Постседиментационные процессы в формировании просадочных свойств лессовых пород

УДК 624.131 А.В. Ван

СГГА, Новосибирск

ПОСТСЕДИМЕНТАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ФОРМИРОВАНИИ ПРОСАДОЧНЫХ СВОЙСТВ ЛЕССОВЫХ ПОРОД

Лессовые и лессовидные осадки после своего отложения вступают в реакцию приспособления с геохимической средой их существования, приводящего к существенным изменениям физико-механических параметров породы. Все последующие процессы, за исключением почвообразовательных и криогенетических, ведут к уменьшению пористости и просадочности за счет гравитационного уплотнения и заполнения пор вторичными минералами.

A.V. Van

Siberian State Academy of Geodesy

10 Plakhotnogo Ul, Novosibirsk, 630108, Russian Federation

POSTSEDIMENTARY PROCESSES IN LOESS ROCKS SUBSIDENCE FORMATION

After being deposited loess and loess-type sediments undergo adaptation reaction with their geochemical medium. That results in the significant changes of the rock physical-and-mechanical characteristics. All the subsequent processes (except soil-forming and cryogenetic) give rise to the reduction of porosity and subsidence due to the gravitational compaction and pores filling with secondary minerals.

Просадочные лессовые породы известны в пределах всех континентов. Одним из значительных массивов распространения таких пород является юговосточная часть Западно-Сибирской равнины, куда входит рассматриваемая территория Верхнего Приобья. Важное природоформирующее и инженерногеологическое значение лессовых отложений предопределило их всестороннее изучение. Однако из-за сложности и многосторонности проблемы слабо исследованным остался вопрос о влиянии постседиментационных минералогических и структурно- текстурных преобразованиях лессовых толщ на физико-механические свойства слагающих их пород. Между тем, осадки после своего отложения, приспосабливаясь к новым геохимическим условиям, претерпевают существенные минералогические и структурные преобразования, приводящие к изменениям всех естественных свойств.

К числу главных особенностей лессовых пород относятся сравнительно однородное строение, высокая пористость, недоуплотненность и связанная с ними способность их к глубокой просадке. Перечисленные признаки являются генетическими для типичного лесса и обусловлены способом формирования.

Анализ литературных источников и результатов собственных исследований показывает, что все литологические разновидности пород независимо от генезиса - от пылеватых песков до легких суглинков - обладают просадочными свойствами, представляющими один из важнейших инженерно-геологических показателей пород. При этом на территории Верхнего Приобья выделяется четко выраженная закономерность, что типичный лесс, образованный эоловым материалом, залегающим на месте своего отложения, обладает наибольшей просадочностью (0,07-0,14 при нагрузке 0,3 МПа). Лессовый покров типичен для выходящих на поверхность четвертичных отложений возвышенных равнин Приобского и Обь-Чумышского плато. Лессовидные породы, сложенные переотложенным осадочным материалом самого различного происхождения, в том числе эолового, характеризуется значительно меньшими значениями просадочности (от 0,05 до нулевого значения), что обусловлено характером и дальностью переноса слагающих их осадков, а также участием хемогенных (карбонатов, сульфатов) веществ в цементации. Преобладающим распространением лессовидных отложений характеризуются предгорные равнины Алтая и низменные равнины Кулунды и Барабы, где типичный лес встречается только в тонких прослойках с максимальной мощностью до нескольких десятков сантиметров.

Существует множество гипотез образования просадочности лессовых пород, реальность которых доказана тем, что описанные в них процессы пользуются широким распространением в природе и обусловлены разными причинами: способами переноса и условиями седиментации, диагенетическим преобразованием осадков после их отложения, а также наложением на них таких процессов как выветривание, почвообразование, криогенез, постседиментационная дегидратация и другие, которые связаны со вторичными постседиментационными явлениями и определяются физико-химическими условиями приповерхностной среды.

