2.2.2.2. Классификационные показатели органических грунтов и их определение

Рис. 2.23. Генетический ряд твердых топлив

Торф – органический грунт, образовавшийся в результате естественного отмирания и неполного разложения болотных растений в условиях повышенной влажности при недостатке кислорода и содержащий 50 % (по массе) и более органических веществ. Он является первым составным элементом генетического ряда твердых топлив – растение, торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит, графит, образующихся под воздействием давлений и температур (рис. 2.23). Торфа, образовавшиеся в водоемах подстилаются слоем озерных отложений различной мощности; торф образовавшийся в результате заболачивания вследствие избыточного увлажнения залегает на минеральном основании различного литологического состава. При перерыве процесса торфонакопления торфяные залежи могут быть перекрыты другими отложениями; в этих случаях торфа называются погребенными.

Анализ органической части растений выявил следующий химический состав: 48–50 % углерода, 38–42 % кислорода, 6–6,5 % водорода и 0,5–2,3 % азота, причем у растений-торфообразователей он более или менее постоянен. В процессе фотосинтеза образуются сложные соединения, которые расходуются на построение тела растения и питание. Все эти вещества содержатся в тканях растений в разных соотношениях, А.А. Ниценко приводит следующие данные: клетчатки 15–35 %, гемицеллюлозы 18–30 %, лигнина 10–40 %, воска, смол, жиров до 10 %, нерастворимых белков около 5 %, минеральных веществ (зола) 1,5–20 % [51].

Оболочки клеток растений-торфообразователей состоят из клетчатки, или целлюлозы – углевода, и близкой к ней гемицеллюлозы. С возрастом оболочка клетки пропитывается лигнином, что вызывает процесс одревеснения [74]. В цитоплазме клеток находятся различные включения: крахмальные зерна, капельки эфирных масел и растворенные в них смолы. Цитоплазма имеет щелочную реакцию. В содержимом вакуолей находятся органические кислоты, чем обусловлена его кислая реакция, а также дубильные вещества. Кроме того, в растениях имеются воски (стебли и листья подбела, тростника, клюквы), а также пентозаны (азотсодержащие небелковые вещества) [51].

Влияние этих веществ на механические свойства торфов неоднозначно. Целлюлоза (полимер, состоящий из цепи молекул глюкозы) обеспечивает достаточную прочность при деформировании, энергия связей d-глюкозидных звеньев 50 ккал/моль, число звеньев в макромолекуле 900–1500, что характеризует высокую реакционную способность. В то же время, целлюлоза наименее устойчивый компонент при биологическом распаде. Гемицеллюлоза отличается меньшим весом и лучшей растворимостью в щелочных растворах, относительно короткими макромолекулярными цепями. При разложении растений и при наличии влаги молекулы гемицеллюлозы образуют ассоциаты на поверхностях целлюлозных микрофибрилл и способствуют упрочнению связей между цепями целлюлозы. Лигнин – полимер с разветвленными макромолекулами, связанными водородными связями, скрепляет целлюлозные фибриллы и вместе с гемицеллюлозой определяет прочность стволов и стеблей растений. Это безазотистое вещество, принадлежит к соединениям ароматического ряда; богаче углеродом и беднее кислородом, нежели клетчатка.

Химический состав органической части торфа не одинаков для разных групп. При переходе от моховой группы к травяной, и далее к древесной (табл. 2.17) повышается содержание целлюлозы, что оказывает значительное влияние на прочностные и деформационные свойства торфяных грунтов. В сфагновых мхах содержится небольшое количество битумов, много легкогидролизуемых и водорастворимых соединений углеводного комплекса. Мхи обладают химическим иммунитетом, что позволяет им сохраняться тысячелетиями. Химический состав различных видов мхов сильно отличается друг от друга. Травяные торфообразователи, по сравнению со мхами и кустарничками, содержат больше целлюлозы. Это обусловливает их лабильность при гумификации и приводит к образованию торфов с более высокой степенью разложения. Древесные растения-торфообразователи отличаются от мхов и трав высоким содержанием целлюлозы (более 50 %) и истинного лигнина (негидролизированного остатка). Содержание битумов в древесине хвойных и некоторых кустарничков достигает 15 %, а у лиственных пород в десятки раз меньше [74].

В отличие от растений в состав торфа входит очень важная группа гуминовых веществ, состоящая в основном из гуминовых и фульвовых кислот. Гуминовые кислоты, неплавкие темноокрашенные вещества, входящие в состав органической массы торфа (до 60 %), бурых углей (20–40 %), почв (до 10 %); строение их окончательно не установлено. От ГК зависят ионообменные, водные, теплофизические и прочностные свойства. ГК растворимы в щелочных растворах, широко применяются как стимуляторы роста растений, компоненты составов для бурения, органоминеральных удобрений и др. Фульвокислоты, растворимые в воде, кислотах и щелочах гуминовые вещества, отличаются пониженным содержанием углерода (до 40 % по массе) и, соответственно, более высоким содержание кислорода, они более окислены, чем другие гуминовые вещества и придают бурую окраску торфяным водам.

