Сросшиеся, изредка одиночные, стеблевидные кристаллы льда, образующиеся в некоторых почвогрунтах на границе полупространства «воздух – почвенный слой», формируют так называемый стебельковый лёд (СЛ). Иногда СЛ по внешнему виду напоминает травяную растительность и потому именуется «ледяной травой».
На Камчатке СЛ возникает на весьма специфичных вулканогенных отложениях, именуемых почвенно-пирокластическими чехлами (Мелекесцев и др. 1969), и занимающими большие площади в районах современного активного вулканизма. Поэтому изучение процессов формирования СЛ имеет большое значение для инженерно-геологической характеристики таковых почвогрунтов, в интересах народного хозяйства.
Почвенно-пирокластические чехлы (ППЧ) покрывают обширные пространства вулканических областей полуострова, концентрируясь вокруг действующих и недавно действующих вулканов. Мощность ППЧ зависит от характера (преимущественно эксплозивный) и интенсивности извержений, удалённости от центра извержения, а также от силы и направленности господствующих во время извержения ветров. Вблизи и, особенно, на самих вулканических постройках толщина ППЧ может достигать 6–8 и более метров. По мере удаления от центров извержения мощность ППЧ уменьшается до нескольких десятков сантиметров.
Визуально ППЧ представляют собой рыхлую макропористую горную породу буровато-коричневого или охристого цвета с чётко выраженными прослоями вулканического пепла, погребённых органогенных горизонтов, суглинка и супеси. В соответствии с инженерно-геологической классификацией (СНиП П.15–74), ППЧ относятся к супесям, изредка к пылеватым пескам и, совсем редко, к суглинкам. Практически вся толща ППЧ, особенно в верхних частях разреза, обогащена органическими остатками. Как грунты, почвенно-пирокластические отложения характеризуются сильной сжимаемостью и неустойчивостью к процессам денудации. Имеются данные о просадочных их свойствах, что, впрочем, и не удивительно, так как для ППЧ характерны высокая пористость, низкая плотность и излишняя увлажнённость (табл. 1).
Таблица 1
Водно-физические свойства почвенно-пирокластических образований
(по данным изысканий КО Дальтисиза на отдельных объектах)
| Наименова-ние грунта (район) | Содержание частиц (мм) в процентах 2–0,1 0,1–0,005 < 0,005 | Коэффициент пористости | Естествен-ная влажность (доли единицы) | Плот-ность (г/см3) | Степень увлажнения (доли единицы) | Потеря веса при про- каливании (доли единицы) |
| Супесь и суглинок текучие (Авачинская группа вулканов) | 13–67 12–80 4–11 | 1,1–4.4 | 0,24–1,47 | 1,1–1,6 | 0,5–0,8 | до 0,24 |
| Песок пылеватый (Ключевская группа вулканов) | 4–37 15–88 2–23 | 1,2–3,5 | 0,27–0,58 | 1,1-1,6 | 0,5–0,8 | до 0,17 |
Минералогически почвенно-пирокластические отложения представляют собой продукты голоценовых вулканических извержений с примесью эолового материала. Наиболее широко распространены пеплы кислого и, реже, основного составов. Преобладает вулканическое стекло, которое в результате диагенеза подвергается процессу девитрификации (расстеклованию), превращаясь в глинистые минералы, цеолиты и кремнезёмы (Гущенко, 1965; Петтиджон и др., 1976). В незначительных количествах в пеплах присутствуют плагиоклазы и тёмноцветные минералы.
Гранулометрический состав пеплов довольно разнообразен. Это могут быть и крупные (2–0,1 мм) пески, и пылеватые пески (0,1–0,005 мм), и глинистые (< 0,005 мм) отложения. Частицы вулканического пепла имеют неправильную форму и шероховатую поверхность. Обладая по этой причине огромной суммарной поверхностью (Мархинин, 1980), они способны связывать большие объёмы воды (табл. 1).
Интересно, что для почвенно-пирокластических отложений района Ключевской вулканической группы существует довольно тесная (коэффициент корреляции – 0,79) связь природной влажности с количеством органического материала. Это можно видеть из рассчитанной формулы депрессии:
V = 8,7 + 4,17 n
где V – природная влажность, в процентах,
n – величина потери массы грунта при прокаливании, отображающая количество органического вещества, в процентах.
