Структура лёссовых пород

Многолетний опыт исследований лёссов показывает, что одним из основных факторов, определяющих просадочность этих пород, является их специфическая структура, то есть размер и форма твердых (минеральных) структурных элементов, строение порового пространства и особый характер структурных связей (взаимодействий между частицами).

Как уже отмечалось, лёссы — это пылеватые породы, которые не менее чем на 50% состоят из пылеватых частиц с размерами 0,005−0,05 мм. Для большинства лёссов характерно высокое, иногда до 15−20%, содержание карбонатов, преимущественно кальцита (CaCO₃), и присутствие до 3−5% растворимых солей (сульфаты, хлориды). Важной особенностью структуры лёссовых породявляется ее высокая агрегированность, когда пылеватые и глинистые частицы образуют изометричные агрегаты с размерами 0,01−0,25 мм. Специфическое строение имеют песчаные и крупные пылеватые зерна, названные глобулами. Как показали наблюдения в электронном микроскопе, в центре глобулы размещается ядро, состоящее из отдельных кварцевых микроблоков. Поверх ядра располагается дырчатая оболочка кальцита, которая в свою очередь перекрывается глинистой «рубашкой» (непрерывной пленкой частиц глинистых минералов), пропитанной оксидами железа и аморфным кремнеземом (SiO₂). В электронном микроскопе, при разрушении глобулы, в ее центре виден хорошо ограненный микрокристалл кварца со следами кальцитовой оболочки на поверхности. Специфический характер твердых структурных элементов в лёссах обусловливает формирование в них так называемых агрегативных, или зернистых, микроструктур.

«Величина общей пористости лёссов обычно изменяется от 26 до 64%. Наибольшая пористость отмечается у лессов покрывающих предгорные имежгорные равнины, а также равнины Причерноморья и Восточной части Северного Кавказа. Менее пористы отложения северной части Русской платформы, Восточной Сибири. Имеющиеся данные различных авторов позволяют выделить три основные схемы, отражающие характер изменения пористости с глубиной:

• 1) закономерно выраженное уменьшение пористости;
• 2) циклическое изменение пористости в соответствии с особенностями строения толщи;
• 3) отсутствие какой либо четко выраженной закономерности.

Поровое пространство лёссовых пород характеризуется присутствием трех типов пор: макропор, межзерновых и межагрегатных микропор, внутриагрегатных микропор. Наиболее крупными являются макропоры, имеющие трубчатую форму с диаметром 0,05−0,5 мм. Они обычно хорошо видны невооруженным глазом и пронизывают лёссовую породу в вертикальном направлении. Макропоры являются одним из важнейших диагностических признаков структуры просадочных лёссов.

Существует несколько гипотез возникновения макропор:

• 1) макропоры — следы корней растений;
• 2) большая часть макропор представляет собой своеобразные магистральные каналы, образовавшиеся в результате преимущественно вертикальной миграции воды и газов.

В пользу второй гипотезы свидетельствует наличие значительных выделений солей на стенках макропор. Однако нельзя недооценивать и роль растений, животных и насекомых в процессе образования макрои мегапор в лессовых породах.

Изучение лессов в Алтайском крае показало, что количество макропор в лессах различно: от 1−3 на 1 см² до 8−10 на 1 см², а на отдельных участках до 15−20 макропор (как сито) на 1 см². Чаще же на 1 см² приходится 2−5 макропоры. Форма их, как правило, цилиндрическая, трубчатая. Сечение округлое. Диаметр макропор от 0,1 до 3−4мм, чаще 0,5−1,5 мм. Расположены они субвертикально. Длина их различна: от долей сантиметров до нескольких десятков сантиметров. Нередко эти канальцы имеют ответвления. Иногда встречаются изометричные макропоры. Судя по трубчатой форме макропор, их субвертикальности, происхождение большинства из них связано с ростом и отмиранием корней растений. Корни пронизывают всю почву густой сетью. Количество корней велико: по данным М. А. Глазовской, у одного из типичных луговых растений — мятлика, длина корней сосредоточенных в 1 дм³ верхнего горизонта почвы составляет 553 м, а длина корней-волосков в этом же объеме — 73 км.

Формирование макропор не заканчивается при выведении грунта из сферы активного почвообразования. Количество корней в единице объема на глубине 1,2 м лишь в 3 раза меньше, чем на глубине 0,1−0,2 м. В лессе до глубины 1−3м постоянно и активно продолжается процесс формирования макропор. Макропоры по отношению к грунту являются сингенетичными, в меньшей мере — эпигенетичными.

Помимо растений большое участие в формировании макропор принимают многочисленные представители животного мира: черви, личинки жуков, кроты и другие землерои. Полости животного происхождения составляют заметную часть порового пространства и в основном являются сингенетичными. По сведениям В. В. Докучаева, на одной десятине отмечалось до 1,836 млн. личинок хлебных жуков.

Не исключается образование определенного количества пор и при циклическом промерзании и оттаивании пород (формировании пор при промерзании грунтов в результате процессов пучения и образования стяжений льда). Некоторая часть порового пространства грунта непосредственно обязана неплотному сложению эоловых частиц в почве из-за отсутствия внешней нагрузки на них, «дыханию» почвы при ее промерзании и оттаивании. Просадочность связана с недоуплотнением грунтов и наличием макропор.

