Средний диаметр d50 равен 0.062 мм; глинистых частиц (1). Для исследуемого суглинка он соответствует шести циклам, что сопоставимо с интенсивностью изменения гранулометрического состава при промерзании-оттаивании каолиновой глины.

На втором этапе протекают практически только обратимые процессы преобразования гранулометрического состава в течение последующих циклов промерзания-оттаивания. При дальнейшем промерзании-оттаивании грунт максимально приближается к равновесному состоянию.

Анализ изменчивости гранулометрического состава грунта ненарушенного сложения показывает существенно более низкую интенсивность изменчивости гранулометрического состава, так как при подготовке пасты грунты просеивались через сито d=2 мм, что обусловило их большую однородность. В этой серии разрушение песчаных зерен практически отсутствовало, но проявилась агрегация пылеватых и глинистых частиц с формированием тонкопесчаных частиц.

Анализ изменения основных физических свойств за счет многократного промерзания-оттаивания показывает, что естественная влажность грунтов почти не изменялась, так как все образцы промораживались в замкнутой системе, остальные показатели имеют не четко выраженную тенденцию к уменьшению значений.

При увеличении количества циклов верхний и нижний пределы пластичности WL и Wp незначительно уменьшаются, что связано с накоплением тонкопесчаной промерзания-оттаивания, что обусловлено увеличением пористости. Полученные эффекты наблюдаются до 6-и циклов промерзания-оттаивания. Тенденции изменения показателей физических свойств хорошо согласуются с теоретическими представлениями и опытными данными о трансформации гранулометрического состава, формирующегося при промерзания-оттаивании.

Исследования эквивалентного сцепления вдавливанием сферического штампа, которое учитывает как сцепление, вызванное цементацей частиц льдом, так и внутреннее трение, показали следующее.

Влияние числа циклов замораживания-оттаивания на прочность мерзлого моренного суглинка тесно связано с формированием дисперсности, плотности, водных свойств. Эквивалентные сцепления моренного суглинка естественного и нарушенного сложения уменьшаются с увеличением числа циклов промерзания-оттаивания. Несмотря на значительный разброс опытных данных, просматриваются следующие закономерности.

Моренные суглинки естественного сложения (серия I) имеют наиболее существенное снижение сцепления после 6 циклов за счет увеличения газовой фазы (пористости) и количества незамерзшей воды (рис. 4,а).

Рис. 4. Зависимость эквивалентного сцепления (С) от времени при различных циклах промерзания-оттаивания моренного суглинка естественного (а) и нарушенного (б) сложений от количества чиклов (n); (t = -7+20, Т= 1440 мин.(24 часов)).

В образцах нарушенного сложения (серия II) циклы оттаивания-промерзания обусловили снижение прочности, определенной в пределах 24-х часового периода испытаний (рис. 4,б). Как можно видеть, прочность образцов нарушенного сложения (серия II) ниже прочности образцов ненарушенного сложения (серия I), что можно объснить разрушением первоначальных структурных связей.

Глава 6. Гипотезы формирования покровных суглинков До настоящего времени генезис покровных суглинков полосы московского оледенения Русской равнины остается спорным. В основе многочисленных гипотез о происхождения покровных суглинков лежат три основных геологических процесса: выветривание, деятельность ледниковых вод, деятельность ветра. Некоторые ученые представляют условия образования покровных суглинков, как действие одного или нескольких факторов одного процесса, другие – как взаимодействие ведущих факторов нескольких процессов.

Степень доказательства и правомерности той или иной гипотезы до настоящего времени не выявлена. Нередко спорные положения в определении ведущего фактора образования покровных суглинков возникают из-за различной трактовки самого понятия ''генезис'': процесс ли это образования исходного материала покровных суглинков – мелкозема, или – процесс, обусловивший перенос и отложение этого материала.

Анализ всех этих гипотез, а также новых экспериментальных данных показал, что по своему генезису покровные суглинки могут принципиально различаться.

Среди всех покровных отложений можно выделить 2 типа по генезису образования.