Исследованиями постседиментационных преобразований отводилось очень мало внимания. Между тем, именно изучение этого явления дает представление о характере вторичных минералогических и структурных изменений пород, безусловно влияющих на поведение физико-механических свойств во времени (глубина залегания) и в пространстве (по площади).

Лессовые накопления Верхнего Приобья, сложенные четвертичными субаэральными отложениями, еще не успели претерпеть значительных преобразований и согласно теории литогенеза находятся на стадии диагенеза -первого этапа формирования пород после отложения осадков. Процессы диагенеза есть приспособление осадков, поступивших из областей сноса в бассейн седиментации, к новой физико-химической среде, которое выражается через гидратацию, выщелачивание, разложение неустойчивых в этих условиях минералов и замещением их минеральными новообразованиями, присущими такой обстановке.

В диагенезе имеющиеся в породе воднорастворимые и в разной степени растворимые минеральные вещества при соприкосновении с дождевой или с поровой недосыщенной водой постепенно распадаются, превращая ее в

насыщенный раствор, из которого выпадают минералы, соответствующие вновь возникшей геохимической среде.

В первую очередь происходит разложение темноцветных неустойчивых минералов со сравнительно высоким содержанием железа и титана. Вследствие чего в осадке появляются пелитоморфные сгустки гидрооксидов железа и титана.

Как показали проведенные исследования лессовой толщи Верхнего Приобья, по характеру постседиментационных процессов во времени она делится на две подстадии с соответствующими двумя подзонами по глубине разреза толщи. Верхняя часть разреза охватывает зону аэрации, т.е. зону ощутимого влияния гипергенных процессов до глубины 7-12 м (в зависимости от особенностей рельефа), куда достигает атмосферная влага и воздух, характеризуется реакцией разложения неустойчивых минералов с переходом его продуктов в золи и гели с последующим накоплением колломорфных образований, которые отмечаются в виде контактных и пленочных цементов и местами сгустковых скоплений и интенсивного карбонатообразования вблизи почвенного горизонта за счет синтеза освобожденного из полевых шпатов и других минералов кальция и углекислоты, возникшей за счет разложения растительных остатков. С удалением от почвенного слоя вниз по разрезу количество аутигенного кальцита резко уменьшается.

Гидратированный биотит расщепляется с формированием смешаннослойной монтмориллонит-гидрослюды и хлорита. Роговая обманка замещается тонкодисперсным глинистым веществом (монтмориллонитом, хлоритом) с вкраплениями землистых сгустков гидрооксидов железа, иногда марганца и титана.

Ниже зоны аэрации воздействие поверхностных условий постепенно затухает, происходит синерезис с выделением жидкой фазы из колломорфной структуры, сопровождающимся раскристаллизацией дисперсного вещества и синтез аутигенных минералов, представленных преимущественно кальцитом, монтмориллонитом. Аморфные вещества преобретают тонкочешуйчатое и тонкозернистое строение, местами среди которых появляются хорошо различимые зерна гетита, анатаза, лейкоксена, иногда в виде кристалликов правильной формы.

Содержание кальцита в породе нарастает с глубиной за счет бикарбонатов, поставляемых капиллярной влагой из нижележащих грунтовых вод. Поэтому степень карбонатизации зависит от положения уровня подземных вод.

Начальные процессы диагенеза способствуют в какой-то степени сохранению и закреплению первичной рыхлой структуры породы скреплением обломочного костяка породы контактным и пленочным коллоидным цементом, оставляющим центральную часть порового пространства открытым. Новообразованный тонкозернистый кальцит крустифицирует стенки пор и имеющихся вертикальных канальцев, придавая породе дополнительную жесткость, препятствующую гравитационному уплотнению и снижающую просадочность.

Ниже зоны аэрации, где продуктов распада неустойчивых минералов значительно больше, чем в вышележащей толще, происходит более

интенсивное аутигенное минералообразование. Остаточные поры и другие свободные пространства заплывают и заполняются синтезированными здесь же на месте минералами, повышающими общую плотность породы.

