Факторы, влияющие на состав и мощность элювиальных образований

Оглавление

Введение

Глава 1. Факторы, влияющие на состав и мощность элювиальных образований

1.1 Влияние климата

1.2 Влияние рельефа

1.3 Влияние горных пород

1.4 Влияние биоса

1.5 Влияние времени

Глава 2. Схемы расчленения коры выветривания

Глава 3. Площадные и линейные коры выветривания

Глава 4. Научное и практическое значение изучения кор выветривания

4.1 Полезные ископаемые

4.2 Почвы и почвообразовательный процесс

4.3 Роль процессов и кор выветривания в решении практических задач инженерной

геологии

Заключение

Список литературы

Коры выветривания

­_­Глава 1.         Факторы, влияющие на состав и мощность элювиальных образований.

1.1.      Горные породы
      Горные породы сложены минералами, однако выветривание пород представляет собой более сложный процесс, чем просто выветривание определённого набора минералов. Характер и скорость выветривания в значительной степени зависят от пористости и проницаемости пород, которые обеспечивают проникновение воды и удаление продуктов выветривания. Пористость и проницаемость зависят от характера упаковки зёрен и объема межзернового пространства, а также от различных текстурных особенностей, влияющих на проницаемость.
      Горные породы (Оллиер, 1987) можно разделить на четыре типа: 1) рыхлые осадки; 2) осадочные породы; 3) изверженные породы; 4) метаморфические породы.

Таблица 1

Классификация изверженных пород

Рис. 1. Содержания минералов в изверженных породах (Оллиер, 1987).

      Характер выветривания какой-либо породы зависит от соотношения ее с другими породами. Так, например, кепрок может предохранить подстилающую породу от увлажнения и связанного с этим выветривания, тогда как в иной ситуации нижележащая порода может изменяться под действием растворов, поступающих из перекрывающей породы. При этом на характер выветривания влияют как состав, так и структура пород (особенно пористость). Часто оказывается что поры более выветрелы на контакте с другими породами, чем в основной массе. М.Шварцбах описал выветрелые конгломераты, в которых вокруг каждой гальки на контакте с основной массой образовывались канавки. При выветривании чётко проявляются литологические границы, что обычно учитывается при геологическом картировании.

Рис. 2. Выветривание конгломерата по контакту валунов и основной массы.  Фото М. Шварцбаха.     

Рассмотрим пример выветривания осадочных пород под базальтовым потоком. Следовало ожидать, что базальтовый поток предохраняет подстилающие породы от выветривания и что соседние породы, не покрытые базальтом и выступающие на дневную поверхность, должны были выветриться быстрее. В действительности - картина обратная, так как породы под базальтами выветрелы более интенсивно.

Рис. 3. Подбазальтовое выветриваение у дамбы Тулларуп: 1 – базальт; 2 – подстилающие базальты отложения; 3 – выветрелые породы; 4 – коренные породы (Оллиер, 1987).

1.2.      Рельеф

Одним из наиболее благоприятных условий для формирования мощных кор выветривания является более или менее выровненный рельеф. В районах, испытывающих активные тектонические поднятия, происходит интенсивное расчленение территории поверхностными водами и другими экзогенными факторами и снос разрушенного материала, т.е. денудация. Она может опережать процессы химического выветривания горных пород и минералов. В этих условиях формирование нормального профиля (последовательное распределение в разрезе отдельных горизонтов, характеризующихся различной степенью выветривания пород) коры выветривания затруднено, и обычно она характеризуется небольшой мощностью с преимущественным развитием обломочных продуктов и продуктов начальных стадий химического выветривания (Горшков и др., 1973).

1.3.      Климат

Главные климатические параметры связаны с водой и температурой. Характеристика роли воды требует учёта общего количества осадков, интенсивности дождей, величины поверхностного стока осадков, отношения осадков к испарению и других параметров. Температурные характеристики – это средняя температура, колебания температуры (в том числе выше точки замерзания) и другие параметры. Местами важное значение могут иметь и другие факторы: облачный покров, относительная влажность, суховеи и изменчивость климатических условий (Оллиер, 1987).

