Образование «ледяной сетки» как жесткой пространственной криогенной кристаллизационной структуры соответствует возникновению в первичной среде (вода, раствор, влагосодержа-щая горная порода) новой пространственной, а именно криогенной, структуры и текстуры, что собственно является основным признаком криогенной породы как особой разновидности поликристаллического твердого тела. Очевидно, что формирование криогенной породы на этой стадии существенным образом зависит от условий протекания процесса льдообразования, который практически всегда является гетерогенным. Можно выделить следующие основные процессы образования и развития пространственной криогенной кристаллизационной структуры:

• возникновение ледяного покрова на границе раздела вода (раствор) —воздух;
• образование льда из жидкой фазы вблизи поверхностей твердых тел, в том числе и в горных породах;
• обмерзание охлажденной поверхности твердого тела при попадании на нее капель переохлажденной воды (раствора);
• формирование льда из снежно-фирновой толщи.

Покровные льды открытых водоемов и скоплений воды (растворов) характеризуются структурой первичного слоя льда, зависящей от степени переохлаждения воды, температурного градиента и его стабильности, концентрации растворенных солей, числа и степени дисперсности механических примесей, динамики поверхности водоемов, выпадения осадков в виде переохлажденных капель воды или снега и т. п. Как следует из работ [11, 68, 70], в первую очередь развиваются крупные игольчатые или дендритовые кристаллы, растущие как вдоль поверхности водоема, так и по нормали к ней, которые, смыкаясь, образуют остов ледяного покрова. Далее происходит укрупнение кристаллов остова и рост в его пустотах новых, более мелких кристаллов. Возникающий на поверхности водоема первичный сплошной слой поликристаллического льда характеризуется значительной разнородностью структурных характеристик (размеры, ориентация осей кристаллов). Результаты детального петрографического изучения ледяных покровов пресноводных и морских водоемов содержатся в работах [11, 55, 68, 110 и др.]. Однако в соответствии с основной направленностью данной книги наибольший интерес для нас представляет второй случай_г т. е. образование льда вблизи границ раздела воды (раствора) с твердыми телами, в особенности в горных породах.

При замерзании воды (раствора) у поверхности раздела с твердым телом строение приконтакт-ных слоев льда зависит от физико-химических свойств и шероховатости поверхности твердого тела. Структурно-петрографические исследования [16, 69, 85] показали, что контактирующие с поверхностью твердого тела слои льда обычно слагаются кристаллами примерно одинакового размера, изометричной формы и беспорядочной ориентировки, причем вид структуры зависит от степени гидрофобности материала, его температуропроводности, концентрации активных центров на поверхности и возможности эпитаксии льда на данном материале. Размеры кристаллов в приконтактном слое возрастают с увеличением гидрофобности материала, с уменьшением его температуропроводности и концентрации активных центров на его поверхности. При равенстве этих условий число кристаллов в единице объема оказывается пропорционально переохлаждению раствора (ДГ)^1/а, но при различном коэффициенте пропорциональности для разных материалов.

Рост кристаллов льда начинается от зародышей, возникающих у поверхности твердого тела, причем наибольшее развитие получают кристаллы, растущие в направлении, совпадающем, с направлением градиента температуры. Смыкание этих кристаллов образует первичную ледяную пространственную кристаллическую структуру (ледяную «корку»). Если замерзание слоя воды происходит между двумя поверхностями твердых тел, то кристаллы образуются на обеих поверхностях, причем концентрация зародышей и интенсивность их роста являются функциями физико-химических характеристик и интенсивности тепловых потоков, связанных с каждой из поверхностей. В зависимости от условий роста кристаллов у поверхностей в центральной части ледяного прослоя при достаточной его толщине (порядка нескольких сантиметров) может наблюдаться зона срастания двух ледяных тел, в которой наблюдается повышенная концентрация солей, примесей и других дефектов. Строение приконтактного слоя льда имеет существенное значение при изучении его адгезии с поверхностью твердого тела, вблизи которой происходит замерзание раствора [16, 71].

Практически важным является образование льда в промерзающих влагосодержащих дисперсных- грунтах. Следует отметить, что процесс льдообразования в промерзающем грунте наиболее сложен из всех возможных процессов фазовых переходов вода — лед. Вода в дисперсных грунтах обычно является раствором многих электролитов, который находится еще и под воздействием активной поверхности твердого тела (скелета грунта). Это определяет сложность и мультифункциональность физико-химических процессов, протекающих на молекулярном уровне лри осуществлейии фазовых переходов вода — лед в грунтах. В настоящее время эти процессы интенсивно изучаются. Сформулируем кратко лишь наиболее важные особенности процесса льдообразования в промерзающем грунте.

