Документ 2044635

КРИОЛИТОЗОНА (от греч. kryos — холод, мороз, лёд, lithos —
камень и zone — пояс * а. cryolitic zone, cryolithozone; н.
Frostboden; ф. zone de cryolithe; и. zona de criolitas) — часть
криосферы, представляющая собой верхний слой земной коры,
характеризующийся
отрицательной
температурой
почв
и горных пород и наличием или возможностью существования
подземных льдов.
Вечная мерзлота – часть криолитозоны, характеризующаяся
отсутствием периодического протаивания. Мерзлотными
принято называть грунты, имеющие минусовую или нулевую
температуру
и
содержащие
ледяные
включения.
Вечномерзлотными
называются
мерзлотные
грунты,
находящиеся в мерзлом состоянии в течение трех и более лет.
Площадь распространения многолетнемерзлых
пород
в
пределах России составляет 47 % (примерно 10 млн. кв. км)
территории.
В
Северной
Америке
область
распространения
многолетнемерзлых толщ охватывает значительную часть
Аляски и Канады. В пределах Северного Ледовитого океана все
острова, а также Гренландия сложены многолетнемерзлыми
породами
В
южном
полушарии
в
область
распространения
многолетнемерзлых
пород
включаются
Антарктида
и
прилегающие к ней острова, а также высокогорные участки в
Южной Америке и Африке, Австралия является единственным
континентом, где мерзлота не наблюдается.
– отдельных кристаллов размером от неразличимых простым
глазом до четко видимых, часто образующих скопления в виде
гнезд;
– закономерно залегающих в породе горизонтальных,
наклонных и ледяных вертикальных шлиров, слоев, линз
различной толщины, расположенных на различном расстоянии
друг от друга и образующих определенные криогенные
текстуры;
– крупных масс подземного льда, таких как, например, ледяные
жилы (повторно-жильные льды) и пласты льда, которые можно
рассматривать как мономинеральную горную породу.
– кратковременномерзлые породы (часы, сутки);
– сезонномерзлые породы (месяцы);
– многолетнемерзлые породы (годы, сотни и тысячи лет).
1) Эпигенетические промерзшие - горные породы, которые
перешли в многолетнемерзлое состояние после того, как
завершился процесс накопления осадков и их диагенетического
преобразования.
2) Сингенетически промерзшие – горные породы формируются
из осадочных отложений на мерзлом субстрате, когда
геологически синхронно происходят накопление осадка и его
переход в мерзлое состояние.
Под криогенной структурой мерзлых пород следует
понимать
строение
породы,
определяемое
взаимным
расположением, величиной и формой минеральных элементов и
ледяных
включений,
характером
поверхности
этих
составляющих, а также наличием и характером связей между
ними.
Текстура – это сложение горной породы, определяемое
особенностью относительного расположения составных частей
породы в пространстве. Криогенная текстура (криотекстура)
свойственна в основном мерзлым дисперсным породам и
определяется особенностью относительного расположения в
пространстве сцементированных льдом частиц и агрегатов
породы и шлиров льда.
– состав, генезис и первичная структура породы;
– начальная влажность, ее распределение по глубине толщи,
наличие или отсутствие в разрезе водоносных горизонтов;
– состав, генезис и первичная структура породы;
– начальная влажность, ее распределение по глубине толщи,
наличие или отсутствие в разрезе водоносных горизонтов;
–
условия
промерзания
толщи отложений – скорость
промерзания
и
режим
промерзания
в
период
формирования
мерзлой
толщи и за время ее
существования.
1) слоистую криогенную текстуру, когда прослои льда
параллельны друг другу (самой простой ее разновидностью
является горизонтально слоистая текстура);
2) блоковую криогенную текстуру, когда одновременно с
параллельной имеет место ортогональная или наклонная
ориентировка прослоев льда, образующих в плане ледяную
сетку (сетчатая криогенная текстура);
3)
ячеистую
криогенную
текстуру,
характерную
для
монтмориллонитовых глин и связанную с образованием
прослоев льда в виде ячей.
