Почвоведение и инженерная геология. Учебное пособие
.pdfВ четвертой стадии образуется остаточная аллитная кора вывет- ривания, характеризуемая накоплением окислов кремния, железа и алюминия. Развитие ее определяется сочетанием активного химиче-
ского выветривания с замедленной денудацией в условиях жаркого и влажного климата.
Образование слоя выветрелых пород облегчает денудацию и од-
новременно затрудняет дальнейший доступ агентов выветривания к свежим, неизмененным коренным породам. Удаление процессами денудации выветрелого слоя активизирует выветривание, что в свою очередь создает условия для усиления денудации. В итоге
между выветриванием и денудацией устанавливается подвижное равновесие, определяющее мощность продуктов выветривания в области положительных форм рельефа. Подвижное (динамическое) равновесие не исключает поступательного развития, в силу которо- го равновесие сдвигается в ту или иную сторону. Если преоблада- ющую роль приобретает денудация, мощность современных про- дуктов выветривания для новых условий равновесия уменьшается. При замедленной денудации и, следовательно, более длительно вы-
ветривании равновесие будет достигнуто при больших значениях мощности продуктов выветривания.
В едином и сложном процессе выветривания условно выделяют- ся две основные взаимосвязанные формы: физическое и химическое выветривание. Иногда выделяют еще биологическое выветривание. Однако роль организмов и их воздействие на горные породы сво- дятся или к механическому разрушению, или химическому разло- жению. Следовательно, органическое выветривание включается в условно выделенные две формы единого процесса.
Физическое выветривание вызывается разнообразными факто- рами. В зависимости от природы воздействующего фактора харак- тер разрушения горных пород при физическом выветривании раз- личен. В одних случаях процесс разрушения происходит внутри самой горной породы без участия внешнего механически действу- ющего агента. Сюда относится изменение объема составных частей породы, вызываемое колебанием температуры. Такое явление мо- жет быть названо температурным выветриванием. В других случаях горные породы разрушаются под механическим воздействием по- сторонних агентов. Такой процесс может быть условно назван ме- ханическим выветриванием.
151
Температурное выветривание происходит под воздействием су- точных и сезонных колебаний температуры, вызывающих неравно- мерное нагревание и охлаждение горных пород. При этом мине- ральные зерна, слагающие горные породы, испытывают то расши- рение, при повышении температуры, то сжатие, при ее понижении. Таким образом, в горных породах попеременно возникают сжима- ющие и растягивающие усилия. Расширение и сжатие пород более интенсивно сказываются в самой приповерхностной части пород. Наибольшему разрушению в результате температурного выветри- вания подвержены полиминеральные горные породы, такие, как граниты, габбро, гнейсы и др. Различные минералы, из которых со- стоят такие породы, обладают неодинаковым коэффициентом объ- емного расширения, поэтому при изменении температуры они ис- пытывают деформации в различной степени. К тому же коэффици- ент линейного расширения даже у одного и того же минерала меня- ется в зависимости от направления в кристалле (проявление анизо- тропии).
В результате длительного воздействия колебаний температуры и различных коэффициентов расширения минералов взаимное сцеп- ление отдельных минеральных зерен в горной породе нарушается, она растрескивается и распадается на отдельные обломки. На ин-
тенсивность температурного выветривания влияют также окраска горной породы и размеры слагающих ее минеральных зерен. Из- вестно, что под влиянием солнечных лучей (инсоляции) значитель- но сильней нагреваются темноцветные минералы. Вследствие этого быстрее разрушаются темноокрашенные, а также; крупнозернистые горные породы.
