CC BY
45
УДК 624.131.1 (571.5)
МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ ДИСПЕРСНЫХ ГРУНТОВ
Т.Г.Рященко1, Ю.В.Чернышова2
Институт земной коры СО РАН, 664033, г. Иркутск, ул, Лермонтова, 128, Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул, Лермонтова, 83,
Рассмотрены методы изучения микроструктуры дисперсных грунтов, выделены этапы их применения при исследовании микроструктурных особенностей лессовых и глинистых отложений в Монголо-Сибирском регионе; изложены принципы нового метода «структурных диаграмм», разработанного в Аналитическом центре Института земной коры СО РАН. Для десяти коллекционных образцов выполнены определения типов микроструктуры, структурной модели и детального структурного индекса лессовых грунтов, проведен сравнительный анализ результатов.
Ил. 3. Табл. 1. Библиогр. 9 назв.
Ключевые слова: метод; микроструктуры; лессовый грунт; структурный индекс,
METHODS OF STUDY OF DISPERSE GROUNDS MICROSTRUCTURE T.G. Ryaschenko, J.V. Chernishova
The Institute of Earth Crust of Siberian Department of Russian Academy of Sciences 128 LermontovSt., Irkutsk,664033 Irkutsk State Technical University 83 LermontovSt,, Irkutsk, 664074
The authors examine the methods of study of disperse grounds microstructure, distinguish the stages of their application when studying microstructural features of loess and loamy sediments in Mongol-Siberian region, state the principles of the new method of "structural diagrams" worked out in the Analytical center of the Institute of Earth Crust of Siberian Department of Russian Academy of Sciences. The authors determined the types of the microstructure, the structural model and the detailed structural index of loess grounds and carried out a comparative analysis of results for ten collection samples.
3 figures. 1 table. 9 sources.
Keywords: method; microstructures; loess ground; structural index.
Микроструктура (микроотроопио) ото проотраи
ственная организация вещества, которая характеризуется совокупностью морфометрических, геометрических и энергетических (тип структурных связей) признаков и опредепяется составом, количественным соотношением и взаимодействием компонент грунта [5]. Параметры микроструктуры составляют базовый информационный блок современного грунтоведения.
Изучение микроструктуры глинистых грунтов было начато в 30-е годы М.М. Филатовым, который создал первые искусственные модели и составил их классификацию с учетом взаимоотношения глинистых, пылеватых и песчаных частиц. Исследования гранулометрического и минерального состава грунтов в 60-х годах Е,М. Сергеевым, И.В, Поповым, С.С. Морозовым и другими положили начало естественно-историческому подходу к оценке их микростроения, Основным способом изучения микроструктуры длительное время являлся оптический метод, когда в петрографических шлифах проводилась диагностика
миморалоо глипиотой фракции, опродолялноь огопоиь
ориентации структурных элементов, типы контактов и т.д. Качественный скачок произошел благодаря появлению современных физических методов исследования - рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии. В настоящее время наиболее информативные результаты дает растровая электронная микроскопия-РЭМ [6,1].
Историю изучения микроструктуры дисперсных грунтов в Монголо-Сибирском регионе можно разделить на три этапа (рис. 1).
На первом этапе в результате применения оптического метода установлены пелитоморфные и аути-генные формы карбонатов, оолиты-агрегаты и кольца-медальоны (признаки вторичного - эпигенетического агрегирования), различные типы петрографических микроструктур, получены обобщенные значения детального структурного индекса грунтов различных геолого-генетических комплексов [7].
'Рященко Тамара Гурьевна, доктор геолого-минералогических наук, профессор, ведущий научный сотрудник, теп.: (3952)42-61-33, e-mail; [email protected]
Ryaschenko Tamara Gurjevna, a doctor of geological and mineralogical sciences, a professor, a principal scientific worker, tel.:
(3952)42-61-33, e-mail; ryashenk@crust irk.ru
'Чернышова Юлия Владимировна, аспирант, тел.: (3952)40-52-36.
Chernishova Julia Vladimirovna, a postgraduate, tel.: (3952)40-52-36.
1960-1990 гг. 1990-2000 гг. 2000-2008 гг.