Существенной составляющей природной среды является
геологическая среда, о которой применительно к тому или
иному виду хозяйственной деятельности человека можно
говорить в нескольких аспектах:
1) как об инженерно-геологической среде, в которой и на
которой проводятся и работают различные сооружения;
2) как о среде — источнике полезных ископаемых;
3) как о геологической среде — важнейшем компоненте
природного
комплекса,
являющегося
средой
обитания
животного мира и человека.
Одной
из
основных
особенностей
проектирования,
строительства и эксплуатации инженерных сооружений в
криолитозоне
является
необходимость
учитывать
и
регулировать теплообмен грунта с сооружениями и с внешней
средой.
С изменением при хозяйственном освоении территории
температурного и влажностного режимов пород, особенно с
переходом температур через 0 0С, связаны изменения:
• состава, строения и свойств пород,
•прочности, несущей способности и сжимаемости мерзлых
пород,
•напряжений и деформаций пучения,
•разрабатываемости мерзлых пород при горных работах,
• интенсивности развития термоэрозии, наледей, термокарста,
солифлюкции и т.д.
Развитие солифлюкционного процесса может приводить к
сползанию отложений на склонах на расстояние нескольких
десятков метров (при развитии вязкотекучих деформаций в
оттаивающих грунтах).
Развитие термокарста приводит к просадкам поверхности и
заболачиванию больших территорий.
Изменение глубин сезонного промерзания и оттаивания и
последующее изменение режима грунтовых вод часто приводит
к активизации наледного процесса.
К концу XX века одной из самых важных глобальных проблем
стало обеспечение безопасности проживания человека и
природы, устойчивого и безопасного функционирования всех
природных
и
природно-технических
систем,
а
также
рационального и устойчивого развития всех общественногосударственных систем
В состав физических характеристик, определяемых для мерзлых
грунтов, входят:
- суммарная влажность мерзлого грунта w tot ;
- влажность мерзлого грунта между включениями льда w m ;
- влажность мерзлого грунта за счет не замерзшей воды w w ;
- влажность мерзлого грунта за счет ледяных включений,
прослоев и линз (w i );
- влажность мерзлого грунта за счет порового льда (льдацемента), w ic ;
- суммарная льдистость мерзлого грунта i tot и льдистость
мерзлого грунта за счет включений льда i i ;
- степень заполнения объема пор мерзлого грунта льдом и не
замерзшей водой S r .
Суммарной влажностью (w tot ) называется отношение массы
всех видов воды к мерзлом грунте к массе скелета грунта,
определяется в соответствии с ГОСТ 5180–84.
Состоит из влажности мерзлого грунта
за счет ледяных включений, прослоев и линз (w i ) и влажности
мерзлых минеральных прослоек (w m ), которая в свою очередь
слагается из влажности мерзлого грунта за счет порового льда
(льда-цемента), w ic , и влажности за счет не замерзшей воды
(w w ):
Обычно все входящие в выражение параметры влажности
должны определяться в ходе полевых и лабораторных работ
опытных путем.
При затруднениях, связанных с определением, строительными
нормами и правилами (СНИП) допускается вычисление части
показателей.
Влажность мерзлого грунта между включениями льда
определяется также в соответствии с ГОСТ 5180–84, в случае
если w m нельзя определить опытным путем, то для глинистых
грунтов принимается:
где w p – влажность, соответствующая нижнему пределу
пластичности (влажность на границе раскатывания), доли
единицы.
Влажность мерзлого грунта за счет не замерзшей
воды, w w , определяется опытным путем.
Для мерзлых незасоленных грунтов допускается
определять по формуле:
где k w – коэффициент, принимаемый по табл. 3.1 в
зависимости от температуры грунта Т, ° С и числа
пластичности I p :
где w l – влажность грунта, соответствующая верхнему
пределу пластичности (влажность на границе текучести).
Влажность мерзлого грунта за счет порового льда
(льда-цемента), w ic , обычно вычисляется по зависимости:
Влажность мерзлого грунта за счет ледяных включений, w i :
Величина суммарной влажности мерзлых грунтов изменяется в
широких пределах и может намного превышать их полную
влагоемкость в талом состоянии.
Например, влажность мелкозернистых пылеватых песков с
включением органического вещества может достигать 60 %.
