Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы изучения химического состава и физико-химических свойств дисперсных грунтов 11
Глава 2. Методика исследования химического состава и физико-химических свойств дисперсных грунтов при их инженерно-геологической оценке 26
2.1. Силикатный анализ 26
2.2. Программный комплекс «Decompose» 31
2.3. Методы определения показателей физико-химических свойств лессовых и глинистых грунтов 34
Глава 3. Характеристика химического состава и физико-химических свойств лессовых и глинистых грунтов (на примере опорных разрезов)
3.1. Лессовые грунты 39
3.1.1. Разрез «Новоразводная» 39
3.1.2. Разрез «Микрорайон Солнечный» 48
3.1.3. Разрезы «Маршал» 53
3.2. Глинистые грунты 65
3.2.1. Разрез «Мальта» 65
3.2.2. Разрезы «Биробиджан» 73
Глава 4. Региональные особенности и физико-химические свойства дисперсных грунтов 83
4.1. Почвы и подстилающие их рыхлые отложения Приольхонья... 83
4.2. Донные осадки озера Байкал 99
4.3. Пески первого варианта трассы нефтепровода «Восточная Сибирь- Тихий океан» 109
4.4.Лессовые грунты районов распространения угленосной и красноцветной терригенной осадочных формаций 113
Глава 5. Роль химического состава и физико - химических свойств при инженерно-геологической оценке дисперсных грунтов 124
Заключение 138
Литература 139
- Современное состояние проблемы изучения химического состава и физико-химических свойств дисперсных грунтов
- Методы определения показателей физико-химических свойств лессовых и глинистых грунтов
- Разрезы «Маршал»
- Пески первого варианта трассы нефтепровода «Восточная Сибирь- Тихий океан»
Введение к работе
Работа посвящена изучению химического состава и физико-химических свойств дисперсных грунтов юга Восточной Сибири в связи с их инженерно-геологической оценкой.
Актуальность работы. Инженерно-геологическая оценка грунтов на современном этапе развития грунтоведения рассматривается в качестве открытой природно-техногеннои системы, основными структурными элементами которой являются информационные блоки о составе, микроструктуре, состоянии и различных свойствах. Известно, что химический состав грунтов при инженерно-геологической оценке изучается достаточно редко, не смотря на то, что он несет большую нагрузку корреляционно-генетического характера. Кроме того, наличие данных о химическом составе глинистой фракции позволяет применять компьютерные программы для расчета количественного содержания различных минералов в этой фракции, которое определяет проявление таких физико-химических свойств дисперсных грунтов, как набухание, усадка, пластичность и емкость катионного обмена. Комплексные исследования химического состава и свойств являются необходимым условием для реализации генетического принципа при инженерно-геологическом изучении дисперсных грунтов.
Цель работы состоит в изучении возможности использования химического состава и физико-химических свойств дисперсных грунтов в качестве критерия при их инженерно-геологической оценке (на примере опорных разрезов юга Восточной Сибири).
Задачи исследований.
1. Определить содержание породообразующих оксидов в дисперсных грунтах юга Восточной Сибири методом силикатного анализа.
Проанализировать полученные данные с помощью методов стандартной статистики, рассчитать геохимические коэффициенты и использовать эту информацию для обоснования выделения геолого-генетических комплексов и климатических реконструкций.
Определить количественное содержание минералов тонкоглинистой (< 0,001 мм) фракции грунтов с применением компьютерной программы «Decompose».
Проанализировать факторы, влияющие на проявление физико-химических свойств грунтов.
5. Провести исследования эксклюзивных объектов по комплексной схеме,
разработанной в группе грунтоведения Аналитического центра (АЦ)
Института земной коры (ИЗК) СО РАН.
6. Определить роль химического состава и физико-химических свойств
дисперсных грунтов при их инженерно-геологической оценке.
Объектами исследований являются лессовые и глинистые грунты опорных разрезов: «Новоразводная» (карьер в 3 км от г. Иркутска по Байкальскому тракту); «Солнечный» (скв. 273, г. Иркутск); «Маршал» (скв. 1416а, 250а, г. Иркутск); «Мальта» (скв. ГС-1, район д. Мальта). Для сравнения были изучены разрезы скважин «Биробиджан» (скв. 998, 1000, 999, 1001, 1002, район г. Биробиджана), вскрывающие тиксотропные глины. Кроме того, эксклюзивными объектами исследований явились почвы и подстилающие рыхлые отложения Приольхонья, донные осадки озера Байкал (хребет Академический), пески первого варианта трассы нефтепровода «Восточная Сибирь - Тихий океан» и лессовые грунты районов распространения угленосной и красноцветной терригенной осадочных формаций в Приангарье.