Изменение мощности и состава кор выветривания в зависимости от указанных основных климатических данных видно из рис  (Гинзбург, 1957; Страхов, 1963). Особенно мощная кора выветривания формируется в условиях жаркого и влажного климата тропических и субтропических зон, где она достигает 100 и более метров. Нижняя граница ее обычно неровная, местами она глубоко опускается, главным образом вдоль крупных тектонических трещин и зон дробления, образуя карманы. Как видно из схемы, в тропических зонах кора выветривания представляет собой закономерно построенный элювиальный профиль. Самая верхняя её часть характеризуется наибольшей степенью разложения.
      На схеме видно, что в таёжно-подзолистой зоне умеренного пояса мощность коры выветривания значительно меньше вследствие уменьшения влажности и температуры. Но и здесь намечается определенная вертикальная зональность, только разрез коры выветривания заканчивается каолинитовым горизонтом и в нём отсутствует латеритный горизонт, свойственный влажным тропическим областям. Присутствие же каолинитового горизонта свидетельствует о далеко зашедшем процессе химического выветривания, когда все растворимые продукты выветривания выносятся просачивающимися атмосферными осадками.

      В районах сухих саванн, по мере приближения к пустыням, мощность коры выветривания резко уменьшается и изменяется её строение. Атмосферные осадки, выпадающие здесь во влажные сезоны и способствующие химическому разложению, промывают кору выветривания, вынося в более глубокие горизонты ее значительное количество сульфатов и карбонатов, но последние не удаляются полностью, а образуют в основании элювия известковые и гипсовые стяжения. В верхней части образуются глинистые минералы гидрослюдисто-монтмориллонитово-бейделлитового горизонта. Это соответствует начальному этапу химического выветривания силикатов, при котором происходит гидратация и лишь частичный вынос катионов.

Рис. 4. Схема образования коры выветривания на тектонически неактивных площадях (по Н. М. Страхову): 1 – свежая порода; 2 – зона дресвы, химически малоизмененной; 3 – гидрослюдисто-монтмориллонитово-бейделлитовая зона; 4 – каолинитовая зона; 5 – охры Al₂O₃; 6 – панцирь Fe₂O₃+Al₂O₃.

      Только на участках, примыкающих к влажным тропикам, в составе коры выветривания появляются каолинит и гидроокислы железа. Последние в сухое время года теряют связанную воду и превращаются в гидрогематит (Fe₂O₃•H₂O) или даже гематит (Fe₂O₃), придавая элювию красный цвет.

      В области степей, расположенной в зоне умеренного пояса семиаридного климата, мощность коры выветривания еще меньше. Вследствие недостаточного количества атмосферных осадков, выпадающих здесь лишь в определенное время года, нет условий для промывания коры и выноса растворимых продуктов выветривания (карбонатов, сульфатов), и они остаются в толще элювия. В результате кора выветривания в области степей  состоит из маломощной зоны дресвы гидрослюдисто-монтмориллонитово-бейделлитовой зоны.

      В пустынях и полупустынях, где количество атмосферных осадков очень мало, а испарение во много раз больше, происходит преимущественно физическое (температурное) выветривание (Горшков и др., 1973).

1.4.      Время

Среди кор выветривания различают современные и древние. Современные коры выветривания обычно недоразвиты, элювий в них зонально почти не дифференцирован. Наибольший интерес представляют собой древние коры выветривания.

В геологических разрезах фиксируются древние коры выветривания различного состава и возраста. Эти длительно развивающиеся коры выветривания отличаются нередко большой сложностью, отражая изменения условий во времени. В истории геологического развития неоднократно создавались благоприятные условия для формирования мощных кор выветривания. Выделяются следующие древние коры выветривания: 1) допротерозойская – на поверхности архейских корных пород;                 2) докембрийская; 3) досреднедевонская; 4) девонская; 5) мезозойская; 6) палеогеновая.