Микроскопическое изучение поведения наиболее чувствительных к изменению вмещающей геохимической среды глинистых минералов, контролируемое рентгеноструктурным анализом, показало, что диагенетическая перестройка глинистых минералов выражается в переходе терригенной гидрослюды, преобладающей в верхней зоне, через смешаннослойные фазы монтмориллонит-гидрослюды в новобразованный монтмориллонит, который в нижней зоне, вне зоны аэрации, постепенно становится преобладающим минералом.

Как видим из вышеизложенного, уплотнение лессового и лессовидного осадка сопровождается вторичным постседиментационным

минералообразованием, приводящим к заполнению пор и цементации обломочного костяка и вместе ведущим к образованию твердой породы.

Скорость и мера постседиментационных процессов зависит от генетического типа осадка, минерального состава и глубины залегания. В типичном лессе, сложенные эоловым материалом, эти процессы протекают более интенсивно из-за повышенной пористости и наличия слабоустойчивых к окружающей геохимической среде минералов, например, биотита, роговой обманки и др.. В лессовидных осадках эти процессы затруднены малой пористостью и участием в низменных местах засолоняющих факторов -образованием карбонатных и сульфатных цементов, снижающим просадочность пород до нулевого значения.

Следует отметить заметную роль геоморфологических особенностей рельефа на направленность постседиментационных преобразований. Так, в пределах возвышенных равнин Приобского и Обь-Чумышского плато, в подзоне позднего диагенеза в лессовой толще распространен кальциевый монтмориллонит, а на территории Кулундинской низменной равнины появляется натриевый млонтмориллонит, имеющий большую обменную емкость и еще сильнее снижающую просадочность породы.

Процессы диагенетического распределения вещества в породе сопровождается ее структурной перестройкой, к которой относятся процессы агрегатизации, т.е. слипание тонких минеральных частиц посредством стягивания наиболее подвижных химических компонентов к отдельным центрам концентрации и проявляющееся в образовании комковатого строения. Размеры комочков от долей миллиметра до 1 см и более. Степень агрегатизации зависит от количественного соотношения основных породообразующих компонентов - обломочных ( кварца, полевых шпатов, разных пород, слюд) , глинистых (монтмориллонита, гидрослюды, редко каолинита) и хемогенных ( кальцита, иногда примеси сидерита, реже гипса) веществ. Агрегатизация усиливается с глубиной погружения породы и коррелируется с уплотнением породы, сокращением пористости и просадочности.

Как уже упоминалось, процессы диагенеза в лессовидных породах, сложенных переотложенным материалом, развивается менее активно, чем в

собственно лессах, обладающих изначально высокой пористостью и просадочностью. Объясняется это тем, что переотложенные постоянными или временными водными потоками обломочные частицы осаждаются лучше отсортированными, ориентированы по течению и формируют более упорядоченную структуру и текстуру породы, что не способствует образованию пор и как следствие - просадочности. По этой причине наложенные процессы, такие как криогенез, выветривание, почвообразование и сопутствующие им процессы протекают более активно в лессе, чем в лессовидных суглинках. Это обстоятельно наиболее наглядно выражено в почвообразовании. Например, на покровных лессовых толщах возвышенных равнин формируется более мощные горизонты черноземов, так как рыхлая структура типичного лесса способствует созданию наиболее благоприятной воздушно-водной среды для развития корневой системы растений. Именно к площадям распространения мощных черноземов приурочена наибольшая просадочность пород. На покровных отложениях низменных равнин развивается только маломощный нередко осолонцованный чернозем, подстилающим субстратом которого служат слабопросадочные и непросадочные породы.

