Криогенные породы — это природные образования, возникающие вследствие замерзания воды или водных растворов на поверхности Земли и в земной коре. Необходимым условием возникновения и эволюции криогенных пород при давлении, близком к атмосферному, является температура ниже 0°С (от десятых долей градуса до нескольких градусов).

Основным отличительным признаком криогенных образований, обусловливающим их специфику, является наличие в них кристаллической и жидкой фазы Н₂0, которая содержится главным образом в граничных зонах между кристаллическими частицами породы. Другие горные породы в подобном физическом состоянии, с частичным подплавлением одного (или нескольких) :из породообразующих минералов, могут оказаться только в условиях высоких давлений и температур, которые имеют место в нижних частях земной коры и в верхней мантии.

Криогенные породы подразделяются на группы:

1. ледяные образования, являющиеся практически мономинеральными породами — снег, фирн, льды ледников, ледяные покровы открытых акваторий, в том числе морские льды, а также наледи и подземные льды;

2. мерзлые горные породы, содержащие лед как один из породообразующих минералов и представляющие собой полиминеральные геологические образования.

Ледяные образования, возникающие и содержащиеся в атмосфере, не могут быть отнесены к криогенным породам до тех пор, пока они не станут составной частью земной коры.

Существует еще одна группа криогенных образований, которая имеет большое практическое значение, однако по генетическим признакам ее отнести к криогенным породам все же нельзя. Это ледяные тела, возникающие при обледенении объектов и конструкций, созданных человеком: мачт, башен, линий электропередач, антенных систем, движущихся объектов (самолетов, судов и т. п.), а также образования, возникающие в результате

смерзания отбитой породы в рудоспусках рудников, расположенных в северных и высокогорных районах. Строение, состав и свойства этих образований в значительной степени вызваны дополнительными термодинамическими условиями, связанными с конструктивными особенностями, режимом работы, динамикой движения обмерзающих объектов и другими факторами, усложняющими процесс формирования криогенного образования. Эта группа криогенных образований представляет собой объект самостоятельных исследований [16, 69, 74].

Генезис и эволюция криогенных пород могут быть рассмотрены с позиций общих геолого-петрографических закономерностей формирования горных пород.

Так, среди мономинеральных ледяных образований можно выделить по аналогии с остальными горными породами следующие основные типы:

конжеляционные льды, образующиеся в результате замерзания воды и растворов, т. е. расплава НгО (аналог магматических пород);

«осадочные» льды, возникающие из парообразной и капель-ио-жидкой фаз — снег, град, иней.

метаморфические льды, например ледниковые.

Выполimages/elidrsvkriogendoc/нено значительное число работ, посвященных детальному геолого-петрографическому изучению и классификации ледяных образований. В первую очередь, это работы Б. П. Вейн-берга [12], П. А. Шумского [110, 111], Б. А. Савельева [68, 70] и др. Каждый из типов ледяных образований, выделенных по генетическому признаку, характеризуется своими структурно-текстурными особенностями, содержанием и распределением жидкой фазы, а следовательно, и физико-механическими свойствами при одинаковых термодинамических условиях. В пределах каждого типа выделяют ряд классов, видов и разновидностей льдов.

Вторая группа криогенных пород — мерзлые горные породы— представляет собой наиболее важный объект при решении многих горно-геологических и практических задач в районах с суровым климатом.

Н. А. Цытович дает следующее определение, которое является общепринятым в мерзлотоведении и его следует применять во всех прикладных науках:

«Мерзлыми породами, грунтами, почвами называются влаго-содержащие породы, грунты, почвы, имеющие отрицательную или нулевую температуру, в которых хотя бы часть воды перешла в кристаллическое состояние» [107]. Мерзлые горные породы классифицируют по времени существования на сезонномерзлые и многолетнемерзлые («вечная мерзлота») и по их генезису. При этом выделяют следующие многолетнемерзлые породы:

сингенетические, т. е. накапливавшиеся и промерзавшие в одно геологическое время;

эпигенетические — промерзавшие после накопления и. формирования толщи пород.

С генетическими типами, литологией, условиями залегания и температурным режимом тесно связаны структурно-текстурные особенности мерзлой горной породы и ее фазовый состав, которые являются определяющими при изучении физико-механических свойств пород. Глубина промерзания их зависит от ряда условий, в том числе и от длительности охлаждения. Поэтому мощность сезонно-мерзлых пород обычно составляет всего десятки сантиметров или метры, а мощность многолетнемерзлых пород достигает сотен метров, возрастая с понижением среднегодовых температур.

Сезонномерзлые породы обычно представляют собой непрерывные по вертикали слои, верхняя поверхность которых совпадает с земной поверхностью.