Таблица 2.17

Химический состав веществ растений-торфообразователей [3, 74]

Растения-торфообразователи	Химический состав торфа (в % на органическую массу)
	Целлюлоза	Гемицеллюлоза	Лигнин	Битумы
Сфагновые мхи	19,0	29,0	10,0	2,0
Шейхцерия	20,0	27,0	18,0	8,3
Пушица	25,0	27,0	26,0	11,7
Осока	28,0	26,0	16,0	2, 5
Тростник	37,0	17,0	19,0	–
Кустарнички вересковые	20,0	21,0	28,0	6,4
Лиственная древесина	50,0	Н/д	23,0	2,8
Хвойная древесина	50,3	19,0	19,0	2,6

Плотность твердых частиц торфов изменяется от 1,20 до 1,89 г/см³ , у нормальнозольных до 1,84 г/см³, у заторфованных грунтов до 2,08 г/см³, естественная плотность обводненных торфов мало отличается и составляет 1,0–1,2 г/см³, плотность скелета торфа – 0,041–0,230 г/см³. Значения коэффициента пористости торфа изменяются от 6,6 до 37,5 д. ед. и более.

При проведении инженерно-геологических изысканий для классификации торфов по разновидностям следует устанавливать степень разложения органического вещества D_pd и зольность D_as (табл. 2.18) [34]. Кроме обязательных характеристик дополнительно следует определять ботанический состав.

Таблица 2.18

Классификация органических грунтов [34]

1. Классификация торфов по степени разложения
Разновидность торфов	Степень разложения Ddp, % (или д. ед.)
Слаборазложившийся	< 20
Среднеразложившийся	20 – 45
Сильноразложившийся	> 45
2. Классификация торфов по степени зольности
Разновидность торфов	Степень зольности Das, д. ед. (или %)
Нормальнозольный	< 0,20
Высокозольный	> 0,20

Степенью зольности торфа D_as, д. ед. называется характеристика, выражающаяся отношением массы минеральной части грунта, оставшейся после прокаливания, к массе сухого торфа. В табл. 2.19 приведены значения конституционной зольности (не привнесенной извне) растений-торфообразователей. Зола растений состоит из следующих основных элементов: кремния, кальция, железа, фосфора, калия, магния, в очень незначительном количестве в золе фиксируются микроэлементы (марганец, медь, никель и др.). В органах растений низинных болот доля минеральной части значительно больше, чем в органах растений верховых болот, за исключением березы (табл. 2.19). Соотношения органической и минеральной частей болотных растений различны не только для видов или групп, но и для разных органов одного и того же растения – в листьях доля минеральной части больше, чем в корнях и стеблях.

Определение зольности торфа [15]. Для определения D_as навеску (1–2 г сухого торфа) сжигают в муфельной печи, а остаток прокаливают при температуре 800±25 °С до постоянной массы (с допустимой разницей с последующей массой до 0,006 г). При определении зольности разница двух параллельных определений не должна составлять более 2 %.

При использовании навески сухого грунта параллельно с сжиганием торфа определяют влажность и затем пересчитывают массу влажной навески на сухую. По степени зольности торф подразделяют согласно табл. 2.18.

Таблица 2.19

Содержание в растениях-торфообразователях конституционной золы [74]

Вид растения		Содержание в растениях
		органического вещества, %	золы, %
Низинный торф	Ольха (AInus glutinosa) Береза (Beiula pubescens) Тростник (Phragmites communis) Осока шершавоплодная (Сагех lasiocarpa) Осока своеобразная (С. appropinquata) Пушица многоколосковая (Eriophorum polystachyon) Вахта (Menyanthes irifoliata) Хвощ (Equiselum heleocharis) Drepanocladus vernicosus Sphagnum obtusum	98,29 99,25 94,60 96,66 91,43 95,61 95,07 82,34 94,79 94,93	1.71 0,75 5,40 3.34 8,57 4,39 4,93 17,66 5,21 5,07
Верховой торф	Сосна (Pinus silvestris) Подбел (Andromeda polifolia) Мирт болотный (Chamaedaphe calyculata) Багульник (Ledum palustre) Пушица влагалищная (Eriophorum vaginatum) Шейхцерия (Scheuchzeria palustris) Sphagnum magellanicum (Sph. medium) Sph. fuscum Sph. angustifoimm	98,20 98,05 98,58 98,92 97,25 97,25 96,10 97,10 96,15	1.80 1,95 1,42 1,08 2,75 2,75 3,90 2.90 3,85

Содержание минеральной составляющей рассчитывается, исходя из предположения, что органическая масса полностью выгорает при прокаливании, и что масса теряется только за счет выгорания органического вещества. Потеря при прокаливании обычно относится к содержанию органических веществ в грунте, содержащем малое или нулевое количество глины и карбонатов. Для грунтов с более высоким процентным содержанием глины и/или карбонатов большая часть потери при прокаливании может быть вызвана факторами, не имеющими отношения к содержанию органических веществ.