Фактологическую базу диссертационной работы составляют материалы, полученные в результате аналитических исследований
химического состава и физико-химических свойств дисперсных грунтов юга Восточной Сибири (опорные разрезы и некоторые эксклюзивные объекты), их анализ с применением различных компьютерных программ, а также данные опубликованных и фондовых источников, связанные с темой диссертации. Кроме того, использованы материалы комплексных исследований грунтов, проведенных в грунтоведческой группе АЦ ИЗК СО РАН, данные отчета Центра геолого-экологических исследований (ЦГЭИ) Иркутского государственного технического университета, составленного А.В. Самусенко в 2001 г., а также коллекции образцов дисперсных грунтов (Т.Г. Рященко) и донных осадков оз. Байкал (Е. Г. Вологиной).
В ходе работы проведена обработка и анализ материалов комплексных инженерно-геологических исследований дисперсных грунтов юга Восточной Сибири, которые выполнялись в период с 1987 по 2005 гг.
Методы исследований.
При выполнении диссертационной работы были использованы вариант методики силикатного анализа, разработанный химической группой, современные методические разработки грунтоведческой группы АЦ ИЗК по изучению минерального состава тонкоглинистой (< 0,001 мм) фракции, в том числе реализована программа «Decompose», которая позволяет рассчитать количественное содержание глинистых минералов; стандартные и специальные методики определения показателей физико-химических свойств дисперсных грунтов.
Применение программ «Стандартная статистика» и «Кластер-анализ» позволило оценить особенности, степень однородности и различные взаимосвязи химического состава изученных дисперсных (лессовых, глинистых и песчаных) грунтов. Дополнительная информация по параметрам микроструктуры грунтов была получена по методу «структурных диаграмм» [Рященко и др., 2000].
Научная новизна выполненной работы заключается в следующем:
Получены новые комплексные данные по химическому составу дисперсных грунтов по опорным разрезам «Новоразводная», «Солнечный», «Маршал», «Мальта» на территории Приангарья с целью их использования для обоснования вьщеления геолого-генетических комплексов и климатических реконструкций при инженерно-геологической оценке.
Изучены тиксотропные глины в районе г. Биробиджан, донные осадки озера Байкал на Академическом хребте, пески в районе первого варианта трассы нефтепровода «Восточная Сибирь - Тихий океан», лессовые грунты в зонах распространения угленосной и красноцветной осадочных формаций в Приангарье.
Впервые реализован вариант методики силикатного анализа, разработанный химической группой АЦ ИЗК СО РАН для диагностики процессов современных и палеоландшафтных обстановок при комплексных физико-химических исследованиях почв и подстилающих рыхлых отложений Приольхонья.
Рассчитано количественное содержание глинистых минералов (по программе «Decompose») по данным силикатного анализа тонкоглинистой фракции грунтов с использованием результатов фазового рентгеноструктурного анализа и установлена взаимосвязь минерального состава фракции с физико-химическими свойствами грунтов.
Защищаемые положения.
Химический состав дисперсных грунтов рассматривается как один из ведущих признаков литогенеза отложений. Изучение валового химического состава дисперсных грунтов опорных разрезов и расчеты геохимических коэффициентов явились базой для корреляционно-генетических построений и климатических реконструкций при их инженерно-геологической оценке.
Прогнозная роль химического состава лессовых и глинистых грунтов при инженерно-геологической оценке заключается в том, что по данным
силикатного анализа фракции < 0,001 мм устанавливается количественное содержание глинистых минералов и исследуется их влияние на проявление физико-химических свойств этих грунтов - пластичность, набухание, усадку и емкость катионного обмена.
3. Региональные факторы определяют инженерно-геологические
особенности дисперсных грунтов, связанные с их химическим составом и физико-химическими свойствами. Эти особенности установлены для почвенно-грунтовых разрезов Приольхонья, донных осадков оз. Байкал, песков первого варианта трассы нефтепровода «Восточная Сибирь - Тихий океан», лессовых грунтов Приангарья.
Личный вклад автора. В процессе научной работы автором был выполнен комплекс исследований, направленных на решение поставленных задач.
Автор лично принимал участие в отборе образцов лессовых и глинистых грунтов разреза «Новоразводная» (карьер в окрестностях г. Иркутска) и при бурении опорных инженерно-геологических скважин на площадке строительного комплекса «Маршал» в микрорайоне Солнечный г. Иркутска.
