземные, наледи, речные и сме­шанные.

Грунтовые наледи образуются при замерзании выходящих на поверхность подземных вод.

Речные наледи развиваются в результате увеличения напора поды в замерзающей реке в местах резкого сужения живого сечения потока или заполнения русла льдом. Речные наледи дефор­мируют мосты, трубы, водозаборные сооружения, а также значи­тельно осложняют движение транспорта зимними дорогами по льду рек

Рис. 8. Гидролакколит (по М. Я- Чернышеву)

1 — породы деятельного слоя; 2— -лед;

3 — водоносные тре­щины

 

Гидролакколиты — бугры вспучивания возникают вследствие образования льда в толще промерзших пород (рис. 8), т. е. при образовании подземных наледей. Различают гидролакколиты одно­летние (сезонные) и многолетние. Гидролакколиты имеют округлую и куполовидную форму разной высоты. Бывают также пологие вздутия и валообразные поднятия. Наибольшее значение в обра­зовании гидролакколитов имеют подозерные талики, при про­мерзании которых образуются гидролакколиты высотой от несколь­ких метров до 70—80 м. В поперечнике крупные гидролакколиты достигают иногда 200—250 м.

Грунтовые наледи и бугры пучения являются надежным поисковым признаком на подземные воды в районах распространения многолетнемерзлых пород.

Термокарст — замкнутые воронко, котловино или блюдцеобразные понижения, образующиеся вследствие вытаивания погре­бенного льда или оттаивания (деградации) вечномерзлого грунта с последующим его уплотнением. Термокарст во многих районах распространения вечной мерзлоты занимает до 30% площади и более. Термокарстовые понижения обычно заполнены водой, образуя озера, болота площадью в сотни квадратных метров, а иногда и километров. При образовании новых термокарстовых понижений под влиянием местных изменений термического режима многолетнемерзлых горных пород, которое происходит при застройке и освоении новых территорий, возникает серьезная угроза различным инженерным сооружениям. Поэтому при хозяйственном освоении новых территорий необходимо проводить специальные исследова­ния с целью выявления потенциальной возможности развития тер­мокарстовых процессов.

Солифлюкция — течение переувлажненного оттаявшего грунта деятельного слоя под влиянием силы тяжести. Солифлюкция широ­ко распространена на Крайнем Севере. Она проявляется на склонах при небольших углах (несколько градусов). Известны случаи пе­рехода солифлюкционного сплывания в оползни катастрофическо­го характера. Явления солифлюкции причиняют значительный ущерб различным сооружениям, главным образом дорогам, протрассированным вдоль склонов или на склонах.

Пучение — процесс увеличения объема промерзающего грунта, происходящий как вследствие увеличения объема замерзающей влаги, так и в результате образования в промерзающих грунтах прослойков и линз льда, что особенно интенсивно идет в условиях миграционного подтока воды извне к фронту промерзания. Особенно мощные прослойки и линзы льда образуются при длительной задержке границы промерзания на некоторой глубине и близком положении к ней зеркала грунтовых вод. Если же промерзание идет интенсивно (при сильных морозах), то вода в дисперсных грунтах не успевает подтягиваться к фронту промерзания и линзы и прослойки льда не образуются, а возникают лишь отдельные кристаллы льда, рассеянные во всей массе грунта и прочно цементи­рующие его частицы.

Пучение мерзлых грунтов оказывает отрицательное воздействие на различные сооружения, но наибольшие осложнения приносит полотну автомобильных и железных дорог, в том числе на въездных и выездных путях в карьерах, а также аэродромным покрыти­ям. Обычно поднятие грунта неравномерное, что изменяет профиль дорожного пути или покрытия и вносит значительные осложнения в работу транспорта. Весной при оттаивании грунт пучащихся мест разжижается и теряет способность поддерживать покрытие дорог.

Пучение на дорогах и аэродромах отмечается не только в области распространения многолетней мерзлоты, но и в районах сезонной мерзлоты, хотя и проявляется здесь менее интенсивно.

Условия строительства в районах вечной мерзлоты. В связи с осуществлением широкой программы строительства разнообразных сооружений в районах распространения многолетнемерзлых пород огромное значение приобретают вопро­сы учета своеобразных климатических, гидрогеологических и грунтовых условий конкретных стройплощадок, где намечается строительство объектов.