Температура прокаливания, указанная в [15], составляет 800±25 °С, но в других стандартах указываются температуры до 440±25 °С. При задании температуры прокаливания следует соблюдать осторожность, принимая во внимание следующее:

• некоторые глинистые минералы могут начать распадаться при температурах около 550°С;

• химически связанная вода может исчезнуть при более низких температурах испытания; например, в некоторых глинистых минералах этот процесс может начаться при 200°С, а гипс разлагается при температурах примерно от 65°С;

• сульфид может окисляться, а карбонаты разлагаться в пределах температур от 650°С до 900°С.

Для большинства случаев следует применять температуру прокаливания, равную 500°С или 520°С. Время сушки и прокаливания должны быть достаточными для обеспечения равновесия. Если период прокаливания составляет менее 3-х часов, в отчете должно быть указано, что постоянство массы было подтверждено повторными взвешиваниями.

Степень разложения торфа D_d, д. ед – характеристика, выражающаяся отношением массы бесструктурной (полностью разложившейся) части, включающей гуминовые кислоты и мелкие частицы негумицированных остатков растений, к общей массе торфа. По степени разложения D_d торфа подразделяют согласно табл. 2.18.

Определение степени разложения торфа [14, 48]. В полевых и лабораторных условиях применяют следующие физические методы: микроскопический, весовой, глазомерно-макроскопический и центрифугирование, а также определение степени разложения торфа по его ботаническому составу (расчетный метод).

Микроскопический метод [48]. От пробы берут для анализа 50–100 см³ торфа, перемешивают, разравнивают его на пластиковом или полиэтиленовом листе слоем 3–5 мм. Из подготовленного слоя пробоотборником или ложкой набирают в 10–12 точках, равномерно расположенных по площади, порцию торфа объемом 0,5 см³ и помещают на предметное стекло. При наличии в торфе карбонатов для их разрушения на отобранную порцию капают пипеткой раствор соляной кислоты с массовой долей 10 %. Если торф вскипает, то обрабатывают всю порцию, помещенную на предметное стекло.

При подготовке пробы торфа с влагой менее 65 % (влага – отношение массы воды в грунте к общей массе грунта) часть пробы помещают в фарфоровую чашу (количество торфа берут из расчета, что после набухания торф заполнит чашку на ²/₃ – ³/₄ ее объема), и заливают раствором гидроокиси натрия или калия с массовой долей 5 %. Через 24 ч торф тщательно перемешивают, комки разминают и, если он остается комковатым, добавляют еще указанного раствора и перемешивают до получения однородной кашицеобразной массы. При более сухом торфе и для ускорения подготовки пробы его измельчают в ступке. Около 5 см³ торфа помещают в фарфоровую чашу и заливают раствором гидроокиси натрия или калия с массовой долей 5 %. Чашу с торфом ставят на электрическую плитку и нагревают в вытяжном шкафу, помешивая стеклянной палочкой до размягчения твердых комков и получения однородной кашицеобразной массы, затем чашу с торфом охлаждают до комнатной температуры.

Порцию торфа для анализа отбирают ложкой. От каждой пробы для анализа готовят препарат на трех предметных стеклах. Помещенную на предметное стекло порцию торфа разбавляют водой до состояния текучести, тщательно перемешивают иглами и распределяют по стеклу частицы торфа тонким равномерным по толщине слоем. Препарат должен быть прозрачным настолько, чтобы сквозь него проступала белизна бумаги, подложенной под него на расстоянии 50–100 мм. Сухая зона, отделяющая рабочую зону препарата от края стекла, должна быть шириной около 10 мм. Предметное стекло с приготовленным препаратом кладут на столик микроскопа. Препарат рассматривают при увеличении 56–140^´, следя за тем, чтобы частицы не перемещались по стеклу. На каждом предметном стекле рассматривают путем его перемещения десять полей зрения и определяют в процентах площадь, занятую бесструктурной частью относительно всей площади, занятой препаратом. По полученным на каждом предметном стекле значениям степени разложения определяют среднее арифметическое из тридцати отсчетов, округляя полученный результат до 5 %. Абсолютное допускаемое расхождение между результатами определений, проводимых разными исполнителями по одной пробе, не должно превышать 10 %.

Весовой метод. Навеску 50 г делят на две равные части, одну из которых высушивают в термостате при температуре 105 °С и взвешивают с точностью до второго знака, а вторую отмучивают струей воды на сито с диаметром отверстий 0,25 мм. Отмучивание продолжают до тех пор, пока из сита не будет вытекать прозрачная вода. Оставшиеся на сите промытые растительные частицы высушивают в термостате до сухого состояния при 105 °С и взвешивают. Степень разложения определяют по формуле:

где а – масса сухого волокна из отмученной навески; b – то же, из неотмученной навески. При необходимости пересчет степени разложения, определенной весовым методом, на степень разложения по микроскопическому методу приближенно может быть осуществлен с помощью графика (рис. 2.24).

Глазомерно-макроскопический метод. Пользуясь табл. 2.20, на глаз оценивают структурно-механические свойства торфа при сжатии его в руке и по цвету отжимаемой из него воды. Комплекс признаков визуального определения дополняют еще одним показателем – мазком торфа. Для этого из нескольких мест торфяного образца, вынутого из залежи, отбирают среднюю пробу объемом 0,5–1 см³ и помещают на листке плотной бумаги или на странице полевого дневника. Нажимая указательным пальцем на пробу, делают горизонтальный мазок на 5–10 см для оценки степени разложения.