В рамках Интеграционного междисциплинарного проекта СО РАН № 104 «Структура, функционирование и эволюция горных ландшафтов Западного Прибайкалья под влиянием природных и антропогенных факторов» автор принимал участие в полевых исследованиях и отборе образцов рыхлых отложений почвенных разрезов Приольхонья, выполнении силикатного анализа образцов и сравнении химического состава отложений из различных геоморфологических зон. Автор был ответственным исполнителем указанного проекта от Института земной коры (2004-2005 гг.).
В течение 2000-2005 гг. автором выполнено 220 силикатных анализов (2870 элемент/определения) дисперсных грунтов, проведена статистическая
обработка данных, рассчитаны геохимические коэффициенты, построены графики изменения содержания породообразуюпщх оксидов в вертикальном разрезе грунтовых толщ.
На основании полученных данных с применением компьютерной программы «Кластер-анализ» проведена количественная оценка взаимосвязей между показателями химического состава.
Выполнено 120 силикатных анализов тонкоглинистой (< 0,001 мм) фракции дисперсных грунтов. На основе этих данных и результатов рентгеноструктурного анализа с помощью программы «Decompose» получено количественное содержание минералов в составе исследуемой фракции.
Практическое значение работы. Полученные комплексные материалы подтверждают необходимость использования химического состава и показателей физико-химических свойств дисперсных грунтов в качестве критериев их инженерно-геологической оценки. Разработанная методическая схема изучения глинистых минералов рекомендуется для практического использования при инженерно-геологических изысканиях.
Апробация работы. Основные положения и отдельные вопросы докладывались и обсуждались на следующих научных и научно-практических конференциях, симпозиумах и совещаниях:
научно-технические конференции «Геология, поиски и разведка полезных ископаемых и методы геологических исследований» (Иркутск, ИрГТУ, 2002-2006 гг.);
XX и XXI Всероссийские молодежные конференции «Строение литосферы и геодинамика» (Иркутск, ИЗК СО РАН, 2003,2005г.г.);
Вторая «Сибирская международная конференция молодых ученых по наукам о Земле» (Новосибирск, Объединенный институт геологии геофизики и минералогии, 2004 г.);
Международная научная конференция «Многообразие грунтов: морфология причины, следствия» (Москва, МГУ, 2003г.);
Международная научная конференция «Инженерная геология массивов лессовых пород» (Москва, МГУ, 2004);
XV молодежная научная конференция, посвященная памяти К.О. Кратца
(Санкт-Петербург, Институт геологии и геохронологии докембрия РАН, 2004
г.);
Третья интеграционная междисциплинарная конференция молодых
ученых СО РАН и высшей школы «Научные школы Сибири: взгляд в
будущее» (Иркутск, 2005 г);
Symposium on Latest Natural Disasters - New Challenges for Engineering
Geology, Geotechnics And Civil Protection (Sofia, Bulgaria, 2005);
Международная научная конференция «Город и геологические опасности» (Санкт-Петербург, 2006 г.);
XV Международная научно-техническая конференция «Геология и минерагения Центральной Азии» (Иркутск, ИрГТУ, 2006г.);
научное совещание «Геодинамическая эволюция литосферы Центрально-Азиатского подвижного комплекса (от океана к континенту)» (Иркутск, ИЗК СО РАН, 2006 г.).
Публикации. По результатам исследований автором лично и в соавторстве опубликовано 23 работы, в том числе две статьи в научных журналах из перечня ВАК.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Объем работы 152 стр., в том числе 40 рисунков, 40 таблиц; список использованной литературы составляет 119 наименований.
Автор искренне благодарен и признателен научному руководителю доктору геолого-минералогических наук, профессору Т.Г. Рященко за
формирование научных взглядов автора, поддержку и советы при выполнении и обсуждении работы.
Автор выражает благодарность кандидату геолого-минералогических наук. В.В. Акуловой, чьи советы, участие и помощь способствовали выполнению работы; Т.Ф. Даниловой и М.В. Даниловой - за выполнение грунтоведческих анализов дисперсных грунтов; к.г.-м.н. О.А. Мазаевой, к.г,-м.н. Козыревой Е.А. и к.г.-м.н. Е.Г. Вологиной - за предоставленные коллекции образцов; к.г.н. Л.В. Данько - за организацию экспедиционных работ и помощь при интерпретации полученных данных.
На всем протяжении исследований автора сопровождало доброжелательное отношение и постоянное внимание коллег химической группы Аналитического центра и ее руководителя к.х.н. Ю.И. Сизых. Всем им автор глубоко признателен.
