Петрогенетическая модель формирования глинистых пород и их разрушения водой

В. М. Кнатько, Т. Г. Полищук, Е. В. Щербакова, М. В. Кнатько

ПЕТРОГЕНЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ ГЛИНИСТЫХ ПОРОД И ИХ РАЗРУШЕНИЯ ВОДОЙ

Необходимость разработки петрогенетической модели формирования и трансформации глинистых пород в процессе их гидратации и гидролиза обусловлена тем, что в настоящее время не разработано достаточно четких представлений об осуществлении указанных процессов и роли продуктов реакции гидролиза глинистого вещества и глинистых минералов.

В многочисленных исследованиях большое внимание уделено изучению гидрофиль-ности глин и глинистых минералов, а также особенностям гидратации глинистых пород [1, 2, 3]. Эти исследования показали значительную сложность механизма связывания воды с глинистыми минералами. Наиболее дискуссионными оказались вопросы о влиянии поверхности кристаллов глинистых минералов и состава обменных катионов на гидрофильность глинистого грунта. Существовавшая ранее точка зрения об исключительной роли обменных катионов в процессах гидратации глинистых пород считается сейчас несостоятельной, так как решающим фактором в модификации структуры и свойств адсорбированной воды является поверхность глинистых минералов [4, 5]. При этом влияние обменных катионов на гидрофильность связана с двумя эффектами: различной энергией их гидратации и различной способностью диссоциировать с поверхностями минералов и образовывать диффузионный слой ионов [3]. Однако, академик В. И. Осипов в результате выполненных им исследований показал, что роль обменных катионов заключается не только в вышеуказанных эффектах, но и в модифицирующем воздействии на их кристаллическую структуру [6].

Основываясь на физической теории образования двойного электрического слоя (ДЭС) при взаимодействии воды с твердой фазой глинистого грунта сформировался принцип классификации воды в глинистых грунтах на следующие категории: прочносвязанную, рыхлосвязанную, гравитационную (свободную), капиллярную и осмотическую. Следует отметить, что в последнее время стали появляться работы, в которых критикуется принцип классификации воды в глинистых породах, указывается на недостаточно строгую обоснованность и искусственность установления границ между указанными выше видами воды и нецелесообразность вообще разделения воды по категориям [2]. Факт невозможности однозначного подразделения воды по категориям в дисперсных грунтах стал особо явным с развитием и использованием термодинамического подхода к исследованию состояния влаги в грунтах. Согласно термодинамическим закономерностям энергетическая характеристика влаги в породах находится в квазиравновесном состоянии с породой, уравновешивающим ее силовые поля [6].

В наших работах [7, 8, 9, 10] достаточно убедительно раскрыта последовательность и природа процессов взаимодействия воды с глинистыми породами и дана оценка четырем подходам к их интерпретации, в частности, геохимическому, петрогенетическо-му, химико-технологическому и физическому. При рассмотрении процессов взаимодействия воды с глинистыми породами с позиции геохимического подхода, основанного прежде всего, на том неопровержимом факте, что вода, как амфотерный электролит и

© В. М. Кнатько, Т. Г. Полищук, Е. В. Щербакова, М. В. Кнатько, 2009

активный растворитель, при взаимодействии с твердой фазой указанных пород реализует процессы гидратации и гидролиза. Поэтому углубленное изучение гидрофильности и гидратации глин и глинистых минералов без учета одновременно происходящего при этом процесса гидролиза глинистого вещества, включающего не только собственно глинистые минералы, но и аморфные вещества, имеет односторонний и непродуктивный характер, чреватый ошибочными суждениями о формировании различных категорий воды. В связи с этим рассмотрим процесс гидролиза глинистого вещества. Содержащиеся в нем аморфные составляющие в виде кремнезема (БЮ2), глинозема (А12О3), оксидов железа (Рв2Оз, ЕеО) и других элементов подвержены процессу гидролиза в первую очередь, благодаря чему в глинистой породе образуются новые вещественные фазы, в частности: коллоидно-дисперсная и золь-гелевая. Эти вновь образовавшиеся дисперсные фазы предельно гидратируются в силу присущей им огромной удельной поверхности и в разной степени удерживают воду. Кроме того, подвергаются гидролизу и глинистые минералы: вначале и прежде всего менее устойчивые типа трехслойных алюмосиликатов (монтмориллонитовой группы), а в случае кислой или щелочной среды подвергаются гидролизу и двухслойные алюмосиликаты (группы каолинита и др.). В связи с этим необходимо отметить, что нелепо полагать о наличии «свободной» (гравитационной) воды в ходе реализации процессов гидратации и гидролиза глинистого вещества дисперсных пород, так как согласно закону диффузии она одновременно и последовательно насыщается нано- и коллоидно-дисперсными частицами, превращаясь в так называемый грунтовый раствор. Аналогично указанному выше, о какой капиллярной воде может идти речь, если стенки капилляров гидролизуются и их объем заполняется образовавшимися коллоидно-дисперсными и золь-гелевыми фазами. Не трудно сообразить, что теория двойного электрического слоя в этом случае также теряет смысл, если твердая фаза, у которой он должен формироваться, разрушается водой в ходе процесса гидролиза, происходящего одновременно и непосредственно с гидратацией глинистой породы.