Температурное выветривание наиболее интенсивно протекает в областях, характеризующихся резкими контрастами температур, особенно суточных, сухостью воздуха и отсутствием или слабым развитием растительного покрова, смягчающего температурное воздействие на почвы и горные породы. Особенно интенсивно тем- пературное выветривание в пустынях, где количество выпадающих атмосферных осадков не превышает 200–250 мм/год, малая облач- ность, суточные колебания температуры нередко достигают 40– 50 оС, громадный дефицит влажности. Относительная влажность летом может снижаться до 10 %, а иногда и ниже. В этих условиях
горные породы под действием солнечных лучей сильно нагреваются
152
до температур, значительно превышающих температуру воздуха (осо- бенно темноцветные минералы), ночью же сильно охлаждаются. Именно в пустынях особенно ярко выражен процесс шелушения, или десквамации, при котором от поверхности горных пород отслаиваются чешуи или толстые пластины, параллельные поверхности породы.
Температурное выветривание интенсивно протекает также на вер- шинах и склонах гор, не покрытых снегом и льдом, где воздух про- зрачнее и инсоляция значительно сильнее, чем в прилежащих низмен- ностях. В ряде случаев температура воздуха днем здесь может дости- гать +20-+30 оС, а ночью падает почти до точки замерзания.
Механическое выветривание происходит под механическим воз- действием посторонних агентов. Особенно большое разрушитель- ное действие оказывает замерзание воды. Когда вода попадает в трещины и поры горных пород, а потом замерзает, она увеличива- ется в объеме на 9–10 %, производя при этом огромное давление. Такая сила преодолевает сопротивление горных пород на разрыв, и они раскалываются на отдельные обломки. Наиболее интенсивное расклинивающее действие производит замерзающая вода в трещи- нах горных пород. Но под влиянием замерзающей воды легко дро- бятся и породы с высокой пористостью, в которых поровое про- странство занимает около 10–30 % объема (песчаники и другие оса- дочные породы). Процессы, связанные с воздействием периодиче- ски замерзающей воды, часто называют морозным выветриванием. Оно наблюдается в высоких полярных и субполярных широтах, а также в горных районах выше снеговой линии, где в ряде случаев проявляется и температурное выветривание.
Такое же механическое воздействие на горные породы оказыва- ют корневая система деревьев и роющие животные. По мере разрас- тания деревьев увеличиваются в размерах их корни. Они давят с
большой силой на стенки трещин и раздвигают их как клинья и тем самым вызывают раскалывание породы на отдельные глыбы и об- ломки. Часть таких глыб выталкивается вверх. Механическое воз- действие оказывают и различные роющие животные, такие, как земляные черви, муравьи, грызуны и др.
Дезинтеграцию пород вызывает также рост кристаллов в капил- лярных трещинах и порах. Это хорошо проявляется в условиях су- хого климата, где днем при сильном нагревании капиллярная вода подтягивается к поверхности и испаряется, а соли, содержащиеся в
153
ней, кристаллизуются. Под давлением растущих кристаллов капил- лярные трещины расширяются, что и приводит к нарушению моно- литности горной породы и ее разрушению.
Разрушению горных пород под влиянием физического выветри- вания всегда в той или иной степени сопутствует химическое вывет- ривание, а в ряде случаев последнее играет решающую роль. Это от- ражает тесную взаимосвязь различных форм единого процесса вы- ветривания. Физическая дезинтеграция резко увеличивает реакцион- ную поверхность выветривающихся пород. Главными факторами химического выветривания являются вода, кислород, углекислота и органические кислоты, под влиянием которых существенно изменя- ются структура и состав минералов и образуются новые минералы, соответствующие определенным физико-химическим условиям. Важнейший фактор химического выветривания – вода, которая в той или иной степени, диссоциирована на положительно заряженные во- дородные ионы (Н+) и отрицательно заряженные гидроксильные ио- ны (ОН-). Это определяет ее возможность вступать в реакцию с кри- сталлическим веществом. Высокая концентрация водородных ионов в растворах способствует ускорению процессов выветривания.