Сохранению просадочных свойств лессов (до глубины 8−12м) способствовала благоприятная климатическая обстановка в позднечетвертичную и современную эпохи: континентальные условия с относительно небольшим количеством осадков и значительным испарением, о чем свидетельствует характерный для этого периода типичный степной ландшафт. При этом формировались, в основном, черноземные и каштановые почвы с непромывным режимом, наблюдаемые на Алтае и в настоящее время. Просадочные лессовые отложения имеют территориальную приуроченность именно к таким почвам.

Образующиеся покровные лессы в течение всего этого длительного времени (22 тыс. лет) в основном имели низкую влажность, при которой не происходило разрушение структурных связей лессов. Это в значительной мере способствовало сохранению макропористости (а значит и просадочных свойств лессов) при накоплении новых поступлений эолового материала, погружении грунтов на большие глубины, т. е. при повышении давления от вышележащих осадков. Но при этом грунты все же подвергались некоторому уплотнению от возрастающих нагрузок, и с глубиной постепенно уменьшалась пористость и снижалась относительная просадочность грунта. На глубине 8−12м, где вертикальное напряжение от собственного веса грунта достигает 0,16−0,20 МПа, грунты уже заметно уплотнены, приобрели низкую пористость (41−43%), а просадочные свойства ими утрачены.

Консервация макропористости и просадочных свойств грунтов была возможна в условиях, когда лессы обладали повышенным содержанием легкои среднерастворимых солей, фиксирующих, цементирующих стенки пустот (макропор). Такие просадочные грунты с более жесткими структурными связями могут встретиться и на больших глубинах (15−25м), залегая среди непросадочных лессов. Подобные грунты иногда отмечались при изыскании на Приобском плато.

Наиболее важными в структуре лёссовых пород являются межагрегатные и межзерновые микропоры. Эти микропоры обычно имеют изометричную форму, а их размер изменяется от 0,008 до 0,05 мм. Электронномикроскопические исследования показывают, что подобные микропоры слагают основную часть порового пространства и относятся к категории так называемой активной пористости, которая и определяет величину просадочной деформации породы. Подчиненную роль в поровом пространстве играют более мелкие внутриагрегатные микропоры с размером менее 0,008 мм. Специфический состав и условия формирования лёссовых пород приводят к образованию у них разнообразных по своей природе структурных связей, которые во многом определяют особенности деформирования этих пород при увлажнении.

Основную роль в структурном сцеплении (связности) лёссовых пород играют контакты между зернами и глинисто-пылеватыми агрегатами, осуществляемые через глинистые «рубашки» или глинистые «мостики». В физико-химической механике дисперсных систем такие контакты называются переходными. Их прочность обусловлена ионно-электростатическими силами. Характерной особенностью переходных контактов является их обратимость по отношению к воде. При увлажнении они быстро теряют прочность и трансформируются в слабопрочные коагуляционные контакты. Помимо переходных, в просадочных лёссовых породах могут также существовать фазовые контакты цементационного типа, обусловленные выделением легко растворимых солей в приконтактных зонах при испарении поровой влаги.

Рассматривая механизм просадочности лёссов, можно сказать, что присутствие обратимых переходных контактов повышает просадочность благодаря их быстрому разрушению при увлажнениипороды. Наличие же более прочных фазовых контактов цементационного типа может приводить к увеличению прочности всей структуры и, соответственно, снижению величины просадки. Для подобных пород характерны медленные послепросадочные деформации, которые во много раз могут превысить величину самой просадки при кратковременном увлажнении. И, наконец, при рассмотрении процесса просадочности лёссов нельзя не принять во внимание присутствие в этих породах сил поверхностного натяжения воды, так называемых капиллярных сил, о которых часто забывают многие ученые. Точные экспериментальные исследования показывают, что по мере заполнения пор водой, то есть при исчезновении капиллярных менисков, связывающих отдельные зерна и агрегаты, при увлажнении лёсса происходит слишком быстрое и резкое снижение его прочности, которое нельзя объяснить только разрушением переходных и цементационных контактов. Силы поверхностного натяжения воды вполне могут играть роль своеобразного спускового механизма, обусловливающего начало процесса просадки." [6].

Подводя итог, можно сказать, что в основе просадки лежат два взаимосвязанных явления, развивающихся при увлажнении лёссов и воздействии внешней нагрузки:

Во-первых, происходит резкое снижение энергии взаимодействия структурных элементов на контактах, потеря структурной прочности вследствие преобразования переходных контактов в коагуляционные и исчезновение сил поверхностного натяжения.

Во-вторых, происходит распад глинисто-пылеватых агрегатов, сопровождаемый формированием своеобразных дефектов в микроструктуре лёссов, и возникают условия для взаимного смещения структурных элементов. Таким образом, в результате просадки происходит смыкание части макропор и большинства крупных межагрегатных микропор и формируется более плотная и однородная микроструктура. Одновременно возрастает содержание мелких межагрегатных и внутриагрегатных микропор.