Жидкая фаза в дисперсных породах представляет собой по-ровый полиионный раствор, 'находящийся под воздействием качественно различных, активных поверхностей твердых тел. Поэтому энергетическое состояние, а следовательно, и структура жидкой фазы в дисперсном грунте неоднородны и процесс ее кристаллизации должен происходить в несколько стадий в достаточно широком диапазоне температур.

При фиксированной отрицательной температуре в данной дисперсной влагосодержащей породе всегда имеется некоторое количество незамерзшей (не кристаллизовавшейся в лед) воды, которую часто называют связанной и подразделяют на ряд категорий по степени связанности [22, 28]. Количество намерзшей воды будет тем больше, чем больше концентрация порового раствора, активная удельная поверхность скелета грунта (степень дисперсности), адсорбирующая активность поверхности твердых частиц и некоторые другие характеристики.

Процесс льдообразования в дисперсных грунтах при понижении их температуры ниже 0° С и переохлаждении в них жидкой фазы существенным образом зависит от состава (минерального и фазового), тепловых свойств компонентов грунта и от термодинамических условий промерзания. Можно выделить следующие основные факторы, определяющие протекание процессов льдовыделения в этих породах: кристаллохимическая структура зерен скелета породы (минеральный состав), размеры зерен и распределение их по размерам, режим (скорость) промерзания, состав и концентрация порового раствора, полное или частичное влагонасыщение пор.

Рис. 9. Массивная криогенная текстура в мерзлом кварцевом песке (фракция 0,25—0,1 мм)

В общем случае дисперсная мерзлая порода состоит из вещества в твердой, жидкой и газообразной фазах, каждая из которых может быть подразделена на ряд компонентов [22]. Образующийся в породе лед следует рассматривать, с одной стороны, как один из основных породообразующих минералов, а с другой, — как вещество, образующее пространственную криогенную кристаллизационную структуру. Возникающая при этом степень монолитизации дисперсной породы зависит от общего количества льда (льдистости породы), характера выделения льда (криогенной текстуры), площади и типов его контактов с частицами скелета породы.

При полном влагонасыщении пор промерзание породы приводит к образованию сплошной поликристаллической среды с дефектами в виде пленок и ячеек незамерзшего порового раствора в межзерновых граничных зонах. В случае промерзания дисперсных пород с неполным влагонасыщением пор выделяющийся лед можно рассматривать как цемент контактного или пленочного типа [59, 60]. При этом мерзлая порода оказывается сложной пористой газонасыщенной средой. В обоих ^ случаях физические свойства, в том числе и прочность мерзлой породы находятся в большой зависимости от ее фазового^ состава, т. е. от содержания, состояния и распределения жидкой фазы, а также от общей льдистости и мерзлотной текстуры.

Разработана довольно подробная классификация структурно-текстурных особенностей и разновидностей возникновения эзлых горных пород [22, 59, 70, 111]. В общих чертах образо-1ие пространственной криогенной структуры можно представь следующим образом.

 

 

Рис. 10. Микротекстура, обу
словленная сегрегационным
льдом в мерзлом суглинке
(увеличено в 10 раз):

а — кольцевая; б — сетчатая; в — слоистая

2. При замерзании имеет место миграция поровой влаги. 3 этом случае возникают прожилки и линзы льда в результате миграции влаги к фронту промерзания и образуются различные зиды шлировых криогенных текстур (рис. 10, 11). Лед, формирующийся в мелких (размером около 1 мм) шлирах,— мелкокристаллический с изометричными, хаотично или слабоупоря-хоченно ориентированными кристаллами. При значительной мощности ледяных шлиров структура ледяного тела от периферии к центральной части шлира меняется от мелкокристалли-^леской хаотичной до средней и крупнокристаллической, упорядоченной со столбчатыми или призматическими кристаллами. Неимущественная ориентировка оптических осей кристаллов в центральной части шлира обусловлена его расположением по отношению к фронту промерзания [67].

При возникновении льда вблизи поверхности твердого тела в результате замерзания растворов солей или морской воды, в соответствии с установленными особенностями кристаллизации растворов (см. § 2 данной главы) также возникает пространственная криогенная кристаллизационная структура из кристаллов практически пресного льда.