Влажность заторфованных суглинков – 150–200 %.
Влажность торфа – 400–800 % и более.
Неоднородность криогенного строения мерзлых пород по
вертикальному профилю, неоднородность их механического
состава
предопределяют
необходимость
обязательного
послойного
определения
влажности
и
льдистости
с
предварительным подразделением на неоднородные по составу
и криогенной текстуре слои в каждом генетическом горизонте
отложений. Определение влажности и льдистости производится
с таким расчетом, чтобы учесть изменение этих величин во
времени и по глубине разреза.
Грунт – горные породы, почвы, техногенные образования,
представляющие собой многокомпонентную и многообразную
геологическую систему и являющиеся объектом инженернохозяйственной деятельности человека.
Грунт мерзлый - грунт, имеющий отрицательную или пулевую
температуру, содержащий в споем составе видимые ледяные
включения и (или) лед-цемент н характеризующийся
криогенными структурными связями.
Грунт многолетнемерзлый (синоним - грунт вечномерзлый) грунт, находящийся в мерзлом состоянии постоянно в течение
трех и более лет.
Грунт сезонномерзлый - грунт, находящийся в мерзлом
состоянии периодически в течение холодного сезона.
Температура
начала
замерзания
(оттаивания)
T bf
температура, 0С, при которой в порах грунта появляется
(исчезает) лед.
Коэффициент
сжимаемости
мерзлого
грунта
pотносительная деформация мерзлого грунта под нагрузкой.
Суммарная льдистость мерзлого грунта, i tot д. е., - отношение
содержащегося в нем объема льда к объему мерзлого грунта.
Класс природных мерзлых грунтов по льдистости за счет
видимых ледяных включений i i
Разновидность грунтов
Льдистость за счет видимых ледяных включений ii д.ед
Скальные и полускальные грунты
Слабольдистый
Льдистый
Сильнольдистый
Очень сильнольдистый
<0,01
0,01-0,05
>0,05
-
Глинистые грунты
Песчаные грунты
<0,2
0,2-0,4
0,4-0,6
0,6-0,9
<0,1
0,1-0,2
>0,2
-
1) динамическое равновесие незамерзшей воды и льда в мерзлых
грунтах;
2) миграция воды при промерзании грунтов как результат
нарушения равновесия фаз;
3) текучесть (релаксацию и ползучесть) мерзлых грунтов при
длительном действии нагрузки;
4) нестабильность механических свойств мерзлых грунтов;
5) уплотняемость высокотемпературных мерзлых грунтов под
нагрузкой;
6) структурная неустойчивость, сжимаемость и просадочность
льдистых мерзлых грунтов при оттаивании;
7) нелинейность изменений пористости оттаявших слабых
глинистых грунтов при уплотнении их под нагрузкой.
Под геокриологическим прогнозом понимается научное
предсказание развития и изменения геокриологических
условий, которые произойдут в будущем либо в связи с
естественным ходом развития природы, либо в связи с
хозяйственным освоением территории.
1. Естественно-исторический - включает прогнозную оценку
изменения
характеристик
многолетнемерзлых
пород
и
протекающих в них процессов под влиянием естественной
динамики климата, неотектоники, уровня мирового океана,
процессов денудации и осадконакопления, ледяных покровов,
гидрогеологических, гидрологических и геоботанических
условий. Сюда же можно отнести прогнозную оценку обратного
влияния изменений геокриологических характеристик на
компоненты геосистемы.
2. Техногенный прогноз включает в себя оценку изменения
геокриологических условий под влиянием разнообразных
техногенных нарушений природного комплекса (начиная от
локальных изменений ландшафтных и геокриологических
условий и кончая глобальными преобразованиями природы —
созданием
искусственных
водохранилищ,
загрязнением
промышленными отходами атмосферы, поверхностных и
подземных вод, изменениями их температурного режима и др.).
Одним
из
разделов
техногенного
прогноза
является
инженерно-геокриологический прогноз. Составляется при:
выборе строительных площадок и трасс линейных сооружений,
оценке вариантов размещения строительных объектов и
выборе принципов их строительства,
выборе способов прокладки транспортных магистралей
выборе
способов разработки месторождений полезных
ископаемых и т.д.