Рис. 2.24. График для пересчета степени разложения, определенной весовым методом, на степень разложения по микроскопическому методу

Методом центрифугирования [14] степень разложения торфа определяют при помощи центрифуги с частотой вращения 1000 мин.^–1. Пробу торфа массой 100–200 г расплющивают ровным слоем толщиной 3–4 мм и просекают пробоотборником на глубину всего слоя в 10–12 точках, равномерно расположенных по площади. Через 24–30 ч пробу торфа тщательно перемешивают и, если проба остается комковатой, добавляют еще немного щелочи и продолжают перемешивать до получения однородной массы. Пробу торфа отбирают из чашки пробоотборником или ложкой и далее проводят испытание. Отобранную пробу торфа помещают в малую пробирку, заливают водой (на 1 см ниже края пробирки), перемешивают палочкой, добавляют для коагуляции гумуса 2–3 капли 6–водного треххлористого железа и взбалтывают до получения однородной суспензии. После получения однородной суспензии пробирку с содержимым вставляют в центрифугу и в течение 2 мин вращают с частотой 1000 мин.^–1.

После полной остановки центрифуги пробирку вынимают и замеряют объем образовавшегося осадка по шкале пробирки. Если поверхность осадка негоризонтальная, отсчет ведут по средней линии между верхней и нижней точками поверхности. Граница осадка должна быть четкой, жидкость над ним не должна иметь взвеси. Объем осадка порции в малой пробирке после центрифугирования должен быть 0,7–1,5 см^–3, что приблизительно соответствует навеске 0,3–0,5 г. Для торфа высокой степени разложения этот объем должен быть 0,7–1,0 см^–3. Содержимое малой пробирки взбалтывают и переносят в стакан с ситом, который держат над большой пробиркой. Частицы торфа со стенок малой пробирки смывают 3–4 см^–3 воды. Большую пробирку вместе со стаканом вставляют в центрифугу и в течение 2 мин вращают с частотой 1000 мин^–1. После полной остановки центрифуги пробирку вынимают и по шкале пробирки измеряют объем осадка подситовой фракции.

Таблица 2.20

Оценка степени разложения торфяных грунтов

Наименование торфа	Степень разложения Das, %	Полная влагоемкость w, д.ед.	Коэффициент пористости е, д.ед.	Внешние признаки
Слаборазложившийся	<20	>12	>18	Светло-коричневый или желтый торф, состоящий из неразложившихся корешков осок, стебельков мхов и травянистых растений (размером до 1 см и более). Светло-желтая прозрачная или слабо-мутная вода легко отжимается из упругой массы
Среднеразложившийся	20–45	8–12	12–18	Торф коричневый или темно-серо-коричневый с наличием стебельков мхов, плоских корешков осоки и пушицы, кусочков древесины и коры. Вода отжимается в большом количестве, мутная, серая или коричневая. Торф слабо пачкает руку и имеет заметную упругость
Сильноразложившийся	>45	4–8	6–12	Торф темно-коричневый или землисто-черный с пепельным оттенком, заметны отдельные растительные остатки, мелкие кусочки древесины и коры. Вода не отжимается или отжимается с большим трудом, а масса продавливается между пальцами и сильно пачкает руку

Степень разложения торфа определяют по графику, на котором на оси абсцисс откладывают объем осадка в малой пробирке, а на оси ординат – объем осадка в большой пробирке. По прямой графика, расположенной ближе к точке пересечения двух линий, по правой шкале находят значение степени разложения торфа.

Определение степени разложения торфа по его ботаническому составу (расчетный метод) [48]. Сущность метода заключается в отмывании торфа от гумуса,, просмотре растительных остатков под микроскопом с установлением их номенклатуры и количественного соотношения в процентах и определением степени разложения торфа по таблице как суммы величин степени разложения, образующейся от каждого растения-торфообразователя в соответствии с процентом его участия в ботаническом составе испытуемой пробы торфа.

Результаты анализа ботанического состава торфа, в котором доля участия каждого растения выражена в процентах, группируют и располагают в последовательности, приведенной в табл. 2.21:

• мхи (сфагновые верховые, сфагновые низинные, гипновые);

• травянистые (шейхцерия, осоки, тростник, вахта, пушица, другие травянистые);

• древесные (все, кроме сосны, сосна).