Из предложенных примеров становится понятным, что высокая первичная просадочность лесса определяется структурно-текстурными особенностями породы, которые контролируются генетическими факторами. Высокая пористость типичного лесса обусловлено электризацией и поляризацией эоловых частиц при переносе ветром, что способствовало образованию пористости выше теоретического максимума для осадочных пород [1]. Современное состояние пород определяется диагенетическими процессами, которые направляются глубиной залегания, т.е. гравитационным давлением, температурой, химизмом среды и временем, Эти факторы вместе взятые в конкретном сочетании создают условия для развития процессов структурноминералогических преобразований, ведущих к изменениям первичных физикомеханических показателей пород.

Таким образом, на рассматриваемой территории Верхнего Приобья разрезы лессовых толщ по степени постседиментационных изменений делятся на две подзоны - верхняя или начальная и нижняя или глубинная, соответсвующие двум подстадиям диагенеза - ранней и поздней, каждая из которых характеризуется своим специфическим ходом преобразования осадка в породу - разложением неустойчивых минералов, образованием новых за счет продуктов распада и грунтовых растворов и структурно- текстурной перестройкой, ведущей к изменению инженерно- геологических параметров.

Правомерность выделения этих двух подзон хорошо подчеркивается особенностями распределения химических компонентов по разрезу лессовой толщи нижне-среднечетвертичной краснодубровской свиты, изученной по разрезам 24 колонковых скважин, разбуренных на территории Присалаирья, и трем разведочным канавам и естественным обнажениям лессовых пород Приобского плато.

Выделенные зоны и подзоны преобразования (диагенеза) лессовых пород с разными вариациями в зависимости от конкретных физико- химических

условий существования лессовых пород характерны для всей территории Верхнего Приобья. Как видно на разрезах лессовых толщ при переходе между выделенными верхней и нижней подзонами наблюдается перегиб на кривых содержания химических компонентов. От почвенного слоя вниз с глубиной отмечается уменьшение содержания химических элементов до нижней границы зоны аэрации, ниже которой происходит постепенное увеличение количества этих же элементов, что говорит о существовании естественного рубежа смены геохимических условий среды в толще лессовых пород.

В циклически построенных разрезах лессовых толщ характер постседиментационных преобразований при общей направленности происходит ступенчато от циклита к циклиту, повторяя литологическое строение разреза.

Проведенные исследования показали, что постседиментационные процессы оказывают существенное влияние на физико-механические свойства лессовых пород, главная направленность которых заключается в уплотнении их с глубиной под давлением собственного веса вышележащих пород, в перераспределении веществ, в формировании минеральных новообразований. В поверхностной зоне под воздействием гипергенных процессов может возникнуть наложенная вторичная пористость и просадочность, которые возможны для всех типах рыхлых пород, но максимальное значение достигается только в типичном лессе, образованном эоловым материалом.

Выводы

Постседиментационное существование лессового и лессовидного осадка всегда сопровождается реакциями приспособления минерального состава принесенного обломочного материала с геохимической средой места накопления осадков, приводящего к существенным изменениям физикомеханических параметров породы.

Все вторичные процессы , кроме почвообразовательных процессов и криогенеза, ведут к уменьшению пористости и просадочности за счет гравитационного уплотнения и заполнения пор аутигенными минеральными новобразованиями.

Образование карбонатов по разрезу лессовых толщ происходит неравномерно. Его максимум концентрируется в подпочвенном слое и с глубиной до 4-5 м происходит сокращение количества кальцита. На глубине 7-8 м содержание вновь образованного карбоната начинает возрастать в зависимости от близости залегания грунтовых вод. Увеличение количества карбонатов в породе делает ее плотной и непросадочной.

По характеру постседиментационных изменений поверхностные отложения Верхнего Приобья находятся на стадии диагенеза, разделенного на начальную и глубинную подстадии со своими набором минеральных новообразований.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Ван А.В. Генетические факторы просадочности лессовых пород // Известия вузов. Строительство. 2002. № 9. С. 136-140.

© А.В. Ван, 2011