Образовавшиеся в ходе гидролиза коллоидно-дисперсные и золь-гелевые фазы коренным образом изменяют физико-механические свойства глинистых пород, обеспечивая им вяжущую способность, пластичность, тиксотропность, липкость, водонепроницаемость и т. д. Таким образом, рассмотрев процессы гидратации и гидролиза глинистого вещества при его взаимодействии с водой и формирования продуктов данного взаимодействия — коллоидно-дисперсных и золь-гелевых фаз нельзя утверждать о существовании разных категорий воды, так как ее химический состав и свойства активного растворителя и амфотерного электролита не подвергаются изменению, для этого нет никаких предпосылок. Свойства воды остаются неизменными во всем объеме протекания реакции гидролиза. Вместе с тем нельзя не упомянуть, что в пределах активной зоны гидролиза, непосредственно примыкающей к поверхности глинистого вещества, образуется слой своеобразной патины [11], ограничивающей свободный доступ непрореагировавшей с глинистым веществом воды, которая является в данном случае своеобразным защитным экраном на пути непрерывно развивающегося разрушительного процесса (принцип Ле Шателье). Однако, лишь стоит применить механическое разрушение указанной патины при перемешивании или путем размыва струей воды, чтобы процесс гидролиза продолжался до полного разрушения заданного объема глинистой породы и превращения ее в вязко-текучее тесто или суспензию. Подобная технология разрушения глинистого вещества в пастообразное тесто или суспензию широко применяется на практике. Рассмотренная концепция существования различных категорий воды в глинистых породах и теория ДЭС не могут объяснить этот технологический

процесс. Кроме того, они противоречат природе генезиса глинистых пород. Поэтому целесообразно рассмотреть предлагаемую нами петрогенетическую модель формирования и изменения свойств глинистого вещества при взаимодействии с водой.

Петрогенетическая модель формирования

дисперсный осадок

глинистое вещество

3

!Ч

Я

Є

«

0

ес

а

и

09

н

к

Я

Я

Л

я

§

1 §

Процессы генерации глинистого вещества:

— диагенетическое обезвоживание (Д0-Н20);

— процессы коагуляции и флокуляции коллоидно-дисперсной и золь-гелевой фазы ДО;

— процессы минералообразования;

— цементация и кольматация ДО;

— метаморфизм глинистого вещества;

— формирование алюмосиликатного полимера в виде глинистой породы (в результате завершения процессов консолидации и конденсации твердой фазы).

0

ft

01 во н

Процессы регенерации твердой фазы глинистого вещества при взаимодействии с водой (ГВ+Н20):

— гидратация и гидролиз;

— образование коллоидно-дисперсной и золь-гелевой фазы;

— формирование патины на поверхности твердых частиц ГВ;

— механическое разрушение патины при перемешивании, интенсификация процесса гидролиза и переход глинистого вещества в пастообразное состояние;

— дальнейшее разбавление глинистой пасты водой и формирование глинистой суспензии;

— предельная реконсолидация твердой

фазы — ее деполимеризация (переход алюмосиликагного полимера в мономер____ное состояние в виде ДО)._______________

В основу модели положены два альтернативных процесса — консолидации твердой фазы в дисперсном осадке в результате природного процесса диагенетического обезвоживания и обратный процесс реконсолидации глинистого вещества при взаимодействии с водой. Структура модели раскрывает последовательные генетические и диагенетиче-ские преобразования глинистого вещества. Анализ существа процессов, отраженных в модели, исключает необходимость выделения различных категорий воды при ее взаимодействии с глинистыми породами.

Summary

Knatko V. M., Polishchuk T. G., Shcherbakova E. V., Knatko M. V. Petrogenetic model for forming of clay soils and their destruction by water.

The article deals with the problem of interaction of clay minerals with water. The analytical model of this interaction being completely different from the usual one is presented. Some new theoretical explanations of this process are given.

The general model of hydrolysis based on the theory of double-electrical layer and it shortcoming are discussed. The new petrogenetic model for clay soil forming and its destruction by water are proposed herein. Keywords: petrogenetic model, clay soil, hydrolysis, hydration, destruction by water.

1. Дерягин Б.В. Учение о свойствах тонких слоев воды в приложении к объяснению свойств глинистых пород // Тр. совещания по инженерно-геологическим свойствам горных пород и методы их изучения. М., 1956. Ч. 1.

2. Злочевская Р.И. Особенности гидратации и дегидратации глинистых пород // Инженерная геология сегодня. М., 1988.

3. Кульчицкий Л.И. Природа гидратации глинистых минералов и гидрофильность глинистых пород // Связанная вода в дисперсных системах. М., 1972. Вып. 2.

4. Злочевская Р.И. и др. Гидратация и ее влияние на свойства грунта. Теоретические основы инженерной геологии: физико-химические основы. М., 1985.

5. Кульчицкий Л.И. Роль воды в формировании свойств глинистых пород. М., 1975.

6. Осипов В.И. Природа прочностных и деформационных свойств глинистых пород. М., 1979.

7. Кнатько В. М., Щербакова Е. В., Кнатько М. В. Процессы взаимодействия воды с глинистыми породами и существующие подходы к их интерпретации // Междунар. научн. конф. Многообразие грунтов: морфология, причины, следствия. М., 2003.

8. Кнатько В. М., Щербакова Е. В., Кнатько М. В. Петрогенетические особенности эволюции глинистых пород, процессы самоорганизации и искусственный литогенез. Междунар. научн. конф. Петро-генетические, историко-геологические и пространственные вопросы в инженерной геологии. М., 2002.

9. Кнатько В.М., Щербакова Е.В., Кнатько М.В., Полищук Т.Г., Эйзлер П.П. Уникальные свойства глинистых пород и их роль для формирования теоретических основ искусственного литогенеза и инженерной геоэкологии // Вестн. СПбГУ. Сер. 7. Вып. 4 (№31). 2002.

10. Кнатько В. М. Укрепление дисперсных грунтов путем синтеза неорганических вяжущих веществ. Л., 1989.

11. Техническая мелиорация пород / Под ред. С. Д. Воронкевича. М., 1981.