Современное состояние проблемы изучения химического состава и физико-химических свойств дисперсных грунтов
Валовой химический состав дисперсных грунтов, обусловленный их минеральным составом, весьма изменчив, к тому же он не дает непосредственного представления о физико-механических свойствах грунтов, а определение его сопряжено с большими трудностями [Ломтадзе, 1984]. При крупномасштабных инженерно-геологических изысканиях определение химического состава грунтов обычно не проводится, тем более что в нормативных документах нет указаний на этот счет. В материалах региональных исследований эти данные встречаются в качестве классификационных показателей, кроме того, они используются при изучении выветривания, карстообразования, суффозионно-эрозионных и других экзогенных геологических процессов. Большое количество химических анализов имеется для лессовых грунтов различных регионов [Кригер, 1965; Лессовый покров ..., 2001].
Нужно отметить, что химический состав может определяться как для породы в целом, так и для ее отдельных фракций, в частности для фракции 0,001 мм, когда решается задача определения глинистых минералов, которые влияют на проявление различных физико-химических свойств. Далее мы рассмотрим состояние проблемы с указанных трех позиций: исследование валового химического состава лессовых и глинистых грунтов; изучение глинистых минералов; исследование физико-химических свойств грунтов и их взаимосвязей с глинистыми минералами.
Методологической основой грунтоведения, как известно, является генетический принцип, который заключается в том, что свойства грунтов зависят от условий их образования и всей последующей геологической истории преобразований в ходе литогенеза и петрогенеза, вплоть до метаморфизма [Приклонский, 1956; Ломтадзе, 1970; Сергеев, 1978]. Идея генетического подхода в грунтоведении была реализована Е.М. Сергеевым еще в 1952 голу при защите докторской диссертации, которая называлась «Генезис и состав грунтов как основа классификации и изучения их свойств». В 2003 г. В.Т. Трофимов сформулировал основной закон грунтоведения, который он назвал законом В.А. Приклонского - Е.М. Сергеева - В.Д. Ломтадзе: «состав, строение, состояние и свойства грунтов определяются их генезисом, характером постдиагенетических процессов и современным пространственным (координатным) положением, а на освоенных территориях - и характером техногенных воздействий» [Трофимов, 2003, с. 11].
Генетический принцип или основной закон грунтоведения есть не что иное, как процесс диагностики. Диагноз при инженерно-геологической оценке заключается в том, чтобы установить, почему грунты приобрели свои признаки состава, микроструктуры и физического состояния, определившие проявление их физических, физико-химических, деформационных, прочностных, сейсмических, тиксотропных и реологических свойств; когда правильно поставлен диагноз, можно прогнозировать дальнейшее поведение объекта (позитивное или негативное) и назначить рациональное «лечение», если оно необходимо [Рященко, 2000].
Таким образом, при инженерно-геологической оценке дисперсных грунтов с генетических позиций результаты изучения их химического состава и физико-химических свойств составляют необходимое информационное звено для решения различных типов задач, среди которых В.Т. Трофимовым выделены морфологические, ретроспективные и прогнозные. Морфологические задачи связаны с изучением состава, состояния, строения и свойств анализируемых грунтов, а также инженерно-геологических условий в целом, ретроспективные - с восстановлением истории формирования объекта исследований и его качеств, прогнозные - с изучением поведения исследуемой системы под воздействием различных причин в будущем [Трофимов, 2003]. Обзор опубликованных работ показывает, что основными объектами, для которых проводилось изучение химического состава и физико-химических свойств, являлись лессовые и глинистые грунты.
Лессовые отложения относятся к наиболее распространенным типам континентальных четвертичных образований разного генезиса. Они встречаются в виде покровов различной мощности на всех элементах рельефа - от поверхностей водоразделов до низких надпойменных террас. Литологическим и инженерно-геологическим характеристикам лессовых грунтов уделено значительное место в большом числе публикаций.
Например, для территории Белоруссии, где в плейстоцене существовали благоприятные условия лессонакопления, были проведены исследования генетических типов и фаций этих покровных образований и их геохимических особенностей. Определялись и сравнивались средние значения показателей гранулометрического и химического состава лессовидных и глинистых (моренных, аллювиальных и озерных) отложений.
На основе изучения геохимических особенностей продуктов лессового литогенеза было установлено, что лессообразование - это процесс формирования определенного литолого-геохимического типа коры выветривания, включающий стадии сингенеза, диагенеза и эпигенеза [Лукашев, 1972; Лукашев и др., 1977; Лукашев К.И, Лукашев В.К., 1977; Литология и геохимия..., 1977].
Различные аспекты взаимосвязи вещественного состава лесса и лессовидных отложений с их физико-механическими и физико-химическими свойствами освещались в работах Е.М. Сергеева, А.К. Ларионова, В.И. Осипова, Н.И. Кригера, А.В. Минервина, Г.И. Швецова, В.Т. Трофимова, Б.Ф. Галая, В.П. Ананьева, В.И. Коробкина и других ученых на примере разных регионов России. В.И. Коробкин, изучая природу просадочности лессовых грунтов, отмечал, что пористость, отвечающая за количественную сторону просадочной деформации, может возникнуть как в результате литодинамических, так и физико-химических разуплотнительных процессов [Коробкин, 2000]. Важность использования данных химического состава лессовых грунтов различных регионов показана в работах [Кригер, 1965; Лессовый покров ..., 2001].