На основе инженерногеокриологического
прогноза
рекомендуются
мероприятия,
исключающие
или
ограничивающие
последствия нарушения
природного равновесия
геосистем, опасные для
сооружений
и
природной среды;
разрабатываются
способы
управления
мерзлотным процессом.
изменения температурного режима пород;
динамика, масштабы проявления процессов
многолетнего
промерзания и протаивания горных пород;
изменение их состава, строения и свойств;
развитие криогенных геологических процессов, возможность
их
активизации
и
возникновения
новых,
время
их
стабилизации,
условия,
вызывающие
прогрессирующее
развитие.
Базой для составления геокриологического прогноза является
выявление закономерностей формирования среднегодовой
температуры пород,
глубин их сезонного оттаивания и промерзания,
криогенного строения и льдистости,
мощности толщ мерзлых пород на участке исследований.
Эти закономерности
мерзлотной съемки.
изучаются
в
процессе
проведения
Выполняют в основном две функции — описания и объяснения.
Понятийная модель геокриологического процесса представляет
собой обычно сжатую характеристику его основных наиболее
типичных черт и включает в себя объяснение механизма этого
процесса.
Позволяет проследить особенности криогенных процессов и
изучить
закономерности
формирования
физических
и
механических свойств грунтов в различных термодинамических
условиях, которые задаются в соответствии с поставленными
научными и практическими задачами и воспроизводят как
естественную, так и измененную строительством обстановку.
В ходе моделирования изучается зависимость свойств грунтов и
происходящих в них криогенных процессов от их :
•состава,
•генезиса
•возраста,
•плотности
•влажности,
•режима промерзания (протаивания) и температуры,
Изучаются закономерности формирования физических
механических свойств грунтов в заданных условиях.
и
Происходит
физико-географическое
сравнение
аналогов.
Состоит из выбора модели и перенесения получаемой при
изучении модели информации на оригинал. Фиксируется связь
мерзлотных условий с комплексом компонентов природной
среды, по существу очень близкие к тем, какие даются
практически
в
любом
современном
руководстве
по
геокриологической съемке.
43
Поисковые работы представляют собой комплекс
геологических работ, проводимых для выявления и
оценки полезных ископаемых. Они включают
геологическую и аэрогеологическую съёмки,
обломочно-речной, валунно-ледниковый, шлиховой,
металлометрический, геохимический и
геофизический методы поисков,
создание редкой сети искусственных обнажений коренных пород
путём расчисток их выходов,
проходки канав, шурфов.
44
Разведочные работы – это комплекс работ,
проводимых с целью промышленной оценки
месторождения, то есть установления количества и
качества полезного ископаемого, заключенного в
месторождении, условий его залегания. Комплекс
разведочных работ включает производство буровых,
гидрогеологических и геофизических работ. В результате
данных работ
производятся неорганизованные выбросы в
атмосферу пыли и газов;
прокладка дорог;
вырубка лесов;
нарушение почвенного
покрова.
45
Добычные работы – комплекс процессов,
необходимых для извлечения полезного ископаемого
из недр на поверхность. В процессе добычных работ
наблюдаются загрязнение атмосферы
организованными выбросами; проведение горных
выработок; извлечение полезных ископаемых,
вмещающих и вскрышных пород; осушение
месторождения;
перенос поверхностных водоёмов и водотоков.
48
Перерабатывающие работы – совокупность
производственных процессов по отделению вмещающих пород
от полезного ископаемого. На данном этапе добывающих работ
происходят сооружение отвалов, хвосто- и водохранилищ; сброс
сточных вод; ухудшение качества вод в результате
неблагоприятных изменений гидрохимических и
биологических режимов поверхностных и подземных вод;
эрозионные процессы; осаждение пыли и химических
соединений вследствие выбросов в атмосферу от тягачей и
тяжёлой техники; производственные и бытовые шумы;
ухудшение качества почв; изменение облика территории;
эрозионные процессы.