Итак, одним из важнейших условий образования СЛ в почвенно-пирокластических грунтах является специфичность физико-механических и химических свойств первично-вулканогенного субстрата. Отсутствие растительного покрова и сомкнутой дернины – другое обязательное свойство, необходимое для образования СЛ. Поэтому-то, подчеркнём, так интенсивно и развивается СЛ на строительных площадках, разного рода отсыпях и насыпях, на грунтовых дорогах, на днищах и откосах котлованов и траншей. Довольно часто СЛ встречаются и над подземными коммуникациями (канализация, водопровод), а также вдоль незамерзающих ручьёв.
Третье непременное условие формирования и развития СЛ заключается в установлении промежуточного, переходного режима в промерзании и оттаивании почвогрунтов. Режима, прежде всего характеризующегося переходами от замерзания к оттаивании и обратно. Вот отчего наиболее благоприятными периодами образования СЛ являются поздняя осень и ранняя весна.
Наиболее интенсивно образование СЛ происходит при температурах приземного слоя воздуха в ночное время до минус 3–4ºС. Отрицательные температуры вызывают миграцию защемлённого в грунтах и насыщенного влагой воздуха к поверхности почвогрунтов, а также подъём капиллярной воды из нижних горизонтов к фронту замерзания. Миграция, по-видимому, обуславливается сжатием адсорбированного пара в защемлённом воздухе в зоне охлаждения, с понижением давления, что и вызывает подсос воды с более высоких горизонтов. За счёт подтока воды и конденсации водяного пара зона охлаждения перенасыщается водой, которая при достижении поверхности раздела почва-воздух, замерзая, превращается в ледяные кристаллы, то есть в стебельки. Натурные наблюдения показывают, что в отдельные моменты скорость роста кристаллов льда может составлять 5–7 мм в час.
Формирующиеся стебельки льда всегда ориентируются перпендикулярно поверхности почвы. Но иногда, под тяжестью заключённых в них грунтовых частиц (или на крутых склонах и откосах) они могут довольно сильно изгибаться. Как правило, слой СЛ перекрывается плащом приподнятого грунта, так как кристаллы льда способны приподнимать камни до 5 см в поперечнике. Будучи обогащены мелкозёмом и содержа в себе многочисленные воздушные включения (пузырьки, колбочки, вытянутые цилиндрики и т. п.), СЛ отличаются хорошими теплоизоляционными свойствами, что заметно препятствует промерзанию ниже расположенных слоёв почвы. Промерзанию почвогрунтов препятствует также и приток тёплой плёночной воды. По этим причинам грунт на границе с «корнями» растущих кристаллов всегда талый.
Толщина отдельных стебельков льда обычно мала – от долей миллиметра до 1,5–2,0 мм. Внешне они имеют вид призматических (игольчатых) отдельностей длиной от 5–10 мм до 15–20 см. В поперечном разрезе стебельки имеет форму неправильных, с 5–6-ю гранями многоугольников. Очень часто можно наблюдать образование многоярусных СЛ с довольно чёткими границами между отдельными слоями. При этом интервалы между границами таковых слоёв обычно уменьшаются книзу. В целом, общая мощность такового многоярусного СЛ может достигать 30–40 и более см.
При определённых соотношениях отрицательных температур, типа почвогрунтов, их влагоёмкости и интенсивности подтока влаги образование стебельков может происходить довольно длительное время. Препятствует процессу формирования СЛ быстрое и сильное охлаждение, так как в этом случае происходит образование обычной (то есть без движения к поверхности влаги) криолитозоны. И наоборот, частые и длительные по времени проявления колебания наружных температур около нуля способствует перемещению фронта нулевых температур на более низкие уровни, вовлекая тем самым в процессы перемещения влаги более и более глубокие слои грунтовых плёночных и капиллярных вод.
Таяние СЛ может происходить как сверху, как снизу, так и одновременно и сверху и снизу. Поверхностное таяние СЛ обычно сопровождается накоплением мелкозёма. На открытых местах СЛ быстро разрушается даже при отрицательных температурах воздуха, поскольку подвергается интенсивным процессам выветривания и сублимации.
Изучение стебелькового льда и процессов, связанных с его образованием и разрушением, представляет значительный практический интерес. Понимание криогенных процессов, протекающих при этом в почвогрунтах вулканического генезиса, позволит более правильно объяснить их нестандартные инженерно-геологические особенности: феноменальное пучение, текучесть (пластичность), особенно на склонах, большую влагоёмкость и интенсивную миграцию влаги. Вслед за чем, возникает реальная возможность для уверенного прогноза развития инженерно-геологической ситуации на уже освоенных и вновь осваиваемых территориях районов современного активного вулканизма.