Практика строительства в этих районах свидетельствует, что в результате строительства температурный режим па строительных площадках нарушается и, как следствие, существенно изменяются гидрогеологические условия и физико-механические свойства грунтов основания. Обычно мерзлые грунты оснований под влиянием теплоотдачи от сооружений оттаивают, нередко на значительную глубину, а оттаявшие грунты становятся более или менее просадочными. В зависимости от скорости процесса оттаивания сооружения претерпевают деформации, нередко значительные. Следовательно, конструктивные решения при проектировании и строительстве сооружений, выполненные без учета их деформативно-напряжеиного состояния и условий совместной работы с оттаивающими просадочными грунтами, приводят к преждевременному разрушению капитальных зданий, строящихся на таких грунтах. Об этом свидетельствует многолетняя практика строительства в районах Воркуты, Норильска, Забайкалья, Якутска, Магадана и др.

Как указывалось, в областях распространения многолетней мерзлоты сосредоточены месторождения многих полезных иско­паемых: каменного угля, железных руд, цветных металлов, а также алмазов, золота и др. При разработке месторождений в этих районах приходится считаться со следующими особенностями: трудоемкость разработки рыхлых мерзлых пород увеличивается по сравнению с талыми примерно в 10—15 раз; при естественной вентиляции в зимнее время в выработках наблюдается охлаждение пород и образование наледей; при вентиляции выработок подо­гретым воздухом температура мерзлых пород повышается, льдистость их уменьшается, что вносит значительные осложнения в ход работ; гидрогеологические условия здесь специфические, часто ос­ложняющие ведение горных работ; толща мерзлых пород только временно и то не всегда предохраняет выработки от поверхност­ных и подземных вод.

Для борьбы с отрицательными явлениями подземных вод на подземные работы необходимо, по В. П. Бакакину, любыми мерами сохранять естественное состояние, мерзлых пород.

При ведении горных работ открытым способом основным ос­ложняющим фактором является значительная прочность мерзлых пород. По данным А. Н. Зеленина, суглинок с влажностью 20% в талом состоянии оказывает сопротивление резанию 5—7 кгс/см , а при —25° С до 150 кгс/см . Поэтому основным мероприятием, существенно улучшающим ведение работ открытым способом, является уменьшение энергоемкости разрабатываемых пород. Для снижения прочности разрабатываемых пород наибольшее распространение получили методы тепловых и водно-тепловых мелиорации, которые в сравнении с взрывным способом рыхления обходятся примерно в 10 раз дешевле. При определенных условиях можно достичь глубины оттаивания рыхлых горных пород с поверхности до 6—9 м и более без применения трудоемких дорогостоящих инженерных работ. Это дает возможность применять на приисках высокопроизводительные горные машины—драги, экскаваторы, отвалообразователи и др., что резко повышает интенсивность разработок, производительность труда и снижает себестоимость добычи.

В настоящее время применяются различные варианты тепловой и водно-тепловой мелиорации: путем использования естественных тепловых процессов (снегозадержание в зимний период и удаление снега ранней весной, сжигание растительного и мохового покрова, зачернение снега и др.); оттаивание мерзлых грунтов путем нагнетания в них воды; фильтрационно-дренажный способ. Недостатком этих методов является длительность периода подготовки, но при соответствующем планировании подготовительных и очистных работ они дают значительный эффект.

 

ТРЕЩИННЫЕ ВОДЫ

Скальные горные породы (изверженные, метаморфические и осадочные) разбиты системой трещин различного происхождения. В изверженных породах трещины впервые возникают в период остывания расплавленной магмы и называются трещинами отдельности; размеры их ничтожно малые (волосные) и поэтому значительного количества подземных вод в них не содержится.

В верхней части земной коры под действием выветривания в скальных породах образуются трещины выветривания, иногда значительных размеров (до нескольких сантиметров в поперечнике). Глубина этих трещин определяется мощностью наиболее интенсивной зоны выветривания и, как правило, не превышает нескольких десятков метров.

В зависимости от физико-географических и геологических условий, а также от состава скальных пород в трещинах выветривания может заключаться то или иное количество подземных вод, которые могут быть безнапорными и напорными. Сильная трещиноватость, а следовательно, и большая водообильность присущи обычно гранитам, известнякам и другим породам.