Особенно возрастает интенсивность химического выветривания, когда в водном растворе присутствуют кислород, углекислота и ор- ганические кислоты, которые обладают большой активностью и во много раз повышают диссоциацию воды. В зависимости от реакции среды в процессе выветривания возникают те или иные характер- ные ассоциации минералов. Наиболее благоприятные условия для
химического выветривания существуют в гумидных областях и особенно в тропических и субтропических зонах, где имеет место сочетание большой влажности, высокой температуры, пышной рас- тительности и огромного ежегодного отпада органической массы (в тропических лесах), в результате чего значительно возрастает кон- центрация углекислоты и органических кислот, а следовательно, возрастает и концентрация водородных ионов. Химическое воздей-
ствие на горные породы оказывают находящиеся в воде растворен- ные ионы, такие, как НСО3-, SO-4, С1-, Са2+, Mg2+, Na+ , К+. Эти ионы
также могут замещать заряженные атомы в кристаллах или взаимо- действовать с ними, что может приводить к нарушению первичной кристаллической структуры минералов. Процессы, протекающие при химическом выветривании, заключаются в химических реакци- ях окисления, гидратации, растворения, гидролиза.
154
Биологическое выветривание. Живое вещество, с точки зрения В. И. Вернадского, создает химические соединения, которые могут производить большую геологическую работу. Горные породы на своих поверхностях содержат огромное количество микроорганиз- мов. На 1 г выветрелой породы может приходиться до 1 млн. бакте- рий. Как только порода начинает выветриваться, на ней сразу же поселяются бактерии и сине-зеленые водоросли, затем лишайники и мхи, которые растворяют и разрушают поверхностный слой породы и после их отмирания на ней образуются углубления, ямки, бороз- ды, заполненные сухой биомассой отмерших организмов. Изучение поверхности камней под микроскопом, слагающих древние храмы, дворцы, церкви, жилые здания и т. п., показывает, что на них нахо- дится множество разнообразных организмов – бактерии (цианобак- терии, актиномицеты), водоросли, грибы, протисты, членистоногие, лишайники и др. Наиболее распространены грибные гифы (ветвя- щиеся тяжи) и микроколонии из округлых клеток. Грибы, как пра- вило, интенсивно окрашены различными пигментами – меланином, каротиноидами, микроспоринами, которые вызывают потемнение трещин и придают поверхности мрамора, например, красновато- бурый, бурый – почти черный цвет. Еле заметные трещинки на по- верхности камней обладают другими экологическими обстановка- ми, нежели обстановки на гладкой поверхности породы. Там боль- ше влаги и меньше света. Поэтому в субаэральных пленках на по- верхностях камней преобладают микроскопические грибы, гифы которых активно растут, удлиняются и, в конце концов, покрывают все поверхность камня.
Таким образом, на поверхности горных пород формируются со- общества микроорганизмов, играющие важную роль в процессах выветривания. Биота, поселившаяся на поверхности горных пород, извлекает из нее необходимые для жизни химические элементы – Р, S, K, Ca, Mg, Na, B, Sr, Fe, Si, Al и др., что подтверждается их большим содержанием в золе растений, выросших на горных поро- дах. Даже Si извлекается из кристаллических решеток алюмосили- катов. Следовательно, организмы участвуют в разложении минера- лов. Однако, они и возвращают новые химические элементы в гео- логическую среду. Тем самым, происходит круговорот веществ, обусловленный активностью биоты.
155
Следует отметить, что в процессах химического выветривания организмы участвуют и косвенным путем выделяя, например, кис- лород при фотосинтезе, образуя СО2 при отмирании растений, про- воцируя образование весьма агрессивных органических кислот, ко- торые резко усиливают растворение и гидролиз минералов. Такое воздействие наиболее интенсивно происходит во влажном, тропи- ческом климате, в густых болотистых лесах, в которых опад (от- мершие растения, листья и др.) составляет почти 260 ц/га. Вода в подобных джунглях обладает кислой реакцией и активно растворя- ет горные породы, нарушая связи в кристаллической решетке мине- ралов.