Актуальны проблемы оценки водонасыщенного состояния лессовой толщи и изменения их пластических свойств при изменяющемся влажностном режиме [Кульчицкий, Габибов, 2004]. Для лессовых грунтов характерны высокие значения гигроскопичности, капиллярности, влагоемкости, гидрофильности и низкая водоотдача. В регионах с высокой техногенной нагруженностью это обусловливает образование в зоне аэрации куполов с высоким стоянием уровня грунтовых вод и верховодок, а структурные особенности грунтов вызывают трудности оценки их обводненности на осваиваемых и застроенных территориях [Молодых, 2000].
Известно, что физико-химические и физико-механические свойства лессовых и глинистых грунтов во многом определяются глинистыми минералами, которые находятся в составе тонкодисперсной ( 0,001 мм) фракции [Грунтоведение, 1971, 2005; Ломтадзе, 1970, 1984; Осипов, 1979]. С именами П.А. Земятченского, М.М. Филатова, В.В. Охотина, В.А. Приклонского, Е.М. Сергеева, Г.Г. Ильинской, С.С. Морозова, И.В. Попова связано развитие представлений о природе различных, в том числе физико-химических, свойств грунтов, основанное на изучении глинистых минералов.
Исследование влияния обменных катионов на различные свойства глин начались еще в 20-30-е годы XX века в Швеции и Германии А.Хаддингом и Ф.Ринне. В 1930-1937 г.г. Л. Полингом были предложены структурные принципы строения слоистых силикатов (слюд и хлоритов), У. Гофманом, К. Энделли и Д. Вилмом - монтмориллонита (смектита), Р.Е. Гримом, Р.Х. Брэем и В.Ф. Бредли - иллита (гидрослюды). После накопления достаточного материала по рентгеновскому исследованию глинистых минералов и получению представлений об их структуре стало возможным все специфичные свойства глин (пластичность, связность, набухание, гидрофильность, ионный обмен и др.) объяснить наличием особых высокодисперсных минералов, число которых ограничено, но изоморфные замещения атомов в их кристаллической решетке (Si4+ на А13+ и А13+ на Mg2+ или Fe ) и полиморфизм создают значительное количество разновидностей в пределах нескольких основных групп (группы смектита, каолинита, гидрослюды и хлорита). В 30-40-х годах советские исследователи И.Д. Седлецкий, И.И. Гинзбург, Н.И. Горбунов и др. занимались изучением минералогии глин на базе рентгеновского, термического, химического и оптического анализов.
Методы определения показателей физико-химических свойств лессовых и глинистых грунтов
К основным физико-химическим свойствам глинистых и лессовых грунтов относятся пластичность, набухание, усадка и емкость катионного обмена. Из перечисленного набора при инженерно-геологических изысканиях обязательно определяется только пластичность, так как она необходима для выделения разновидностей грунтов (супесь, суглинок, глина) и расчета показателя текучести, по которому устанавливается консистенция. Существуют специальные классификации грунтов по числу пластичности, показателю текучести, по относительной деформации набухания [ГОСТ 25100-95].
Пластичность. Это свойство отражает способность материала изменять и сохранять форму под воздействием внешних условий без разрыва структурных связей. Глинистые и лессовые грунты проявляют пластические свойства при определенном содержание физически связанной воды в диффузном и адсорбционном слоях мицеллы, за счет которого минеральные частицы могут передвигаться относительно друг друга. Пластичность характеризуется тремя показателями (%): Wp , WT - пределы пластичности и текучести, 1р - число пластичности. Эти показатели определяются в лаборатории по стандартной методике [ГОСТ 5180-84; Ломтадзе, 1990]; необходимы образцы нарушенной структуры, воздушно-сухие или природной влажности.