Таблица 2.21

Определение степени разложения торфа в зависимости от содержания остатков растений-торфообразователей [48]

Содержание растительных остатков в составе торфа,%	Степень разложения торфа
	Мхи			Травянистые						Древесные
	сфагновые верховые	сфагновые низинные	гипновые	шейхцерия	осоки	тростник	вахта	пушица	другие травянистые	все, кроме сосны	сосна
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
5	0,7	0,9	1,1	1,5	1,5	1,7	1,8	2,0	1,7	2,2	2,7
10	1,3	1,7	2,3	2,9	2,9	3,5	3,5	4,0	3,4	4,4	5,4
15	2,0	2,5	3,5	4,3	4,3	5,6	6,3	7,0	5,5	7,5	8,6
20	2,6	3,3	4,6	5,7	5,7	7,8	9,2	10,3	7,7	11,0	11,8
25	3,3	4,1	5,8	7,1	7,1	9,9	12,0	13,8	10,0	14,5	15,0
30	3,9	4,9	7,0	8,5	8,5	12,0	14,8	17,3	12,2	18,1	18,1
35	4,6	5,7	8,3	9,9	9,9	14,2	17,7	20,3	14,4	20,9	21,3
40	5,2	6,5	9,6	11,3	11,3	16,3	20,5	23,0	16,5	23,9	24,5
45	5,9	7,4	10,9	12,8	12,8	17,9	21,7	24,8	18,0	25,6	26,9
50	6,5	8,3	12,2	14,3	14,3	19,4	23,0	26,5	19,5	27,3	29,4
55	7,2	9,2	13,5	15,8	15,8	21,0	24,2	28,1	21,0	29,0	31,9
60	7,8	10,0	14,8	17,2	17,2	22,5	25,4	29,7	22,4	30,7	34,3
65	8,5	10,9	15,9	18,7	18,7	24,1	26,7	31,2	23,9	32,4	36,8
70	9,1	11,8	16,9	20,2	20,2	25,6	27,9	32,6	25,3	34,1	39,3
75	5,3	12,7	17,9	21,6	21,6	27,2	29,1	34,0	26,7	35,8	41,8
80	5,7	13,5	18,9	23,1	23,1	28,7	30,4	35,2	28,1	37,5	44,2
85	6,0	14,4	19,8	24,6	24,6	30,3	31,6	36,5	29,5	39,2	46,7
90	6,4	15,3	20,8	26,1	26,2	31,8	32,8	37,7	30,9	40,9	49,2
95	6,7	16,2	21,8	27,5	27,8	33,4	34,1	38,9	32,3	42,6	51,6
100	7,1	17,0	22,7	29,0	29,4	34,9	35,3	40,2	33,8

Для каждого растения по табл. 2.21 определяют величину степени разложения торфа, соответствующую проценту его участия в ботаническом составе торфа. Сумма степеней разложения всех растений и будет искомой степенью разложения испытуемой пробы торфа. Для отсутствующих в табл. 2.21 кустарничковых степень разложения принимают по графе 10. Абсолютное допускаемое расхождение между результатами определений, проводимых разными исполнителями по одной пробе, не должно превышать 10 %.

Разложение органических веществ большей частью обусловлено происходящими в верхней части залежи химическими и микробиологическими процессами, и составом самих отложений. В процессе торфообразования вещества, содержащиеся в растениях-торфообразователях, такие как гумус, претерпевают химические изменения, еще недостаточно полно изученные. Гумус представляет собой бесструктурное коллоидное вещество темно-коричневой окраски, в состав его входят гуминовые кислоты, которые легко выщелачиваются из гумуса торфа, поэтому вода ручьев, речек, вытекающих из верховых болот, так же как и вода мочажин, имеет различные оттенки коричневого цвета (до 300° и выше по платиново-кобальтовой шкале цветности).

Природа гумуса не вполне ясна, и вопрос о его происхождении дискутируется. Одни ученые связывают его образование с лигнином, другие – с целлюлозой и гемицеллюлозой, третьи – с белками и целлюлозой. Есть мнение, что в образовании гумуса участвуют и лигнин, и целлюлоза, и крахмал, а также дубильные вещества, пектин и др. Некоторые исследователи считают, что гумус имеет разное происхождение в различных торфах (например, в олиготрофных и низинных). Большинство исследователей придерживаются лигниновой теории гумусообразования, согласно которой, при окислении лигнина плесневыми грибами образуются лигниновые кислоты, которые, соединяясь с продуктами автолиза микроорганизмов, дают гуминовые кислоты [51]. Целлюлозы и гемицеллюлозы при разложении переходят в углекислоту, метан и др. Из лигнина, воска, а также части жиров образуются битумы (лат. bitumen – смола). Часть жиров переходит в жирные кислоты. В результате распада белков образуются углекислота, метан, сероводород, свободные водород и азот. По мере формирования торфа, в нем увеличивается содержание углерода и уменьшается содержание кислорода и водорода.

Основными деструкторами органического вещества выступают актиномицеты, плесневые грибы и дрожжи. В этом процессе принимают участие и многочисленные беспозвоночные, в том числе и дождевые черви. Бактерии участвуют в разложении растительных остатков на более поздних стадиях гумификации; для их жизнедеятельности необходимы продукты разложения этих остатков другими микроорганизмами. В конце семидесятых годов прошлого века в торфяных грунтах в условиях хорошей аэрации были обнаружены нитрифицирующие бактерии, азотобактерии. Количество микроорганизмов в поверхностных слоях торфа может быть значительным: до 800–1200 млн. в 1 г торфа-сырца. Особенно обильны они во внешней прослойке сильноразложившегося торфа, под ней их число резко уменьшается. Все эти организмы аэробные, поэтому процесс разложения растительных остатков протекает в самом поверхностном, наиболее аэрированном слое, получившем название «торфогенный». Глубина его в среднем составляет 50 см. Ниже торфогенного слоя разложение сильно замедляется, но не прекращается даже в глубоких слоях залежи (до 6 м), откуда выделяется метан (СН₄), свидетельствующий об анаэробных процессах (вторичное разложение, диагенез) [51].