Первый тип (синкриогенно-преобразованные покровные суглинки разного генезиса) формируется в отложениях разного генезиса в ходе накопления и аккумуляции элементарных слоев и толщ осадков при циклическом промерзании-оттаивании в умеренных климатических условиях. Второй тип (эпикриогенно-преобразованные покровные суглинки разного генезиса) связан с покровными суглинками, преобразующимися при циклическом промерзании-оттаивании после завершения осадконакопления. Их накопление обусловлено тем или иным геологическим процессом (аллювиальным, озерно-аллювиальным, гляциальным и др.) с наложением на него криогенного процесса. Тем не менее, формирование гранулометрического состава и свойств синкриогенных и эпикриогенных покровных суглинков, в принципе, обусловлено процессом циклического промерзания-оттаивания.

Процессы, приводящие к формированию синкриогенных покровных суглинков, протекают в следующей циклической последовательности: накопление осадка – его увлажнение атмосферными или талыми водами – действие циклического промерзания-оттаивания. Эпикриогенные покровные суглинки образуются при циклическом промерзании-оттаивании после завершения накопления осадка и его увлажнения атмосферными или талыми водами.

Логико-графическая модель формирования синкриогенных и эпикриогенных покровных суглинков и формирования изменчивости гранулометрических составов синкриогенных и эпикриогенных покровных суглинков в ходе этой совокупности процессов приведена на рис.5 и 6.

Рис.5. Логико-графическая модель формирования синкриогенных и эпикриогенных Рис. 6. Логико-графическая модель формирования изменчивости гранулометрического состава синкриогенных и эпикриогенных покровных суглинков основными путями – синкриогенным и эпикриогенным.

Сравнение моренных суглинков естественного сложения, моренных суглинков после 40 циклов промерзания-оттаивания, покровных суглинков и лессовидных грунтов (северо-востока европейской части РФ и северной части провинции Цзилинь КНР) по гранулометрическому составу позволяет выдвинуть следующую гипотезу.

Рис.7. Модели гипотезы формирования гранулометрического состава лессовидных грунтов (а – 3D; б – плоская): моренные суглинки (3), (6), (20), (40) – моренные суглинки естественного сложения после 3, 6, 20, 40 циклических промерзании-оттаивании Покровные суглинки находятся на переходном этапе образования лессовидных грунтов. Процессы, приводящие к формированию лессовидных грунтов, протекают в следующей последовательности: завершение формирования покровных суглинков – увлажнение атмосферными осадками или талыми водами – действие циклического промерзания-оттаивания, при котором происходят процессы разрушения частиц и агрегации. При этом во времени происходит накопление фракции 0.05-0.01мм, и так как в умеренных климатических условиях наблюдается достаточная степень увлажнения, покровные суглинки и лессовидные грунты не обладают просадочностью.

Модель гипотезы формирования гранулометрического состава покровных суглинков и лессовидных грунтов, предложенная автором, приведена на рис. 7.

На модели можно увидеть, что после 40 циклов промерзания-оттаивания в моренных суглинках содержание тонкопесчаной фракции достигает до 40-50%, далее идет дезинтеграция (разрушение песчаных фракций) и агрегация глинистых фракций, что приводит к уменьшению песчаных фракций и накоплению пылеватых фракций, т.е. формируются покровные суглинки. Далее идет образование лессовидных грунтов в результате интенсивного накопления пылеватой фракции 0.05 – 0.01мм – ее содержание достигает 50-70%.

Часть III. Формирование коры выветривания в субтропических Глава 7. Представление о латеритах и их современная изученность Латериты широко распространены в южной части КНР. Климат южного Китая температурно-влажностный класс южного Китая – субтропический слабоаридный.

Термин "латерит" впервые применен английским геологом Ф. Бьюкененом для обозначения красноцветных железистых пород коры выветривания, используемых в Китае, Индии и других азиатских и африканских странах для изготовления строительных кирпичей. Латерит образуется только в тропических и субтропических областях со среднегодовым количеством осадков более 1300—2000 мм и среднегодовой температурой 20—30°С. Они залегают на алюмосиликатных породах разного состава, формируясь в результате процесса латеритизации, при котором выносится свыше 90% SiO2 (от общего их содержания в материнской породе).