Предел текучести определяется с помощью конуса А. М. Васильева. Если конус за 5 секунд погрузился в специально приготовленную пасту на глубину 10 мм, то считается, что влажность ее равна пределу текучести. Предел пластичности определяется методом раскатывания. Если из приготовленной пасты невозможно раскатать шнур диаметром 3 мм, то считается, что исследуемый образец грунта не обладает пластичностью. Число пластичности грунта определяют по разности между влажностью, соответствующей пределам текучести и пластичности: I„ = WT - Wp. Чем меньше число пластичности, тем слабее проявляются пластические свойства грунта. Набухание (увеличение объема грунта при поглощении воды) относится к сложным физико-химическим процессам. Первая стадия этого процесса связана с адсорбционным поглощением влаги, вторая обусловлена поверхностными осмотическими силами, возникающими вблизи глинистых частиц из-за активной концентрации обменных катионов. При изучении процесса определяются: относительное набухание (zsw %), показывающее интенсивность развитие деформаций при увлажнении; влажность грунта, соответствующая максимальной величине набухания (W„, %), и давление набухания (Рн, МПа). Из всех известных методов определения величины и влажности набухания рекомендован метод А.М. Васильева, который применим для испытания грунта естественного (кольцо вырезается из образца-монолита) и нарушенного (готовится образец-паста определенной влажности и плотности) сложения [Ломтадзе, 1990]. Наши исследования включали определения относительного набухания и влажности набухания образцов-монолитов и паст по методу А.М. Васильева; давление набухания не определялось.
Усадка противоположна набуханию - это уменьшение объема образца грунта при его высыхании. Из влажного грунта удаляется свободная и капиллярная вода, уменьшается толщина пленок физически связанной воды, окружающих минеральные частицы, в результате чего происходит их сближение под влиянием сил молекулярного притяжения. Определяется величина объемной усадки (%): Vy = (V1-V2) / Vb где Vi - первоначальный объем грунта в стандартном кольце, Уг - объем грунта после высыхания [Ломтадзе, 1990]. Мы определяли этот показатель для образцов-монолитов и образцов-паст.
Емкость катионного обмена (физико-химическая активность грунтов) определяется характером ионного обмена, сущность которого заключается в сорбировании из водных растворов некоторых катионов и анионов. В грунтоведении наиболее изучен катионный обмен, интенсивность которого выражается в виде специального показателя - емкости катионного обмена (ЕКО, мг-экв на 100 г вещества). Таким образом, способность грунта удерживать то или иное количество катионов в обменной форме отражает интенсивность его физико-химической активности.
В грунтоведческой группе АЦ ИЗК СО РАН при инженерно-геологической оценке дисперсных грунтов емкость их катионного обмена определяется постоянно, являясь частью обязательного для региона комплекса различных показателей состава и свойств этих грунтов. Используется метод Бобко - Аскинази в модификации Грабарова и Уваровой: грунт насыщается раствором хлористого бария, катионы бария вытесняются однонормальным раствором соляной кислоты, осаждаются и весовым способом определяется их количество, затем проводится расчет емкости катионного обмена [Методическое пособие ..., 1968]. Кроме того, применяется экспресс-метод, основанный на процессе адсорбции веществом красителя метиленового голубого в водном растворе [Методические рекомендации..., 1977].
Разрезы «Маршал»
Сотрудниками грунтоведческой группы Аналитического центра ИЗК СО РАН были выполнены комплексные исследования состава, микроструктуры и свойств грунтов по двум опорным скважинам 1416-а и 250-а, пробуренным 24 октября 2005г. в микрорайоне Солнечный г. Иркутска на площадке будущего строительства жилого комплекса «Маршал» (рис.3.7). Современное геоэкологическое состояние территории определяется широким развитием здесь мощных циклически построенных толщ лессовых грунтов с опасными свойствами и разнородным режимом увлажнения. Составлены инженерно-геологические колонки скважин, где показаны литологическии состав и геолого-генетические комплексы отложений, места отбора образцов, выделены зоны по консистенции грунтов, приведены инженерно-геологические показатели (табл. 3.5, рис. 3.8).
I. Геолого-генетические комплексы отложений: 1 - современный техногенный; 2 поздневерхнечетвертичный делювиальный - верхний лессовый циклит; 3 поздневерхнгечетвертичный делювиальный - нижний лессовый циклит; 4 - погребенный почвенный горизонт (предположительно); 5 - верхнечетвертичный аллювиальный.
II. Цитологические разновидности (группы) грунтов: 6 -суглинки с включениями обломков кирпича и гальки, гравийно-галечные отложения (насыпной грунт); 7 -лессовидные супеси пылеватые, нормалънопластичные и повышенной пластичности, агрегированные (лессовые грунты); 8 - супеси пылеватые, повышенной пластичности, агрегированные (глинистые грунты); 9 - супеси нормалънопластичные, агрегированные с включениями дресвы, гравия, крупных песчаных зерен (глинистые грунты);10-супесипылеватые, повышенной пластичности и нормалънопластичные, агрегированные(предположительно погребенные почвы).