Интенсивность разложения растительных остатков зависит от многих факторов, прежде всего, от условий среды, активности микроорганизмов-деструкторов, устойчивости растительных остатков к разложению. Наиболее устойчивы к разложению сфагновые мхи, поэтому их остатки хорошо сохраняются в торфе. В тканях сфагновых мхов содержатся антисептики (фенолы), которые подавляют активность микроорганизмов. Мало устойчивы к разложению кустарнички. Полностью разлагаются надземные части осок, и в торфе сохраняются лишь их корешки. Почти полностью разлагаются лишайники. Важен и химический состав растений-торфообразователей, а именно содержание в них протеинов, кальция, легкогидролизуемых углеводов и др. В связи с этим Л.С. Козловская, В.М. Медведева, Н.И. Пьявченко (1978) выделяют три группы растений [51]:

1) растения, богатые азотом (свыше 2–2,5 %), кальцием, легкогидролизуемыми углеводами, водорастворимыми органическими веществами, быстро разлагаются почвенными микроорганизмами и почти полностью минерализуются за два-три года; это преимущественно растения низинных болот: вахта, лабазник, а также некоторые обитатели верховых и переходных болот – морошка, голубика;

2) растения с меньшим содержанием азота (1,5–2 %), легкогидролизуемых углеводов и т. п.; входящие в их состав фенолы, терпены подавляют активность почвенных микроорганизмов; в основном это растения переходных болот – осоки волосистоплодная, вздутая, шейхцерия, из кустарников карликовая березка (листья);

3) трудно разлагаемые растения верховых болот, крайне бедные азотом; их минерализация растягивается и не идет до конца, они содержат много фенолов, фульвокислот; в эту группу входят сфагновые мхи, гипновые лесные мхи, стебли кустарничков.

Знание того, как протекают процессы разложения торфа, имеет огромное значение при выборе методик проведения лабораторных исследований и хранения образцов. Лабораторные испытания рекомендуется производить в полевых условиях, поскольку органоминеральные и органические грунты склонны к разложению и самопроизвольному уплотнению даже в запарафинированном виде и не подлежат дальним перевозкам и длительному хранению. Согласно рекомендациям, изложенным в работе [56], срок хранения образцов торфа не должен превышать 3-х мес., а компрессионные испытания образца должны проводиться вслед за отбором проб, пока не претерпели изменения их естественнвя структура и влажность.

Степень разложения, хотя удовлетворительно коррелирует со многими показателями, характеризует лишь степень распада, не затрагивая исходный торфообразующий состав. Взглянув на торф под микроскопом не возникает сомнений, что растительные остатки значительно преобладают в образце и бесспорно являются классификационным показателем торфов. Тем не менее, в классификациях торфяных грунтов основным критерием является степень разложения, которая определяется приближенно и субъективно, так как торф с одинаковой степенью разложения может быть разной пористости, влажности в зависимости от особенностей строения растений-торфообразователей. Таким образом, наряду с определением D_dp возникает необходимость установления ботанического состава торфяных грунтов.

Ботанический состав это количество остатков растений-торфообразователей, слагающих растительное волокно торфа. Ботанический состав, как известно, оказывает большое влияние на свойства торфов, особенно малой и средней степени разложения. Он определяется видовым составом растений-торфообразователей отложившей его материнской ассоциации и обусловливает структуру торфа, пористость, влагоемкость, скорость и однородность разложения, влияет на скорость и равномерность осадки, на фильтрационные и прочностные свойства, на агрессивность болотных вод. Для оценки свойств и состояния торфов в практике используются классификации, где основными категориями являются: типы – выделяются по минерализации питающих залежь вод, подтипы – по степени увлажнения, группы – по содержанию в торфе остатков отдельных групп растений-торфообразователей, и виды – по сочетанию преобладающих остатков растений.

В зависимости от типа питания образуются олиготрофные или евтрофные группировки растительности и накапливаются верховые, переходные или низинные типы торфа. Торф верховой, формируется из растительности олиготрофного типа, в ботаническом составе содержит не более 10 % остатков растительности евтрофного типа. Образуется торф в условиях бедного минерального питания, чаще атмосферного с общей минерализацией вод до 20–30 мг/л, или за счет поверхностных вод с минерализацией до 40–60 мг/л. Верховые торфа могут быть сложены остатками олиготрофных сфагновых мхов, пушицы, некоторыми осоками (осока топяная), шейхиерией, кустарничками, корой сосны. Низинный торф образуется в условиях богатого минерального питания, чаще поверхностными или подземными водами с минерализацией около 80–100 мг/л и более, в разнообразных условиях обводненности, начиная от болотных топей, кончая периодически увлажняемыми заболоченными лесами. Низинные торфа сформированы осоками, евтрофными пушицами, тростником, хвощом, вахтой, евтрофными сфагновыми, гипновыми мхами, корой и древесиной березы, ели, сосны, ольхи черной, ивами и т. д. Для торфа переходного типа характерно несколько обедненное минеральное питание водами с минерализацией 60–80 мг/л. В торфе отмечаются остатки и низинных, и верховых растений, тем не менее, есть типичные представители переходного типа. Мощность залежи обычно небольшая. Переходные торфа образованы остатками мезотрофных и олиготрофных сфагновых мхов, корешками осок, корой сосны и березы, а также остатками некоторых евтрофных растений.