 

Рис. 11. Различные типы микротекстуры глины (увеличено в 50 раз) при влажности:

а -26%; 6-50%; в - 90%

 В граничных межзерновых зонах этой структуры располагаются прослойки (ячейки) концентрированного раствора. При этом влияние поверхности твердого тела сказывается на толщине и расположении ячеек рассола

Кристаллооптические исследования соленых льдов [68 85 \г\\ показали, что основная масса рассола (примерно 95%) равномерно распределяется в межкристаллических прослойках толщина которых в одном и том же ледяном образовании почти одинакова. Это означает, что рассол распространяется в пространственной ледяной структуре практически равномерно. В при-контактных слоях соленого льда это распределение, так же как и структура, оказывается 'иным и зависит от материала обледеневающего твердого тела и состояния его поверхности. Обмерзание поверхностей твердых тел при попадании на них капель переохлажденной жидкости и формирование льда из снежно-фирновой толщи имеют важное значение при изучении естественного и искусственного обледенения различных объектов и динамики ледников, но в данной книге не рассматриваются и являются предметом специальных исследований [10, 55, 70, 74, 110, 131, 143]. Однако и в этих случаях в конечном счете возникает пространственная криогенная кристаллизационная структура с дефектами и примесями, концентрирующимися в межзерновых граничных зонах.

Таким образом, с общих позиций физической модели любой криогенной породы, второй этап ее формирования характеризуется возникновением пространственной криогенной кристаллизационной структуры («ледяной сетки»). Эта пространственная структура во всех случаях образования криогенных пород представляет собой достаточно жесткую устойчивую сетку из кристаллов (зерен) льда с граничными зонами, содержащими армирующие (укрепляющие) или ослабляющие дефекты.

В общем случае к этим дефектам можно отнести: кристаллогидраты солей, ячейки рассола и, наконец, дисперсные частицы минерального скелета мерзлых грунтов, окруженные пленками незамерзшей воды. Последние на определенной стадии промерзания при некоторой малой толщине пленок незамерзшей воды и определенной льдистости породы могут быть армирующими дефектами, обусловливающими повышение жесткости и прочности мерзлой горной породы по сравнению с поликристаллическим льдом. При других условиях наличие их, так же как и ячеек рассола, оказывает ослабляющее влияние на пространственную криогенную структуру (см. § 4 и 5 главы III).

Границы зерен в поликристаллическом теле обладают избыточной поверхностной энергией и по ним в основном происходит распространение трещин. Подобно этому при контактировании с поверхностно-активной средой обнаруживается преимущественное межкристаллитное разрушение вплоть до полной деструкции (разваливания) по границам зерен. В то же время по границам зерен в поликристаллическом теле происходит упрочнение и понижение пластичности (по сравнению с монокристаллом) вследствие торможения движения трещин, дислокаций, изменения концентрации напряжений и т. п.

На границах зерен происходит адсорбция поверхностно-ак-тивных примесей как при кристаллизации из расплавов и растворов, так и в результате диффузии. Легкоплавкая примесь с низким поверхностным натяжением может иметь значительную поверхностную активность и интенсивно адсорбироваться на границах зерен. При этом происходит резкое охрупчивание материала, так как в процессе разрушения вскрываются поверхности с резко пониженной свободной энергией. В данном случае предел прочности становится меньше предела текучести.

Дефекты структуры твердых тел, обусловливающие упрочнение, вызывают вместе с тем уменьшение термодинамической стабильности вследствие накопления в теле избыточной свободной энергии этих дефектов, что должно приводить к развитию процессов релаксации. При этом имеет место особенная подверженность влияниям внешних условий, чего нет, например, при идеальном кристаллическом строении.

Экспериментальные и теоретические исследования прочности смерзания порового льда с частицами скелета породы показали, что следует выделять приконтактные слои льда, которые по своему строению, составу и свойствам отличаются от объемного льда. Так, в результате исследований В. Н. Голубева [16] и И. Б. Савельева [71] установлено, что прочность адгезии зерен льда с частицами породы, а следовательно, и другие механические свойства существенным образом зависят от формирующихся переходных слоев в граничной зоне: зерно льда — частица породы. В зависимости от строения и состава этих слоев изменяется соотношение между адгезионной и когезионной прочностью зерен льда. Установлено также существенное влияние мелких неровностей (их формы, размеров, распределения по размерам) поверхности твердых тел, в том числе и природных минералов, на формирование льда, структуру приконтактного слоя, а следовательно, и на прочность адгезии. Выявлены основные термодинамические параметры, позволяющие производить сравнительную характеристику различных материалов (минералов, дерева, пластиков) по прочности смерзания их со льдом [16].