III. Прочие обозначения: 11 - консистенция грунта: ТВ - твердая, ПТВ - полутвердая, П - пластичная, МП - мягкопластичная; 12 - показатели прочности грунта: С- стандартное удельное сцепление, МПа, р - угол внутреннего трения, град., Кр- коэффициент тиксотропного разупрочнения; 13 - виды проб грунта соответственно: монолит, образец-дубликат нарушенной структуры (мешочек), образец-дубликат нарушенной структуры для определения природной влажности (бюкс); 14-ГТК-геолого-генетический комплекс отложений, ЛС - литологический состав; 15 -уровень появления подземных вод, м; 16 - образец ненарушенной структуры в стандартном кольце для определения природной плотности и влажности.
В образцах, отобранных из скважины 1416-а (15 обр.) и 250-а (13 обр.), впервые определялось содержание породообразующих оксидов, оценивалось их распределение по глубине, рассчитывались геохимические коэффициенты (табл.3.6). Эти данные использовались для обоснования геолого-генетического расчленения толщи, которое было выполнено при детальной документации разрезов. По данным химического состава фракции 0,001 мм и результатов ее рентгеноструктурного анализа (выполненных в АЦ ИЗК СО РАН аналитиком Филевой Т.С.) было рассчитано количественное содержание глинистых минералов. Средние значения содержания оксидов и геохимических коэффициентов в грунтовых толщах обеих скважин практически одинаковы, однако характер их распределения в вертикальном разрезе более разнороден в скв. 1416-а. Рассмотрим данные по этой скважине на предмет расчленения толщи на геолого-генетические комплексы (табл. 3.6; рис. 3.9).
Можно заметить общую тенденцию на графиках: в разрезе до глубины 9,8 м распределение оксидов более разнородно (CaO, MgO, Н20 , 111111, Na20, FeO и в меньшей степени А1203), что не характерно для нижней части разреза.
Для Si02 и А120з наименьшие значения отмечаются на глубинах 5,4 и 8,2 м. По разрезу с глубиной значительно уменьшается содержание закисного железа, в то время как изменение содержания трехвалентного железа сохраняет пики по всему разрезу. Интересно синхронное распределение CaO, MgO, 111111: на глубинах 5,4 и 8,2 м отмечаются два пика, характеризующие максимальное содержание этих компонентов, а ниже по разрезу - почти монотонный график.
При анализе значений геохимических коэффициентов и графика их распределения вьщеляются пики на глубине 4,2 м, 8,2 м, 9,8 м, 17,0 м; при этом сохраняется та же тенденция - наиболее разнородное распределение отмечается до глубины 9,8 м. Исключение составляет коэффициент зрелости (Kz), его значения увеличиваются с глубиной (рис.3.9).
Обращает на себя внимание тот факт, что образец с глубины 8,2 м отличается минимальным в данной скважине содержанием Si02, Ti02, Н20 и значением коэффициентов CIA, CIW и максимальным - СаО и 1 lllll, ВА, Кь ICW; образец (18,0 м) - минимальным К20, Р205, Kj и максимальным -Н20", А120з; образец (19,1 м) - минимальным FeO, CaO, Na20, ВА, Кк, Ко максимальным - Kz, Kj,, CIA, CIW. Для других образцов такой закономерности не обнаружено. По данным химического состава лессовой толщи можно сделать следующие выводы: 1. Изменение характера распределения химических элементов в вертикальном разрезе опорной скважины 1416-а отражает различные условия формирования лессовой толщи и позволяет выделить по «химическому» критерию три зоны: 1) 2,2-9,8 м - зона наибольшей неоднородности химического состава; 2) 9,8-17,0 м - «спокойных преобразований»; 3) 17,0-19,1 м - зона «большей зрелости». Это разделение совпадает с инженерно-геологическими комплексами, выделенными при документации скважины. 2. В изученном разрезе образец с глубины 9,8 м не выделяется как погребенная почва, однако, учитывая особенности его химического состава (рис. 3.7), можно предположить существование еще одного 11111. В пользу этого предположения говорит и тот факт, что в скв.250-а погребенная почва выделена в интервале 9,0-10,5 м. Горизонты, определяемые как 11111 , маркируют смену климатической обстановки: в результате потепления создаются условия для развития почвообразовательных процессов, затем этот процесс замещает новое накопление осадочных отложений.