Слой у поверхности Земли, который летом оттаивает, а зимой промерзает, часто называют деятельным слоем.

Верхняя граница многолетнемерзлых пород может находиться на различной глубине в зависимости от интенсивности сезонного и многолетнего оттаивания. В связи с этим выделяют сливающиеся и несливающиеся многолетнемерзлых толщи. В последнем случае верхняя граница мерзлой толщи залегает ниже подошвы слоя сезонного оттаивания и промерзания. Встречаются также слоистые многолетнемерзлые толщи* разделенные прослоями талых пород (например, в Прибайкалье).

Следует отметить, что непрерывность мерзлых толщ по простиранию (зона сплошной мерзлоты) наблюдается только в самых северных районах (рис. 1), но и там под большими реками, озерами и в местах усиленной циркуляции подземных вод имеются участки со сквозным протаиванием — талики. Встречается много таликов и не гидрогенного происхождения, например, на водоразделах и склонах гор южной экспозиции, в карстовых массивах, в местах устойчивых снежных надувов, под ледниками и т. д.

Известны талики, приуроченные к участкам возгорания углей и к сульфидным месторождениям, образовавшиеся за счет тепла экзотермических реакций окисления, сквозные и замкнутые талики, причем последние могут иметь как многолетнемерзлую подошву, так и кровлю. Естественно, что количество и площадь таликов возрастают в направлении к южной границе распространения многолетнемерзлых пород (см. рис. 1), при этом постепенно наблюдается переход от зоны сплошной мерзлоты к прерывистой, а затем к зоне островной мерзлоты, т. е. к наличию отдельных мерзлых массивов — островов среди талых пород. Последнее в определенной мере осложняет установление южной границы многолетнемерзлых пород. Распространение многолетнемерзлых пород происходит в определенной

Рис. 1. Схематическая мерзлотная карта СССР (составлена В. А. Кудрявцевым и К. А. Кондратьевой [22]):

1 — южная граница области распространения многолет немерзлых пород (температура пород на подошве слоя годовых колебаний равна 0°С); 2 — граница температурных 'зон многолетнемерзлых пород (Т — температура пород, °С); 3 —зона отдельных островов многолетнемерзлых пород максимальной мощностью до 25 м; 4 — зона несплошных многолетнемерзлых пород максимальной мощностью до 100 м; 5 —зона многолетнемерзлых пород с преобладанием мощности 100—200 м; 6 — то же, мощностью 200—300 м; 7 —тоже, мощностью 300—400 м; 8 — то же (вместе с зоной охлаждения), мощностью 4С0—500 м; 9 — то же, мощностью более 500 м; 10 — участки распространения многолетнемерзлых пород (вместе с зоной охлаждения) мощностью более 500 м широтной и высотной зональности [22, 49, 50]. Мощность много-летнемерзлой толщи в северных районах достигает 500—700 м,. возрастая в отдельных местах до 1000—1300 м, например, в районе хребта Удокан в Прибайкалье.

Однако мощность мерзлой толщи не всегда совпадает с мощностью зоны отрицательных температур в верхней части земной, коры и может быть меньше последней на десятки и сотни метров, если имеются породы, насыщенные минерализованными водами. В этих случаях под мерзлой толщей залегают так называемые криопеги, т. е. влагонасыщенные породы не содержащие льда при отрицательной температуре. Температурное поле в: условиях мерзлой зоны часто находится в нестационарном состоянии, следствием чего является сильно растянутая геотермическая ступень. Установлено, например, что в районе г. Салехарда в интервале глубины 20—240 м температура мерзлой толщи понижается всего от —0,2 до —0,5° С. Таким образом, данные о распределении отрицательных температур по глубине не всегда позволяют определить мощность мерзлой толщи, что создает дополнительные сложности при изучении мерзлотно-геологичес-ких разрезов. Основные принципы и результаты мерзлотно-гео-логических исследований изложены в работах [12, 22, 49—52, 56, ПО и др.].

Формирование криогенных пород, многообразие их форм и: свойств, а также значительная изменчивость последних определяются главным образом условиями и кинетикой фазовых пере-ходов вода — лед как при возникновении криогенных образований, так и в процессе их эволюции. Поэтому прежде чем перейти к рассмотрению физических свойств криогенных пород, необходимо хотя бы кратко остановиться на особенностях этих фазовых переходов, а также на строении и составе криогенных пород,, формирующихся при определенных термодинамических условиях. Следует отметить, что этим вопросам посвящено значительное число работ, однако до настоящего времени многие стороны фазовых переходов в криогенных породах и льдообразования являются дискуссионными. Ниже приводятся некоторые обобщенные сведения с учетом новейших достижений экспериментальных и теоретических исследований, причем основное внимание уделяется качественной, физической стороне процессов и: явлений.