Борьба с выветриванием производится на стадии строительства и эксплуатации объекта. При проектировании фундаментов надо точно определить зону слабых выветрелых грунтов. Фундаменты должны ставиться на прочные невыветрелые грунты. Распростра-
ненная ошибка изыскателей включать в один слой разрушенную (выветрелую) часть массива и коренную породу, а также не преду-
преждать в отчетах по изысканиям проектировщика и строителя о легко выветриваемых грунтах, чувствительных к поверхностным агентам (набуханию при замачивании, морозному пучению при промерзании и т. д.). Плотные коренные сарматские и майкопские морские глины при выветривании становятся рыхлыми, слабыми, а на склонах, где глубина выветривания простирается до 10–15 м в этих глинах развиваются оползни. Основная борьба должна вестись с главным агентом выветривания – водой. Для этого возможны сле- дующие мероприятия:
1)планировка территории для отвода атмосферно-ливневых вод;
2)дренажи для отвода грунтовых вод;
3)гидроизоляция грунтов и подземных строительных конструк- ций различными изолирующими материалами (гудрон, цемент и пр.). Но лучшим материалом во многих случаях может быть обыч- ный местный суглинок. Из него можно выполнить водонепроница- емое покрытие-экран, вертикальную противофильтрационную заве- су (ПФЗ), «глиняный замок». Пески можно пропитать глинистой суспензией (такую глинизацию песков выполнили при строитель- стве Каракумского канала);
4)недобор грунта до проектной отметки фундаментов, остав- шийся «защитный» слой снимают непосредственно перед устрой-
156
ством фундамента. Это особенно важно, если котлованы оставляют на зиму, т.к. верхний слой грунта промерзает, распучивается, набу- хает, т.е. выветривается, теряет прочность.
Агрессивное воздействие грунтовых вод и грунтов (выше УГВ в зоне аэрации) на фундаменты и подземные коммуникации исклю- чают (нейтрализуют) применением сульфатостойких цементов и гидроизоляцией их поверхностей.
Контрольные вопросы
1.Какие процессы относят к опасным геологическим?
2.Что включают в себя противооползневые мероприятия?
3.Как проявляются различные виды выветривания?
Литература
1.Передельский Л. В., Приходченко О. Е. Инженерная геология: учебник для вузов. – Ростов/Д.: Феникс, 2008. 448 с.
2.Ломтадзе В. Д. Инженерная геология. – Л.: Недра, 1984. 511 с.
3.Учебное пособие по инженерной геологии / ред. Г. С. Золота-
рев. – М.: МГУ, 1989.
157
СЛОВАРЬ
Почва – «дневные» или наружные горизонты горных пород, естественно изменённые совместным воздействием воды, воздуха и живыми организмами (Докучаев, 1883).
Почва – это сложная полифункциональная, поликомпонентная, открытая четырёхфазная структурная система в поверхностной ча- сти коры выветривания, являющаяся комплексной функцией горной породы, организмов, климата, рельефа и времени и обладающая плодородием (Розанов, 1975).
Почва – расположенное на поверхности суши природное или природно-антропогенное твердофазное тело, сформированное мно- голетним взаимодействием процессов, приводящих к дифференци- ации исходного минерального и органического материала на гори- зонты (Классификация и диагностика почв России, 2004).
Почвоведение – наука о происхождении, свойствах и географи- ческом распространении почв. В. В. Докучаев показал, что понятие
о почве неразрывно связано с диалектическим представлением о её генезисе (образовании) в результате взаимодействия факторов поч- вообразования. Поэтому учение Докучаева о почве получило назва-
ние генетического почвоведения.
Факторы почвообразования – элементы природной среды, под влиянием которых образуется почва. Основы учения о факторах почвообразования заложены В. В. Докучаевым, который установил, что почва, как особое природное тело, формируется в результате тесного взаимодействия факторов почвообразования: климата, жи- вых организмов, почвообразующих пород, рельефа местности и возраста страны (времени почвообразования). В качестве факторов почвообразования также рассматриваются производственная дея- тельность человека и почвенно-грунтовые воды.
Морфология почв – раздел почвоведения, изучающие внешние морфологические признаки почв и их связь с процессами, происхо- дящими в почвах. Внутренними свойствами и составом почв.
Морфологические признаки почв – внешние признаки почв:
окраска, структура, сложение, мощность почвы и отдельных гори- зонтов, новообразования и включения, почвенный скелет. Органи- ческие остатки, переход одного генетического горизонта в другой.