1.5.

      Биос

Рис. 5. Разрушающее действе корней деревьев.

Механическое действие на горные породы производит корневая система деревьев. По мере разрастания дерева увеличиваются в размерах и его корни. Они давят с большой силой на стенки трещин и раздвигают их, как клинья, и тем самым вызывают раскалывание массива пород на отдельные глыбы и обломки. Отмершие корни растений, набухая от дождей, также расширяют трещины. Механическую работу производят и разнообразные роющие животные.

Также велика роль организмов и в сложных процессах химического разложения минералов и горных пород.

Роль организмов в химическом выветривании определяется тем, что они способны захватывать различные элементы из разрушаемой породы и выделять в нее разнообразные химически активные вещества.

Растения в процессе своей жизнедеятельности (Горшков и др., 1973), проникая в трещины и поры горных пород, разрушают их не только механически, но и химически, разъедая их кислотами, выделяемыми концами корешков. Одновременно с этим растения извлекаю различные минеральные элементы горной породы в качестве питательных веществ: K, Ca, SiO₂, Mg, Na, P, S, Al, Fe и др.
      Большое значение имеют органические (гуминовые) кислоты, образующиеся при разложении и гниении органических остатков, а также газообразные продукты, такие, как O₂ и CO₂, разрушительное воздействие которых на горные породы было отмечено.

Глава 2.         Схемы расчленения коры выветривания.

            Основываясь на строении различных кор выветривания (Горшков и др., 1973), Б. Б. Полынов, И. И. Гинзбург и другие исследователи ввели понятие о стадийном характере процессов выветривания. Выделены четыре стадии выветривания: 1) обломочная; 2) сиаллитная обызвесткованная; 3) кислая сиаллитная и 4) аллитная.

            Обломочная стадия характеризуется преобладанием физического выветривания, в результате которого накапливаются обломки первичных горных пород.
 

            Рис. 6. Принципиальная схема инженерно-геологического расчленения коры выветривания (Золотарев, 1983): 1 – интенсивность действия процессов выветривания; а – значительная, б – средняя, в – слабая; 2 – минеральные новообразования; а – гипс, б – гидроокислы железа.        
            Сиаллитная  обызвесткованная стадия соответствует начальной стадии химического выветривания, при которой начинается расщепление силикатов и алюмосиликатов с частичным выносом катионов. Первичные силикаты гидратируются и превращаются в гидрослюды, гидрохлорит, монтмориллонит, нонтронит, бейделлит и др. Местами появляются карбонаты и опалы. Процесс протекает в щелочной среде, чаще всего в условиях сухого континентального климата.     
            Кислая сиаллитная стадия характеризуется дальнейшим: выносом катионов и кремнезема и образованием глинистых минералов из группы каолинита — каолинитовая зона коры выветривания, а на основных и ультраосновных породах (габбро, диабаз, базальт, перидотит) — нонтрониты (ферримонтмориллонит), бейделлиты с локальными накоплениями гидроокислов железа и алюминия. Карбонаты, образующиеся при взаимодействии катионов с углекислотой, выносятся иэ коры выветривания. В этом горизонте вследствие глубокого изменения элювия полностью исчезают все текстурные признаки первичных горных пород.          
             Аллитная стадия характеризуется полным разложением силикатов с образованием наиболее устойчивых на поверхности соединений — водных окислов алюминия, железа, кремния, представляющих собой типичные коллоидные минералы (гиббсит — составная часть боксита, бурый железняк, опал и др.). Эта стадия развивается только в условиях влажных тропиков и субтропиков, где наблюдается наибольшая мощность коры выветривания и отчетливо выраженная вертикальная зональность ее (рис. 4).