Изучение микроструктурных осо- —► Качественный и количествен- —► Разработка и реализация
бенностей в шлифах, Определе- ный анализы РЭМ- метода «структур-
ние детального структурного ин- изображений диаграмм»
декса грунта по методу А, К. Ла-
рионова
Рис. 1. Этапы изучения микроструктуры дисперсных грунтов в Монголо-Сибирском регионе
На втором этапе впервые в истории изучения лессовых и глинистых грунтов региона получены РЭМ-иЗображения микроструктур палООген-неОгОновых и неоген-нижнечетвергичных глин и лессовых грунтов Монголии, а также лессовидных супесей и суглинков и палеоген-неогеновых глин Иркутского амфитеатра (увеличение 500 - 5000), Установлены степень и характер их агрегатизации, морфологические особенности и строение агрегатов и зерен, форма микропор, плотность упаковки элементов микроструктуры, следы
микротечений терригенного материала [2], Для лессовидных супесей из района г. Братска и лессов Северо-Западного Китая (г, Ланьчжоу) был выполнен автоматический количественный анализ микроструктуры в лаборатории кафедры инженерной и экологической геологии геологического факультета МГУ [8; 9]. В качестве примера представляем фотографии (РЭМ-изображения) микроструктуры (увеличение 100 -3000) двух образцов дисперсных грунтов (рис. 2, 3), В настоящее время (третий этап) в грунтоведче-
Рис. 2. Микроструктура лессовидной супеси: обр. 1 -ДР- 2 м (Монголия, район г. Дархан)
Рис.З. Микроструктура лесса; обр. 12-98 (Северо-Западный Китай, район г. Ланьчжоу)
ской группе Аналитического центра Института земной коры СО РАН разработан и успешно применяется новый метод «структурных диаграмм», основанный на результатах гранулометрического анализа, который выполняется пипеточным методом с двумя способами подготовки образца: агрегатной (взбалтывание в воде - разрушаются только водонеустойчивые агрегаты) и дисперсной (кипячение с пирофосфатом натрия - максимально разрушаются агрегаты, если они имеются в грунте), Затем рассчитываются коэффициенты микроагрегатности (Кми) по методике, предложенной А,К. Ларионовым [4]. Этот коэффициент представляет собой разность содержания глинистой (< 0,002 мм) фракции, определенного при гранулометрическом анализе с дисперсной и агрегатной подготовкой образца. Но если А.К. Ларионов предложил считать Кма только для одной фракции (< 0,002 мм), то мы стали вести расчеты для всех шести: средне-крупнопесчаной (1,0 - 0,25 мм), тонко-мелкопесчаной (0,25 -0,05), крупнопылеватой (0,05-0,01), мелкопы-леватой (0,01 - 0,002), грубоглинистой (0,002 - 0,001) и тонкоглинистой (< 0,001), По разности содержания соответствующих фракций, определенного при дисперсной и агрегатной подготовке образца (получаем шесть коэффициентов микроагрегатности: Кма1 - Кма6), можно оценить степень агрегированности грунта, определить количество и размеры агрегатов. Значения коэффициентов микроагрегатности с отрицательным знаком показывают количество агрегатов соответствующей размерности (содержание фракции уменьшается за счет разрушения этих агрегатов), с положительным - содержание фракции в составе агрегатов (при их разрушении частицы меньших размеров освободились и составили прибавку соответствующей фракции).
Кроме того, можно рассчитать для каждой фракции долю первичных (свободных) и захваченных в агрегаты (несвободных) частиц, Отношение свободных субъектов к общему количеству фракции (первичные частицы + те же частицы в составе агрегатов) представляет собой специальный показатель, который мы назвали коэффициентом свободы (Р), Участие различных частиц в строении агрегатов можно определить по степени снижения их коэффициента свободы: чем меньше коэффициент, тем больше этих частиц находится в агрегатах, В зависимости от количества агрегатов (А, %) определяется тип микроструктуры. Для выявления типа структурной модели грунта определяется сумма агрегатов и первичных частиц соответствующего размера (Х| = А| + М|) и рассчиты-вается коэффициент элементарности, показывающий долю первичных частиц в общей сумме структурных элементов (<3 = М| / [Д + М;]), Тип структурной модели устанавливается по двум позициям: 1) размер преобладающих структурных элементов; 2) коэффициент элементарности.