Пески первого варианта трассы нефтепровода «Восточная Сибирь- Тихий океан»
Инженерно-геологическая оценка песчаных грунтов проводилась в рамках первоначального проекта «Нефтепроводная система Восточная Сибирь - Тихий океан» на участке трассы Северомуйск - Таксимо (90 км), где были пройдены скважины глубиной 5-Ю м, вскрывшие разрез отложений аллювиального (аСЗз-Д делювиально-пролювиального (dpQ4), делювиального (dQ4) и озерно-флювиогляциального (lfgQ2.3) комплексов. Исследованный участок трассы проходит по долинам рек Муя, Куанда и Витим (пойма, первая и вторая надпойменные террасы), а также пересекает склоны водоразделов и днища распадков. Изыскания проводились ООО «Геострой», комплексный анализ состава и свойств песчаных грунтов (138 образцов) был выполнен в Аналитическом центре Института земной коры СО РАН. Лабораторные исследования включали определение гранулометрического и химического (30 образцов) состава песков, их природной плотности и влажности, плотности минеральной части, углов естественного откоса на воздухе и под водой, коэффициентов фильтрации, плотности в рыхлом и уплотненном состояниях, седиментационного объема; выполнены расчеты степени водонасыщения, плотности скелета грунта, пористости и коэффициента пористости, а также степени плотности и коэффициента уплотняемости.
При инженерно-геологической оценке грунтов сложилась нестандартная ситуация: по данным полевой документации все они были отнесены к нормальным песчаным грунтам различного гранулометрического состава, однако на основании детального просмотра воздушно-сухих образцов в лаборатории была установлена особая группа «связных песков» - частично агрегированных, макропористых, иногда карбонатных. Ранее при изучении Монголо-Сибирского региона Т.Г Рященко и В.В. Акуловой выделялись подобные «проблемные» грунты, формирование которых связано с процессами лессового литогенеза в условиях холодного семиаридного климата [Рященко, 1988; Рященко и Акулова, 1998]. Кроме того, среди исследованных образцов выделена «переходная» группа песков со следами криогенных воздействий.
При детальном просмотре образцов Т.Г. Рященко установлено, что нормальные (ps), со следами криогенных воздействий (ps ) и связные пески (ps ) могут принадлежать любому из выделенных геолого-генетических комплексов отложений, при этом они сохраняют некоторые свои специфические признаки: значительное содержание темноцветных минералов и присутствие окатанных кварцевых зерен - аллювий; характерный серый (грязноватый или дымчатый) цвет, присутствие обломков пород среди угловатых зерен и единичные включения дресвы и мелкой щебенки - делювий, особая «уложенность» угловатых, однородных по размеру песчаных зерен, темно-серый цвет - делювиально-пролювиальный комплекс; белесый и желтоватый цвет, окатанные зерна «в ржавых рубашках» - озерно-флювиогляциальные отложения. Следовательно, процессы лессового литогенеза, обусловленные вторичными криогенными воздействиями, оказались наложенными на полигенетические песчаные толщи, что изменило их «инженерно-геологическую однородность». Естественно, пески не стали лессовыми породами, но приобрели некоторые лессовые признаки - агрегированность, макропористость, карбонатность. Главную роль при этом играли криогенные воздействия, связанные с распространением островной многолетней мерзлоты.
Детальный анализ изменений параметров состава и свойств грунтов в зависимости от их принадлежности к выделенным группировкам рассмотрен в работах [Рященко и др. 2005; Ryashchenko et al, 2005]. Установлено, что реального обогащения песков пылеватым материалом (0,05-0,002 мм) не существует, а имитацию этого признака создают мелкопесчаные (0,25-0,1 мм) фракции, которые вместе со среднепесчаными явились вещественной основой для формирования микроагрегатов.
Кроме того, связные пески отличаются от нормальных повышенным содержанием фракции 0,1 мм за счет понижения количества крупнопесчаных частиц, в них уменьшается коэффициент фильтрации и увеличивается степень разуплотнения, угол естественного откоса под водой уменьшается на 6.
Связные пески (ps ) характеризуются пониженным содержанием кремнезема, значительным увеличением железа, магния, кальция, титана, фосфора и марганца; резко (в 5-7 раз) повышаются гигроскопическая влажность и потери при прокаливании (ППП). Можно сделать вывод, что процессы лессового литогенеза существенно изменяют химический состав песков, что еще раз подтверждает правомерность выделения особой (нестандартной) группировки в составе исследованных отложений.
Группировка, которая включает озерно-флювиогляциальные пески со следами криогенных воздействий (ps ), имеет свои специфические признаки: они обогащены фосфором и марганцем, но обеднены кальцием, натрием и особенно магнием. Эти признаки - свидетели особой генетической принадлежности и более древнего геологического возраста песков. Геохимические коэффициенты, отражающие степень химической зрелости материала (ВА, Kz), оказались почти одинаковыми для относительно молодых нормальных и связных песков (табл.4.6), но в группировке ps произошли изменения, указывающие на более высокий уровень этой зрелости, что еще раз подтверждает особое возрастное положение исследованных отложений.