            Обобщая опыт инженерно-геологического изучения элювия и учитывая задачи исследований (Вопросы инженерно-геологического изучения процессов и кор выветривания, 1971), представляется целесообразным разделять коры выветривания на три зоны: верхнюю (1) – “дисперсную”, химико-минералогического преобразования, среднюю (2) – “обломочную” и нижнюю (3) – “трещинную”, иногда неточно называемую “линейной”. Каждая зона, в зависимости от степени сформированности и состава исходных пород, климата и процессов сноса может быть подразделена на несколько горизонтов выветривания.

Глава 3.         Площадные и линейные коры выветривания.

            Распространение кор выветривания га площади и их сохранность зависит от многих факторов (Горшков и др., 1973) и в первую очередь от направленности тектонических движений. При прогибании территории кора выветривания может быть перекрыта более молодыми отложениями и в этом случае обеспечивается ее сохранность. В случае медленного и небольшого по амплитуде поднятия размыв коры выветривания относительно небольшой и она также в значительной степени сохраняется. При интенсивных дифференцированных (разнонаправленных) тектонических движениях значительно увеличивается размыв и кора выветривания на приподнятых блоках может быть частично или полностью размыта. Те коры выветривания, которые залегают на различных горных породах, сохраняя первичную нормальную зональность, и покрывают большие территории, называют площадными корами выветривания (по предложению И. И. Гинзбурга). Площадные коры выветривания наиболее развиты в платформенных областях, где их формирование было связано с длительными по времени континентальными перерывами в осадконакоплении. Они также развиты на приподнятых выровненных поверхностях в горных районах (Алтай, Саяны и др.).
            Линейные коры выветривания развиты, главным образом, в складчатых областях и, кроме того, в районах, где площадная кора выветривания размыта.

Глава 4.         Научное и практическое значение изучения кор выветривания

4.1.      Полезные ископаемые

            С древними корами выветривания (Горшков и др., 1973) связаны многие важные полезные ископаемые, такие, как бокситы, каолиниты, гидросиликаты никеля, гидроокислы и окислы железа, гидроокислы марганца, опалы, магнезиты, гипсы и др. Иногда в зонах окисления медных сульфидных месторождений, особенно там, где они залегают в известняках, образуются малахит и азурит – карбонаты меди. В корах выветривания, образовавшихся на поверхности платиноносных, золотоносных и алмазоносных горных пород, происходит обогащение рыхлых продуктов и образуются россыпи таких ценнейших полезных ископаемых, как платина, золото, алмазы. Таким образом, с процессами выветривания связано происхождение новых, так называемых экзогенных, или гипергенных, минералов, образующих нередко месторождения, имеющие народнохозяйственное значение.

4.2.      Почвы и почвообразовательный процесс

С процессами выветривания (Якушова и др.,1988) в самой верхней части земной коры тесно связано образование и такого важнейшего естественноисторического тела, как почва, отличающаяся особым составом и плодородием.   

Рис. 7. Строение почвенных профилей (по М. А. Глазковской): I – подзол, II – чернозём.

            Распространение почв, их состав зависят от биоклиматической обстановки, литологических особенностей субстрата горных пород и положения в рельефе. В зависимости от того или иного сочетания указанных факторов образуются различные генетические типы почв, отличающиеся друг от друга строением профиля, структурой, плодородием.
            В нормальном почвенном профиле выделяются несколько генетических горизонтов. 1. Перегнойно-аккумулятивный (гумусо-аккумулятивный) А₁, соответствующий верхней части профиля, куда поступает максимальное количество наземных и корневых растительных остатков. Ведущим процессом в нем является накопление гумуса. В некоторых случаях на поверхности этого слоя наблюдается слой неразложившихся или слабо разложившихся органических остатков (подстилка в лесу, дернина на лугу), который обозначается А₀. 2. Элювиальный, или горизонт внутрипочвенного выветривания А₂, в котором преобладает вынос вещества. В условиях достаточно влажного и теплого климата в процессе внутрипочвенного выветривания силикатных и алюмосиликатных пород в этом горизонте в большинстве случаев присутствуют глинистые минерал. 3. Иллювиальный горизонт B, в котором имеет место вмывание и накопление веществ, вынесенных из других горизонтов. Перемещение этих веществ происходит как в виде суспензии глинистых минералов, так и в виде коллоидных и истинных растворов. Они заполняют поры и отдельные полости, создавая различные по форме и химическому составу новообразования. Под иллювиальным горизонтом залегает горная порода, не затронутая почвообразованием. Её обычно называют материнской породой (поскольку она служила основой для образования минеральной части почвы) и обозначают буквой C.        
            Сочетание указанных горизонтов и их состав в различных типах почв неодинаковы, что связано с неоднородностью биоклиматических факторов, определяющих (наряду с рельефом и составом материнских пород) интенсивность совместно протекающих процессов выветривания и почвообразования. В качестве примера можно привести строение профилей двух почвенных типов – подзола и чернозёма, формирующихся в различных биоклиматических условиях (рис. 7).