Латеритизация – процесс глубокого и длительного выветривания алюмосиликатных горных пород, приводящий к образованию латеритов в условиях влажного тропического и субтропического климата. Латерит является продуктом процесса латеритизации. Этот процесс характеризуется, с одной стороны, интенсивным выносом оснований Na, К, Ca, Mg, а с другой, — накоплением кремнезма (SiO2) и оксидов Al, Fe и Ti в остаточных породах.

Ряд авторов: Persons, Хуан Чжилунь (Huang Zhilun), Чжан Юнбо (Zhang Yongbo), Лин Дзонюань (Lin Zongyuan), Тан Дащон (Tang Daxiong) и Ван Чин (Wang Qing) разработали классификации элювиального гранитного латерита.

Результаты исследований красных глин приведены в работах многих исследователей: Ли Чинкуй (Li Qingkui), Цзу Чжищань (Zu Zhiyuan), Цзуо Чуан (Zuo Quan), Чэнь Хунчжу (Chen Hongzhu), Юй Дэбинь (Yu Debin), Чэн Гань (Chen Gan), Лю Минцзунь(Liu Mingjun), Чжан Вэньхуа (Zhang Wenhua), Ху Хунмэй (Hu Hongmei), Лю Шэн Э (Liu Sheng Е ), Ян Фачин (Yng Faqing), Вэй Фуцай (Wei Fucai)и др.

Глава 8. Методика комплексного исследования влияния количества свободных оксидов железа (не силикатного) и факторов окружающей среды на изменение состава, строения и свойства латерита Методика данных исследований, согласно плану эксперимента, включает в себя систему подготовки образцов, выбор методических приемов и оборудования, методы комплексных лабораторных определений изменений состава, дисперсности, микростроения и свойств латерита в нарушенном сложении при изменении количества свободных оксидов железа (не силькатного) и изменении факторов окружающей среды (величина рН и температура) (рис. 8).

O – определение свойств грунтов; М – изучение микростроения грунтов Образцы с различным количеством свободных оксидов железа были приготовлены из воздушно-сухого гранитного элювиального латерита. Затем в них добавляли аморфные Fe(OH)3, с целью изменения количества свободных оксидов.

Растворы FeCl3· 2O (1 моль/л) и NaOH (1 моль/л) были подвержены смешению при температуре ниже 20°С, после этого они многократно промывались дистиллированной водой для подготовки аморфных гелей гидроксида железа.

Полученный раствор в различном процентном содержании добавляли в латерит.

Затем из него готовилась грунтовая паста с влажностью 35%. После замачивания грунты выдерживались в течение 80 дней при температуре 60°С в закрытом сосуде.

Для подготовки образцов с различной температурой подбирались образцы воздушно-сухого гранитного элювиального латерита. Обеспечение постоянной влажности (W=26%) и плотности (1.81 г/см3) в исследуемых образцах достигалось их полной герметизацией пленкой (рис. 8.2, а). Затем эти образцы закладывали в воду на 15 дней (рис. 8.2, б) с различными температурами (30°С, 40°С, 50°С).

Для подготовки образцов с различной величиной рН подбирались образцы воздушно-сухого гранитного элювиального латерита, к которым добавляли слабокислые и слабощелочные растворы, для получения различных значений рН.

Обеспечение постоянной влажности (W=26%) и плотности (1.81 г/см3) в исследуемых образцах достигалось их полной герметизацией пленкой. Затем эти образцы погружали в воду на 50 дней при температуре 30°С.

Глава 9. Закономерности изменчивости состава, строения и свойств латерита, Исследованный латерит относится к среднему суглинку по классификации Н.А.

Качинского, а по классификации DT-92 (нормативный документ министерства геологии и природных ресурсов КНР) относится к тяжелому суглинку. В крупнопылеватой (по российской номенклатуре) фракции (0.05-0.01мм) существуют большое количество агрегатов, которые образовались из глинистой фракции, что указывает на агрегацию глинистых частиц. Основными компонентами минерального состава гранитного латерита являются кварц (45%) и каолинит (47%). Доля остальных минералов в грунте имеет подчиненное значение, среди которых встречается гетит (3%). Процесс латеритизации характеризуется, с одной стороны, интенсивным выносом оснований Na, К, Ca, Mg, а с другой — накоплением кремнезма (SiO2) и оксидов Al, Fe и Ti. Итак, по содержанию кварц и каолинит являются главными глинистыми минералами. Содержание водорастворимых солей в гранитном латерите незначительное, что связано с процессом его образования и влиянием окружающей среды. Образцы содержали ионы кальция – 0.016%, хлор-ионы – 0.097% и сульфат-ионы – 0.036%; и гидрокарбонаты – 0.123%.