Тектонические трещины также служат путями циркуляции подъемных вод. Сбросы нередко сопровождаются зонами раздробленных пород, по которым подземные воды циркулируют более свободно. Воды и тектонических трещинах земной коры называются жильными. Жильные воды могут на пути своего движения пере­секать горизонты порово-пластовых и пластово-трещинных вод, в результате чего образуются смешанные воды. Если напор в трещин­ных водах больше, чем в пластовых, последние будут питаться трещинными водами, и наоборот. Нередко тектонические трещины являются путями, по которым происходит перелив напорных подземных вод из одного порово-пластового или пластово-трещинного водоносного горизонта в другой. Это имеет место в Донбассе, где благодаря наличию многочисленных тектонических нарушений водо­носные горизонты, приуроченные к трещиноватым песчаникам и известнякам, имеют вид разобщенных блоков, занимающих различное гипсометрическое положение. Сообщение между отдельными водоносными горизонтами — блоками осуществляется по тектоническим трещинам.

К глубоким трещинам в земной коре приурочены многие минеральные и термальные источники. Воды подобных источников иногда выносят на поверхность земли в растворенном виде элементы, не встречающиеся в подземных водах, циркулирующих в верхних зонах земной коры.

 

 

КАРСТОВЫЕ ВОДЫ

Карстом называется совокупность явлений, связанных с деятельностью подземных вод и выражающихся в выщелачивании горных  (известняков,

 доломитов, гипса и др.) и образовании в них пустот (каверн, каналов, пещер и т. п.), а также своеобразных форм рельефа. В СССР имеется много

Рис. 9. Тектонические трещины, измененные карстовыми процессами1- известняки; 2- сланцы; 3- песчано-глинистый материал

районов, где карстовые явления хорошо выражены. В пределах Русской равнины карст известен в Калужской, Тульской и Горьковской областях вдоль правобережья р. Оки, в Ленинградской и Новгородской областях, в районе Самарской Луки, на Уфимском плато, на водо­разделе между реками Северной Двиной и     

Онегой, на  Урале, в Крыму, на Кавказе, в       Средней Азии, в Сибири по р. Ангаре и в других местах.

Известняки, доломиты и гипсы в большинстве случаев водопроницаемы только по трещинам, с которыми и связано в основном развитие карста (рис. 9).

Вблизи склонов, особенно крутых, тектонические трещины бывают расширены выветриванием и в результате других причин, что приводит к увеличению поступления воды в породы и ускоряет фильтрацию, а следовательно, и растворение пород. Поэтому вблизи склонов развитие карстовых пустот идет особенно интенсивно.

В районах распространения карста рельеф имеет своеобразное строение. На поверхности образуются воронки, слепые овраги, поноры, котловины, полья, а внутри закарстованного массива пород возникают пустоты различного размера и формы — подземные каналы, пещеры, галереи, русла, по которым и циркулируют подземные воды.

В карстовых районах поглощение атмосферных осадков проис­ходит очень быстро через трещины и воронки. Образующиеся подобным путем подземные воды называются инфлюационными. Бели подземная вода полностью заполняет все сечение канала, то в нем создается гидростатическое давление, благодаря которому вода из канала по трещинам может подняться вверх.

В закарстованных породах наблюдается как бы два этажа подземных вод: верхний в виде разрозненных потоков, приурочен­ных к наиболее разработанным путям, и нижний, где заполнены все пустоты и трещины пород и подземные воды образуют сплош­ной поток, движущийся в горизонтальном направлении, часто образуя на склонах постоянно действующие источники, режим кото­рых зависит в основном от климатических факторов.

Проведение выработок в закарстованных и трещиноватых по­родах связано с большими трудностями. Иногда гидрогеологиче­ские условия месторождений в карстовых районах не позволяют вести разработку полезных ископаемых ниже уровня подземных вод. Например, разработка флюсовых известняков и доломитов на Щелковских карьерах под Москвой до последнего времени ведется только выше уровня подземных вод.

В практике строительства и эксплуатации карьеров известны случаи прорыва карстовых вод даже в тех случаях, когда выработками не вскрывались непосредственно раскарстованные поро­ды. Примером может служить прорыв напорных вод из девонских известняков на Богословском угольном карьере в 1945 г.

Поэтому при ведении горных работ как подземным, так и открытым способом в районах распространения трещиноватых, особенно закарстованных пород, необходим детальный анализ гидро­геологических условий месторождения в целях учета их при проектировании горных работ и разработке полезных ископаемых.

 

 

ГЛАВА 4