Метод А. К, Ларионова [3], который позволяет определить детальный структурный индекс (символ) грунта, можно отнести к области «забытых» вариантов изучения микроструктуры, Структурный индекс уста-
навливается с помощью достаточно простых операций, которые можно выполнять и в полевых условиях, поэтому мы в своих исследованиях нередко обращаемся к этому методу, получая дополнительную информацию, используемую далее в комплексе с другими современными вариантами изучения микроструктуры
Выделяются классы, подклассы, типы, виды и разновидности микроструктуры. Классы устанавливаются по соотношению песчаных и пылевато-глинистых частиц в грунте и степени его агрегированности: ! - раздельно-зернистый (пески); II - зернисто-агрегативный, III - агрегативный, IV - слитный (глинистые и лессовые грунты). II - IV классы индексируются по степени микротрещиноватости, Подклассы для глинистых и лессовых грунтов выделяются по типу структурных связей: А - связи осуществляются через водные пленки (коагуляционный тип), Б - водорастворимые соли, В - труднорастворимые соли (кристаллизационный тип), Г - участвуют все указанные компоненты (смешанный тип); для индексации подклассов применяется метод микроразмокания. Типы микроструктуры устанавливаются по значению природной влажности грунта, виды - по величине активной пористости (она индексируется в зависимости от времени впитывания капли глицерина). Разновидности глинистых и лессовых грунтов выделяются по содержанию фракции < 0,002 мм, но поскольку эта цифра имеет три значения в зависимости от способа подготовки образца к гранулометрическому анализу, то мы воздержались использовать классификацию А. К. Ларионова по этому показателю.
В качестве примера приведем расшифровку микроструктуры и ее индекс для двух образцов, определив класс, подкласс и вид, исключив тип и разновидность:
1) 10-98 (красная глина - региональный субстрат лессовой толщи из района Северо-Западного Китая): слитный класс микроструктуры (IV), подкласс-смешанные структурные связи (Г), вид - микроструктура с низкой активной пористостью (< 10 %) (3^);
IV-Г- 3, .
2) 11 - 98 (лесс из района Северо-Западного Китая): зернисто-агрегативный класс микроструктуры (II); подкласс- коагуляционные (А) (через водные пленки) и кристаллизационные (Б) (через водорастворимые соли) структурные связи; вид - микроструктура с низкой активной пористостью (< 10 %) (30;
II-А(Б)-31.
В настоящее время для десяти коллекционных образцов лессовых грунтов выполнены исследования микроструктуры по методу А. К. Ларионова и методу структурных диаграмм с целыо сопоставления полученных результатов (таблица). Первые четыре образца - лессовые грунты из района г. Иркутска (сЮз), остальные представляют различные геолого-генетические комплексы из районов Прибайкалья, Забайкалья и Монголии,
При сравнении полученных результатов можно сделать следующие выводы. Во-первых, информация
Результаты изучения микроструктуры лессовых грунтов (Монголо-Сибирский регион - коллекционные образцы)
п Метод А, К, Ларионова Метод структурных диаграмм
Класс Подкласс Вид** А м/с М Кгл F Тип модели
1-5 Ш (Та) В (>70)* 31(>53 мин) 32,9 Ск-аг 20,4 3,8 20 Хь50,5 G36
1-12 IV (Тз) Г (50) 3i(>48 мин) 31,8 Ск-аг 27,9 1,4 52 XJ43,1 G100
1-15 IV (Т3) Г (55) 3i(17 мин) 37,9 Ск-аг 25,7 1,8 32 Х'44,3 G15
2-6 III (Т2) Г (20) 3i (3 мин) 25,5 Ск-аг 21,2 1)5 36 Х'37,2 G39
3-1 II (То) Г (70) 1, (19 с) 22,4 Аг.-ск, 15,0 7,9 20 Х'53,6 G75
4-2 II (То) Г (70) 1i(11c) 17,8 Аг,-ск, 14,2 8,4 19 X"55,8G100
5-0,8 И (То) Г (70) 1i (35 с) 15,8 Аг.-ск, 18,3 3,8 53 Х"55,7 G 81
6-1,2 И (То) Г (70) 1,(26 с) 17,9 Аг.-ск. 20,8 7,2 13 Х"45,4 G79
7-1,2 II (То) Г (17) 1i (55 с) 17,5 Аг.-ск, 17,2 5,2 17 Х'23,2 G50
8-0,8 II (То) Г (70) 1i(14c) 11,6 Аг.-ск. 16,4 2,9 8 Х'44,8 G77
Примечание. П - номер образца - злубина отбора, м; То, Т% Тз - степень микротрещиноватости; * в скобках указано количество ударов, необходимых для микроразмокания образца:"" в скобках указано время впитывания капли влицерина; м/с - тип микроструктуры: ск-аг - скелетно-агреаированный, аз-ск - аарегированно-скелетный; М8 (%) - реальное содержание фракции < 0,002 мм (первичные частицы + те же частицы в составе агрегатов); К- коэффициент глинистости (отношение содержаний фракции < 0,002 мм, определенных при дисперсной и стандартной подготовке образца к еранулометрическому анализу); Г - коэффициент свободы фракции < 0,001 мм.