Для изучения физических и физико-химических свойств гранитного латерита определялись гигроскопическая влажность (Wг – 0.47%), верхний (WL – 43%) и нижний (Wp – 27%) пределы пластичности, число пластичности (Ip – 16%), плотность ( – 1.81 г/см3) и плотность твердых частиц (s – 2.72 г/см3), удельная поверхность ( – 69.64 м2/г) и емкость обмена грунта (СЕС – 15.1мг-экв/100г).

При увеличении влажности скорость размокания латеритов увеличивается.

Отметим, что воздушно-сухие образцы латерита размокают быстрее, чем воздушно-сухие покровные суглинки.

При увеличении количества свободного железа в латерите происходит увеличение пылеватой фракции, удельной поверхности (), сцепления (С) и уменьшение глинистой фракции, числа пластичности (Ip), величины рН, емкости обмена грунта (СЕС), угла внутреннего трения ().

При повышении температуры количество свободных оксидов железа латерита увеличивается, следовательно, происходит увеличение пылеватой фракции, удельной поверхности (), сцепления (С) и уменьшение глинистой фракции, числа пластичности (Ip), величины рН, количества ионного обмена (СЕС – емкости обмена грунта), угла внутреннего трения ().

При увеличении рН количество свободных оксидов железа латерита уменьшается, следовательно, происходит уменьшение количества пылеватой фракции, удельной поверхности (), сцепления (С) и увеличение глинистой фракции, числа пластичности (Ip), емкости обмена грунта (СЕС), угла внутреннего трения ().

Нужно отметить, что свободные оксиды железа являются «цементирующим»

веществом в процессе агрегации глинистых частиц гранитных латеритов.

Общая характеристика микростроения гранитного латерита изучалась по РЭМ-изображениям при различных увеличениях. Агрегированная микроструктура является главной структурой в этом образце. Между частицами преобладают смешанные коагуляционно-цементационные контакты.

При увеличении содержания свободных оксидов железа количество железистых «рубашек» увеличивается, количество и размер пор уменьшаются, четкость границ между частицами глинистых минералов понижается, и структурная прочность латеритов усиливается за счет цементации оксидами железа.

Результаты микроструктурных исследований соответствуют инженерно-геологическим особенностям латерита, а именно: с увеличением содержания свободных оксидов железа усиливаются его физико-механические свойства.

Анализ микроструктуры латерита при изменении температуры показывает, что при повышении температуры площадь железистых «рубашек» увеличивается, пористость уменьшается, агрегация структурных элементов увеличивается, количество свободных оксидов железа тоже увеличивается. Анализ микростроения латерита полностью подтверждает данные, полученные при инженерно-геологическом анализе свойств латерита.

Когда величина рН возрастает, количество свободных оксидов железа и железистых «рубашек» уменьшается, уменьшаются размеры агрегатов, ослабляется структурная прочность. Анализ микростроения латерита полностью подтверждает данные, полученные при инженерно-геологическом анализе свойств латерита.

Рис. 9. Логико-графическая модель формирования латерита Процесс формирования латерита в принципе происходит в 3 стадии:

1) стадия физических и химических процессов. На этой стадии пористость грунтов (еще не латерита) увеличивается и прочность уменьшается. Этот процесс можно охарактеризовать как элювиальный;

2) стадия латеритизации. Эта стадия характеризуется, с одной стороны, интенсивным выносом оснований Na, К, Ca, Mg, а с другой — накоплением кремнезма (SiO2) и оксидов Al, Fe и Ti, интенсивно идет накопление свободных оксидов железа. Увеличение содержания свободных оксидов железа повышают прочность.