4.3.      Роль процессов и кор выветривания в решении практических задач инженерной геологии

            На всех стадиях инженерно-геологических исследований и для разных видов строительства или использования территории (за редким исключением) изучаются процессы разуплотнения и выветривания пород и сформированные ими элювиальные образования. Детальность и методы изучения (картирование, разведочные, экспериментальные, стационарные и др.) в конкретных комплексах пород и для поставленных задач будут различными. Основными вопросами являются:

1)         установление строения и закономерностей распространения зон " и горизонтов выветривания в разных породах и в тектонических разрывах,на"" различных геоморфологических элементах и в микроклиматических условиях;

2)         ойоснование возраста элювия и_характеристина скоростей про- цессов выветривания в сопоставлении с интенсивностью процессов сноса в разных породах и условиях, а также оценка изменения свойств и состояния пород во времени под их влиянием;

3)         установление внешних признаков и классификационных показателей состояния и свойств пород с разной степенью вывет- релости и выявление корреляционных связей с геофизическими характеристиками, в первую очередь со скоростью упругих волн (vp);

4)         разработка региональной схемы расчленения коры выветривания на зоны и горизонты с характеристикой (классификацией) физико-механических и фильтрационных свойств пород;

5)         выявление приуроченности оползней, обвалов, осовов и куру- мов разных типов и объемов к зонам выветривания различного возраста, строения и мощности;

6)         оценка пород разной выветрелости в отношении сопротивления их эрозионному и абразионному размыву, развитию процессов выщелачивания и карста, осыпанию, оплыванию и устойчивости в обнаженных откосах и склонах;

7)         на основе детального инженерно-геологического изучения разреза коры выветривания оценка деформационных свойств различно выветрелых пород для определения глубины их съема в основании сооружений или для выбора мер по укреплению методами анкерования, технической мелиорации и др.;

8)         установление возможности использования различно выветрелых пород в качестве строительных материалов при возведении земляных сооружений (дамб, плотин, насыпей и др.), для создания противофильтрационных экранов и определения эффективных способов их разработки в котлованах и карьерах.

Инженерно-геологическое изучение и оценка процессов разгрузки и выветривания и образованных ими зон экзогенного разрушения пород, выявление геологических закономерностей их распространения,, роли климатических и иных факторов должны начинаться с инженерно-геологического картирования, завершаясь в дальнейшем на полевых стационарах и путем лабораторных экспериментов.

Список литературы

1. Горшков Г. П., Якушова А. Ф. Общая геология. Изд. МГУ, М., 1973. 592 стр.

2. Золотарев Г. С. Инженерная геодинамика. М., МГУ, 1983. 328 стр.

3. Оллиер К. Выветривание: Пер. с англ.- М.:Недра, 1987. 348 стр.

4. Якушова А. Ф., Хаин В. Е., Славин В. И. Общая геология. Изд. МГУ. М. 1988. 448 стр.

5. Золотарев Г. С. Современные задачи инженерно-геологического изучения процессов и кор выветривания. Вопросы инженерно-геологического изучения процессов и кор выветривания. Изд. МГУ. 1971. С. 4-25.