таточно хорошо совпадает с выделенными се типами (метод структурных диаграмм), Во-вторых, установленные подклассы свидетельствуют о преобладании смешанных структурных связей в исследованных грунтах, а виды - о различной величине их активной пористости. В-третьих, использование метода структурных диаграмм позволяет получить количественную информацию о параметрах микроструктуры.
Кроме того, на основе представленных в таблице данных можно заключить, что лессовые грунты суб-аэрапьного покрова третьей ангарской террасы -Верхнее Приангарье (образцы из района г. Иркутска: 1 -5 м; 1-12; 1 -15; 2 - 6) по сравнению с лессовыми грунтами Прибайкалья (3-1 м; 4 - 2), Забайкалья (5 -0,8 м; б -1,2) и Монголии (7 - 1,2 м; 8 - 0,8) являются более агрегированными (III - IV класс микроструктуры - агрегативный и слитный), с низкой активной пористостью (30, содержат 25,5 - 32,9 % агрегатов, их реальная глинистость также значительно выше (20,4 -27,9 %). Различия в особенностях микроструктуры наряду с климатическими условиями указанных территорий определили характер проявления таких свойств лессовых грунтов, как просадочность и прочность: в первом случае просадочность разнородна, удельное сцепление выше, во-втором - грунты преимущественно просадочны, сцепление разнородно [8].
В заключение следует подчеркнуть, что описанные методы изучения микрострукуры дисперсных грунтов и приведенные примеры представляют реаль-
ную основу для дальнейших исследовании в этом направлении на территории региона, в том числе при проведении инженерно-геологических изысканий по различным объектам.
Библиографический список
1. Григорьева И.Ю. Микростроение лессовых пород / И.(О,Григорьева. М.: МАИГ, Наука / Интерпериодика, 2001, 147 с,
2. Инженерно-геологическая оценка мезо-кайнозойских отложений (Восточная Сибирь и Монголия) / Т. Г. Рященко ТФ. [ и др.]. Новосибирск: Наука. СИФ, 1992. 120с.
3. Ларионов А,К. Методы исследования структуры грунтов/А.К.Ларионов. М: Недра, 1971. 200с..
4. Ларионов А,К., Приклонский В.А., Ананьев В П, Лессовые породы СССР и их строительные свойства. М.: Гос-геолтехиздат, 1959. 200 с.
5. Осипов В.И. Понятие «структура грунта» в инженерной геологии II Инженерная геология, 1985. № 3. С. 4 -18,
6. Осипов В.И., Соколов В Н., Румянцева Н,А,, Микроструктура глинистых пород. М.: Недра, 1989. 211 с.
7. Рященко Т.Г. Литогенез и инженерно-геологическая оценка четвертичных отложений (Восточная Сибирь). Новосибирск: Наука, 1984. 164 с.
8. Рященко Т.Г., Акулова В В.. Грунты юга Восточной Сибири и Монголии. Новосибирск; Изд-во СО РАН. 156 с.
9. Анализ микроструктуры лессов из района Северного лессового плато Китая / Т.Г.Рященко [и др.] // Геоэкология. 2000. № 3. 234 С. 240.