3) бокситоносная стадия. Это конечная стадия латеритизации, характеризуется интенсивным выносом воды из гидроксидов и образованием алюминиевых, железистых и бокситовых минералов. На этой стадии происходит также увеличение содержания свободных оксидов железа и прочность практически не возрастает;

Логико-графическая модель формирования латеритов в ходе этой совокупности процессов позволяет наглядно представить формирование состава, строения и свойств грунтов при выветривании в субтропических климатических зонах (рис.9).

ВЫВОДЫ

Характерным оказалось увеличение содержания тонкодисперсной фракции (0.1 – 0.05мм), что обусловлено разрушением микроагрегатов. Экспериментальные исследования показывают, что изменение дисперсности грунтов носит затухающий характер. Установлено два этапа (первый – более высокая интенсивность протекания изменений; второй – практически только обратимые процессы) преобразования дисперсности при многократном промерзании-оттаивании. При дальнейшем промерзании-оттаивании грунт максимально приближается к равновесному состоянию.

2. В процессе многократного промерзания-оттаивания естественная влажность грунтов почти не изменялась, так как все образцы промораживались по замкнутой системе, остальные показатели (плотность, пластичность, пористость и др.) имеют не четко выраженную тенденцию к уменьшению значений.

3. Эквивалентное сцепление мерзлого моренного суглинка естественного и нарушенного сложения уменьшается с увеличением числа циклов промерзания-оттаивания. Прочность образцов нарушенного сложения ниже прочности образцов ненарушенного сложения, что обусловлено разрушением первоначальных структурных связей.

4. По генезису выделяются два типа покровных суглинков: 1 – синкриогенно-преобразованные покровные суглинки разного типа генезиса; 2 – эпикриогенно-преобразованные покровные суглинки разного типа генезиса.

5. По разрезу эпикриогенно-преобразованных покровных и моренных суглинков с ростом степени выветривания происходит: уменьшение песчаных и увеличение содержания пылеватых и глинистых частиц; снижение среднего диаметра структурных элементов грунта; рост коэффициента агрегированности;

уменьшение размеров агрегатов; относительное уменьшение плотности;

увеличение нижнего и верхнего пределов пластичности, числа пластичности, максимальной молекулярной влагоемкости, коэффициента пористости и пористости; возрастание гигроскопической влажности.

Размокаемость покровных суглинков зависит от их исходной влажности: при увеличении исходной влажности степень размокания образцов уменьшается и соответственно увеличивается их водопрочность (и наоборот). Важно отметить, что покровные суглинки после высушивания размокают гораздо быстрее.

6. Логико-графические модели формирования синкриогенных и эпикриогенных покровных суглинков и модель гипотезы формирования гранулометрического состава покровных суглинков и лессовидных грунтов в ходе этой совокупности процессов позволяют наглядно представить формирование состава, строения и свойств грунтов при выветривании в умеренных климатических зонах.

7. Латерит относится к среднему суглинку по классификации Н.А. Качинского, а по классификации DT-92 (нормативный документ министерства геологии и природных ресурсов КНР) относится к тяжелому суглинку. Глинистые частицы сильно агрегируют. Основными компонентами минерального состава гранитного латерита являются кварц (45%) и каолинит (47%).

Для изучения физических и физико-химических свойств гранитного латерита определялись гигроскопическая влажность (Wг – 0.47%), верхний(WL – 43%) и нижний (Wp – 27%) пределы пластичности, число пластичности(Ip – 16%), плотность ( – 1.81 г/см3) и плотность твердых частиц (s – 2.72 г/см3), удельная поверхность ( – 69.64 м2/г) и емкость обмена грунта (количество ионного обмена – СЕС – 15.1мг-экв/100г). При увеличении влажности скорость размокания латеритов увеличивается. Отметим, что воздушно-сухие образцы латерита размокают быстрее, чем воздушно-сухие покровные суглинки.

8. Анализ изменения инженерно-геологических свойств латерита при увеличении количества свободных оксидов железа, температуры и величины рН представлен в таблице.

Увеличение количества свободных оксидов железа Увеличение температуры Т, Увеличение величины рН Примечания: – знак увеличения; – знак уменьшения Нужно отметить, что свободные оксиды железа являются «цементирующим»

веществом в процессе агрегации глинистых частиц гранитных латеритов.