158
Генетические горизонты – субгоризонтальные относительно однородные слои почвы, различающиеся по морфологическим и аналитическим показателям. Система взаимосвязанных генетиче- ских горизонтов образует почвенный профиль, на основании кото- рого диагностика и классификация почв.
Почвенный профиль – вертикальный разрез почвенной толщи от поверхности до материнской породы, дифференцированный в ходе почвообразовательного процесса на генетические горизонты.
Гранулометрический состав почвы – относительное содержа- ние в почве частиц различной величины: «физической глины» (ча- стиц размером <0,01 мм) и «физического песка» (частиц размером
>0,01 мм).
Горная порода – природное соединение одного или нескольких минералов, образующихся в результате проявления различных гео- логических процессов в недрах Земли или на её поверхности.
Коллоиды почвы – минеральные, органические и органомине- ральные частицы размером менее 0, 0001 мм.
Поглотительная способность – свойство почвы поглощать твёрдые, жидкие и газообразные вещества, находящиеся в сопри- косновении с твёрдой фазой почвы.
Почвенный поглощающий комплекс (ППК) – высокодис-
персная часть почвы, обуславливающая её поглотительную и об- менную способность. Это совокупность почвенных частиц, облада- ющих свойствами коллоидов.
Кислотность почв – это способность почвы подкислять почвен-
ный раствор или растворы солей вследствие наличия кислот и об- менных ионов Н+, Al3+.
Буферность почв – способность нейтрализовать кислоты или ще- лочи и противодействовать изменению реакции почвенного раствора.
Реакция почвенного раствора определяется соотношением в нём водородных (Н+) и гидроксильных ионов (ОН-) и зависит от содержания кислот и солей (кислый, щелочных).
Гумус почвы – сложный комплекс высокомолекулярных азото-
содержащих органических соединений циклического строения и кислотной природы.
Плодородие – способность почвы обеспечивать растения всеми необходимыми условиями для развития и воспроизводства (способ- ность почв обеспечивать нормальный рост и развитие растений).
159
Бонитировка (от лат. bonitos – добротность) – сравнительная оценка почв по их производительности (плодородию).
Эрозия почв – разрушение почвенного покрова под действием те- кучей воды и ветра. В зависимости от причин, вызывающих эрозию почв, различают два вида эрозии: водную и ветровую (дефляция).
Дефляция или ветровая эрозия – выдувание и развевание почв и горных пород. Ветровая эрозия проявляется в виде местной (повсе- дневной) дефляции и в виде пыльных (чёрных) бурь.
Классификация почв – объединение почв в группы (так назы- ваемые таксономические единицы) по их сходным основным свой- ствам, происхождению и плодородию.
Почвенный тип – таксономическое подразделение при класси- фикации почв, объединяющее группу почв, которая развивается в однотипно сопряженных условиях, имеет единую систему генети- ческих горизонтов и общность свойств, обусловленных режимами и процессами почвообразования.
Почвенно-географическое районирование – метод анализа и выявления главных особенностей почвенного покрова путем выде- ления территорий, однородных по зонально-провинциальным осо- бенностям почвенного покрова, структурам и возможностям сель- скохозяйственного использования.
Почвенная зона – ареал одного или двух зональных почвенных
типов и сопутствующих им интрозональных и внутризональных типов почв. Название почвенной зоны определяется преобладаю- щим типом почв.
Зональные почвы – типы почв, в которых процесс почвообра- зования и генетические свойства наиболее соответствуют биокли-
матическим условиям определенных природных географических зон и находятся с ними в тесной взаимосвязи. Развиваются на рав- нинных элементах рельефа, в автоморфных условиях, под типичной зональной растительностью.
Интрозональные почвы – почвы, образующиеся под влиянием общезональных условий, но в специфической местной обстановке, обуславливающей их отличие от зональных почв. Интрозональные почвы вкраплены среди зональных почв.
Земельный кадастр – совокупность достоверных сведений о земле, ее количестве, качественном состоянии, хозяйственной цен- ности и правовом положении.
160