Подтип торфа является таксономической единицей, которая отражает соотношение основных растений-торфообразователей по их требованию к обильности водного питания. Различают лесной, лесо-топяной и топяной подтипы.

Группа торфа выделяется на основе содержания в торфе остатков отдельных групп растений-торфообразователей. Лесной подтип включает древесную группу, лесотопяной – древесно-моховую, древесно-травяную, топяной – травяную, моховую, травяно-моховую [20]. Обычно выделяются 6 групп торфа, для верхового типа добавилась кустарничковая группа [63].

В моховую группу входят сфагновые торфа: ангустифолиум, магелланикум, фускум, сфагновый мочажинный и комплексный верховой торф, а также сфагновый низинный. Листья сфагновых мхов и стебли состоят из двух типов клеток: живых – ассимилирующих, длинных и узких, с хлоропластами, и мертвых (без протопласта), с утолщениями на стенках и порами (рис. 2.25). Благодаря такому строению стебля и листа сфагнум способен впитывать и удерживать большое количество воды, которая в 30–40 раз превышает массу самого растения. Большинство сфагновых мхов являются типичными представителями верховых залежей, широко распространенных на междуречьях и высоких террасах. Особенностью торфов Западной Сибири является их олиготрофность, выраженная в присутствии верховых сфагновых мхов (фускум, магелланикум, ангустифолиум) в торфах низинного типа [73]. Эта особенность определяет специфику таких показателей как влажность, зольность, агрессивность по отношению к металлам и бетону, степень разложения торфяных грунтов.

Древесная группа. Древесный торф встречается сравнительно редко, образуя придонные слои или окаймляя залежь. В эту группу входят торфа: березовый, сосновый, еловый, кедровый, ольховый, низинный, ивовый и другие виды. Для древесного торфа (соснового) характерна высокая степень разложения, темно-коричневый, почти черный цвет, структура комковато-зернистая или пластинчатая. Сильно разложившийся (D_dp=35–50 %) сосновый и отчасти сосново-сфагновый торфа имеют тонкозернистую пластинчатую структуру, так как сами древесные остатки лучше сохраняются.

Травяная группа. Травяной торф представляет собой набор остатков травяных торфообразователей, к нему относятся верховые торфа: пушицевый и шейхцериевый верховой, а также низинные виды: тростниковый, осоковый и шейхцериевый низинный и др. Структура его, в зависимости от преобладания тех или иных компонентов, может быть как волокнистой (шейхцериевый), так и войлочной (осоковый).

Вид торфа – низшая таксономическая единица классификации торфа, характеризующаяся постоянным сочетанием преобладающих остатков отдельных видов растений-торфообразователей, отражающих исходные растительные ассоциации. Каждый фитоценоз, развивающийся в свойственных ему условиях среды, откладывает свой, присущий только ему вид торфа. Состав растительности на поверхности болот указывает на ботанический состав верхнего слоя торфяной залежи, в этом заключается индикаторная роль растительного покрова.

Видовой состав растительных остатков торфа только в самых общих чертах отражает видовой состав отложившей его материнской ассоциации, так как многие растения, обитатели низинных болот разлагаются полностью. Остатки других растений, произрастающих в материнском фитоценозе в незначительном количестве, например сфагновых и гипновых мхов, могут постепенно накапливаться в торфе в силу того, что они хорошо противостоят разложению для правильного определения ботанического состава торфа необходимо не только определить под микроскопом остатки растений-торфообразователей, но и знать их экологию, реальность совместного произрастания в современных растительных группировках. В табл. 2.22 приведена встречаемость различных видов торфа на территории России, жирным шрифтом выделены наиболее представительные виды торфа.

Определение ботанического состава торфа. Сущность метода заключается в определении при помощи микроскопа количественного соотношения в процентах остатков растений-торфообразователей, слагающих растительное волокно в пробе, освобожденной от гумуса. От пробы берут для анализа 50–100 см³ торфа и разравнивают его на пластиковом или полиэтиленовом листе слоем 3–5 мм. Из подготовленного слоя пробоотборником или ложкой набирают в точках, равномерно расположенных по площади, порцию торфа объемом около 5 см³, помещают на сито и промывают ее струей воды до тех пор, пока вода под ситом станет прозрачной.