коагуляционно-цементационный контакт. При повышении температуры количество свободных оксидов железа и железистых «рубашек» увеличивается, пористость уменьшается, четкость границ между частицами глинистых минералов понижается, и структурная прочность латеритов усиливается за счет цементации оксидами железа. При увеличении величины рН наблюдаются противоположные тенденции.

Формирование латерита происходит в 3 стадии:

1) стадия физических и химических процессов. На этой стадии пористость грунтов (еще не латерита) увеличивается и прочность уменьшается. Этот процесс можно охарактеризовать как элювиальный.

2) стадия латеритизации. Эта стадия характеризуется, с одной стороны, интенсивным выносом оснований Na, К, Ca, Mg, а с другой — накоплением кремнезма (SiO2) и оксидов Al, Fe и Ti, интенсивно идет накопления свободных оксидов железа. Увеличение содержания свободных оксидов железа повышают прочность.

3) бокситоносная стадия. Это конечная стадия латеритизации, характеризуется интенсивным выносом воды из гидроксидов и образованием алюминиевых, железистых и бокситовых минералов. На этой стадии прочность латеритов практически не возрастает.

Логико-графическая модель формирования латеритов в ходе этой совокупности процессов позволяется наглядно представить формирование состава, строения и свойств грунтов при выветривании в субтропической климатической зоне.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Межвузовская научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодые – наукам о Земле». РГГРУ. М.:2008. с.139.

2. Чжан Цзе. Формирование минерального и химического состава глинистых пород г.Гуйлинь южной КНР. Межвузовская научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодые – наукам о Земле». РГГРУ. М.:2008. с.140.

3. Чжан Цзе. Особенности размокаемости грунтов в различных климатических зонах при гипергенезе. Российская конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященная Году планеты Земля «Планета Земля: актуальные вопросы геологии лазами молодых ученых и студентов». МГУ им. Ломоносова. М.:2009. Том 2. с. 212.

4. Чжан Цзе (Zhang Ze). Исследование способности к размоканию покровных суглинков (на примере полигона РГГРУ). IX Международная конференция «Новые идеи в науках о Земле». РГГРУ. М.:2009. Том 3. с.97.

5*. Чжан Цзе, Николаева С.К. Особенности размокания покровных суглинков Подмосковья и красных глин Китая // Вестник МГУ. Сер. 4. Геология. 2010. №2.

6*. Чжан Цзе, Пендин В.В. Преобразование моренных суглинков при многократном промерзании-оттаивании. // Известия высших учебных заведений. Геология и разведка. 2010. №2. С58 – 63.

7*.Роман Л.Т., Чжан Цзе. Влияние циклов промерзания-оттаивания на физико-механические свойства моренного суглинка // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2010.

№3 (Сдано в печать).

8. Чжан Цзе. Гипотеза формирования покровных суглинков европейской части России // V Межвузовская научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодые – наукам о Земле». РГГРУ. М.:2010. С. 168.

9. Чжан Цзе. Влияние циклического промерзания-оттаивания на изменение моренных суглинков // V Межвузовская научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодые – наукам о Земле». РГГРУ. М.:2010. С. 169.

10.Чжан Цзе. Актуальные вопросы происхождения покровных суглинков европейской части России // Международной научной конференции «Актуальные вопросы инженерной геологии и экологической геологии». МГУ. М.: 2010.

11. Чжан Цзе. Гипотеза формирования лессовидных грунтов в умеренных климатических условиях // Международной научной конференции «Актуальные вопросы инженерной геологии и экологической геологии». МГУ. М.: 2010.

12. ZHANG Ze. Properties and characteristics of the moraine-outwash in the Zvenigorod of the Moscow. Journal of glaciology and geocryology, 2008, V.30, N.4, P.652-658.

13. ZHANG Ze, CHEN Huie, CAO Zhongxing, ZHANG Guozhu. Compositions and engineering characteristics of the man-caused soils in southwestern Moscow // Journal of Jilin University: Earth Science Edition. 2010. N4. (сдано в печать).

* Примечание: статьи, номер которых отмечены «*», опубликованы в журналах рекомендуемых ВАК.