Эволюция криогенной породы, вызванная изменением свойств кристаллов льда и других компонентов в условиях завершения фазовых переходов вода — лед. Эта стадия соответствует достаточно низким температурам. Ниже приведены ориентировочные температуры (°С) криогенных пород, которые соответствуют этой стадии их формирования и развития.

Пресноводный лед <—10 ч—15

Соленый (№С1) лед <—22

Морской лед <—60ч—70

Мерзлый песок <20ч—30

Мерзлый каолин <—80

Мерзлый монтмориллонит <—100

Следует отметить, что приводимые температуры определены на основании анализа результатов экспериментов, выполненных в последние годы различными физическими методами (акустическим, диэлектрической и ядерно-магнитной спектроскопии и другими) и не полностью согласуются с широко известными дан-ными калориметрических измерений.

Как следует из приведенных данных, большинство криогенных пород в природных условиях в процессе своего формирования не доходят до четвертой стадии. Исключение составляет пресноводный лед и мерзлый кварцевый песок без значительного содержания пылевых фракций. Однако в некоторых случаях, например при создании подземных хранилищ сжиженного газа температура ледопородной стенки может оказаться близкой —100° С и ниже. Свойства криогенных пород при таких температурах изучены крайне слабо, однако можно считать, что их эволюция на этой стадии происходит в основном за счет изменений свойств кристаллов льда, отвердевших граничных зон, возникновения и развития трещиноватости.

Таким образом, рассмотренные стадии формирования и эволюции криогенных пород позволяют хотя бы в первом приближении представить с единых позиций специфику и многообразие их состояний, а следовательно, и основы изменчивости их физических свойств.

Влажность и льдистость дисперсных мерзлых пород являются важнейшими характеристиками их состава. Выделяют общую или суммарную массовую влажность, т. е. общее количество льда и незамерзшей воды в грунте №_с; количество незамерзшей воды — №_н;  льдистость №_л, т. е. количество льда в породе; степень заполнения пор льдом и незамерзшей водой. Величины №_с> л и №_н могут выражаться в процентах через соотношение массовых или объемных характеристик.

Соотношения между этими и другими характеристиками состава криогенных пород следующие.

Объемная масса скелета породы

Объемная масса мерзлой породы.

масса льда в единице объема мерзлой породы

масса незамерзшей воды в единице объема мерзлой породы

масса минерального скелета в единице объема мерзлой породы

льдистость массовая

содержание незамерзшей воды массовое

степень водонасыщения (заполнения пор) мерзлой породы

тде у — объемная масса породы, г/см³; /₀ — доля льдистости в общем количестве льда и незамерзшей воды; Д — плотность скелета породы.

Переход от массовых значений характеристик влажности к •объемным легко осуществить с помощью соотношения

При увеличении общей влажности (льдистости) в промерзающей влагонасыщенной породе ее пористость возрастает, а плотность снижается. В соответствии с классификацией П. А. Шум--ского [ПО], в мерзлых породах можно выделить следующие генетические типы льда: конституционный, распределенный в мерзлой породе; жильный и повторно-жильный; погребенный.

Кратко рассмотрим лишь первый тип, так как именно конституционный лед определяет формирование текстуры и структуры мерзлой породы, а жильные и погребенные льды представляют собой самостоятельные разновидности ледяных пород.

При образовании конституционного льда выделяют: лед — ц е м е н т, т. е. лед, образующийся около частиц и в порах породы, и сегрегационный лед, образующийся в виде шлиров, линз и т. п., достаточно крупных включений. Разработаны соответствующие классификации разновидностей этих льдов [107, ПО], по которым определяется тип криогенной структуры и текстуры породы. Различают три основные типа криогенных текстур мерзлых пород:

массивная, когда ледяные шлиры отсутствуют, лед распределен равномерно; слоистая, когда ледяные шлиры находятся в виде параллельных слоев и линз; ячеистая (сетчатая), при которой шлиры разделяют мерзлую породу на ячейки (см. рис. 9 и 10).

Существует и более детальная классификация криогенных текстур по различным генетическим типам и литологическим разновидностям пород. Однако при описании упругих и электрических свойств мы будем иметь дело лишь с первым типом, так как большинство экспериментальных данных о физических свойствах криогенных пород, в том числе изложенные в данной книге, относятся к породам с массивной криогенной текстурой.