Промытое волокно маленькими порциями пинцетом переносят на предметное стекло, распределяют иглами тонким прозрачным слоем. От каждой пробы для анализа готовят препарат на трех предметных стеклах. Если волокно имеет характерную желто-коричневую окраску, то на него при помощи пипетки капают раствором серной кислоты с массовой долей 5 % до исчезновения окраски. Затем пипеткой добавляют воду и выравнивают препарат до получения тонкого прозрачного слоя. Предметное стекло с приготовленным препаратом кладут на столик микроскопа и рассматривают при увеличении 56–140^´. При анализе пыльцы растений, анатомического строения остатков древесины и сфагновых мхов пользуются увеличением 400^´ и более. При этом применяют стандартные предметные и покровные стекла, а также иммерсионное масло, которое наносят на покровное стекло.

При анализе сфагновых мхов часть промытой пробы для препарата предварительно окрашивают метиловой синью или чернилами. При анализе древесных и травянистых остатков для большего просветления добавляют пипеткой несколько капель раствора гидроокиси натрия или калия с массовой долей 10 %.

Волокно растений-торфообразователей, видимое под микроскопом, по занимаемой в поле зрения площади принимают за 100 %. При анализе путем перемещения предметного стекла на каждом препарате просматривают до десяти полей зрения. По каждому полю зрения записывают название встречающихся растений и ставят против них процент занимаемой площади с округлением до 5 %. Если остатки растений встречаются в количестве менее 5 %, то их отмечают знаком «ед.» – единично. Для каждого растения-торфообразователя определяют среднее арифметическое по всем полям зрения одного образца с округлением до 5 %. Абсолютное допускаемое расхождение между определениями ботанического состава, проводимыми разными исполнителями в одной пробе, не должно превышать 5 % по растениям-торфообразователям, определяющим вид торфа. Принадлежность растительных остатков к определенному виду растения устанавливают по атласу растительных остатков в торфах. После определения ботанического состава находят тип, группу и вид исследуемого торфа по Классификациям видов торфа и торфяных залежей.

Таблица 2.22

Распространение разных видов торфа на территории России, % [69]

Вид	Тип торфа
	низинный	переходный	верховой
Древесный	6,2	1,5	1,5
Древесно-осоковый	4,7	1,1
Древесно-тростниковый	0,9
Тростниковый	0,8
Осоковый	15,6	2,5
Осоково-гипновый	2,0
Шейхцериевый	1,1	1,9	2,3
Гипновый	1,1
Древесно-сфагновый		3,1
Осоково-сфагновый		3,4
Сфагновый		3,9
Сосново-пушицевый			1,3
Сосново-сфагновый			1,3
Пушицевый			2,1
Пушицево-сфагновый			6,0
Шейхцериево-сфагновый			2,7
Фускум			9,8
Магелланикум			16,3
Комплексный			3,5
Сфагновый мочажинный			0,9

Общепринятой классификацией торфов в нашей стране служит «Классификация видов торфа и торфяных залежей» [119], разработанная под руководством C.H. Тюремнова, в которой выделено 40 видов торфа (рис. 2.26). В классификации все торфа объединяют в три типа, в соответствии с типами растительности. Их выделяют по зольности: низинный (зольность 6–18 %), переходный (4–6 %), верховой (менее 4 %), при этом учитывают первичную, так называемую конституционную зольность. В пределах типов выделяют группы торфов, которые устанавливают на основании соотношения древесных, травяных и моховых остатков.

К древесной группе принадлежат торфа, где древесные остатки (кора, древесина) составляют 40 % и более. К древесно-моховой и древесно-травяной группам относят торфа с содержанием древесных остатков 15–35 %. Если содержание в торфе моховых остатков 35 % и более, торф включают в древесно-моховую группу, а если менее 35 %, в травяно-моховую. Торфа с содержанием древесных остатков менее 15 % относят к моховой, травяно-моховой и травяной группам. В моховую группу входят торфа с содержанием остатков мхов 40 % и более, в травяно-моховую – 10–35 %; в травяную – не более 5 % [51].

Рис. 2.26. Классификация видов торфа по С.Н. Тюремнову [119]

На верховых болотах наблюдается лучшая сохранность моховых и травянистых остатков, в этом случае используют другие критерии. К моховой группе относят торфа с содержанием моховых остатков 60 % и более, к травяной – с содержанием травяных остатков 60 % и более; промежуточное положение занимают торфа травяно-моховой группы.

В основу классификации С.Н. Тюремнова положен генетический принцип, согласно которому каждый вид торфа имеет своим аналогом соответствующую «материнскую ассоциацию». В классификации виды торфа выделяются не по преобладанию остатков определенной группы, а по составу остатков в целом. Классификация торфа в основном разработана для болот северо-запада средней полосы России и Урала. Для Западной Сибири применяется также «Классификация торфов и торфяных залежей Западной Сибири», авторы Р.Г. Матухин, В.Г. Матухина, И.П. Васильев [63]. В регионе преобладают топяные подтипы торфа, из видов – фускум, комплексный, магелланикум, ангустифолиум, сфагновый мочажинный, пушицево-сфагновый, шейхцериево-сфагновый, часто встречается шейхцериевый и пушицевый торф, на юге развиты низинные торфа – гипновые, осоково-гипновые, травяные, древесные и травяно-древесные.