49
50
Комплекс природоохранных мероприятий для горнодобывающих
предприятий, расположенных в зоне распространения вечномерзлых пород
№
п/п
1
2
Характер
мероприятий
Защитные
Инженерные
Геологоразведочная деятельность
Поисковые работы
Разведочные работы
Размещение транспортных
площадок в местах
наименьшей мощности
почвенных отложений и
густоты растительного
покрова.
Вывоз буровой и тяжелой
техники в зимний период.
Минимизация вырубок при
устройстве временных
лагерей.
Горная деятельность
Добычные работы
Перерабатывающие работы
Соотнесение проведения
буровзрывных работ с
метеоусловиями.
Соблюдение жестких правил
размещения обогатительных
фабрик с учетом
метеорологической ситуации.
Обустройство площадок
проведения взрывных работ с
предварительным съемом
почвенно-растительного слоя,
который следует
складировать во временные
хранилища.
Вывоз отходов и дальнейшее их
захоронение на полигонах или их
вывоз после предварительной
сепарации и переработки отходов,
пригодных для вторичного
использования.
Применение песков,
укрепленных щебнем и
гравием, при создании
насыпей и дорожного
полотна с соблюдением
мерзлотных условий
основание.
Съем почвенно-растительного
слоя на месте размещения
лагеря и его складирование в
целях дальнейшей
рекультивации территории
транспортных площадок и
лагеря.
Ликвидация выемок
разведочных взрывных работ
загрязненными снеговыми
отложениями с участка
влияния взрыва.
Прокладка дорог должна
сопровождаться: подготовкой
искусственного основания и
применения других
противодеформационных
конструкций с применением
теплоизоляции; использованием
"универсина", являющимся
связывающим средством для
борьбы с пылеобразованием на
автодорогах карьеров.
Рациональное размещение
водопропускных сооружений
и устройств при
строительстве дорог.
Изолирование временных
жилых сооружение от
вечномерзлых пород путем
настила изолирующих
материалов (лапник, песок,
полимерные полотна, брусья
и т.д.).
Проложение путей
транспортировки буровых
установок и их перемещение
в период сохранения
состояния сезонно-талого
слоя.
Использование околорудных
пород, характеризующихся
повышенными содержаниями
тяжелых металлов, для закладки
горных выработок.
Применение вертикальной
планировки с ливневыми
стоками и элементами
активного дренирования
надмёрзлотных стоков.
Применение в качестве
транспортных путей
замерзших речных долин и
других водных объектов.
2
3
Инженерные
Охранные
Сбор и захоронение твердых
бытовых отходов в
специально оборудованных
выемках, которые
выполняются в вечномерзлых
грунтах. После заполнения
выемки перекрываются
изолирующим
полиэтиленовым покрытием и
рекультивируются.
Создание системы очистных
сооружений,
характеризующихся
механическим, физикохимическим и биологическим
средствами очистки стоков.
Создание искусственных
техногенных геохимических
барьеров карбонатного или
карбонатно-глинистого типа.
Прокладка коммуникаций
надземным способом.
Ликвидационные работы с
восстановлением целостности
почвенно-растительного слоя
путем выстилания
нарушенной территории
предварительно
сохраненными блоками дерна
Создание плоскогорных форм
отвалов для минимизации
процессов выветривания и
увеличения их устойчивости.
Создание барьера
карбонатно-глинистого
состава, отделяющей чашу
водохранилища от
поверхностных вод.
Контроль выполнения требований экологического
законодательства при проведении поисковых и разведочных
работ
Правовое экологическое обоснование горной деятельности путем
реализации требований проектов ПДВ, НДС, системы обращения с
отходами, рекультивации территории и т.п.
52
На строящемся участке железной дороги Кердём - Нижний
Бестях пускового комплекса Томмот - Якутск собираются
внедрить новые технические решения, которые учитывают
геологические
особенности
местности.
В
результате
воздействия
мерзлотных
процессов
здесь
отмечается
повышенная льдистость.
В
процессе
строительства
применяются
сезонные
охлаждающие
установки,
представляющие
собой
механические
вакуумные
конструкции,
заполненные
теплообменной жидкостью и заглубленные в основание
железнодорожного
полотна.
Это
позволит
сохранить
существующий температурные режим и избежать просадки
грунта.