CC BY
30
ш
Рис 5 Атмосферное питание регионально распространенных соленых подземных вод через линзы пресных вод
ставе преобладают хлориды и сульфаты, свойственные водам регионального распространения (рис 4) Подземные воды примерно в 10 раз более минерализованы по сравнению с речными и содержат примерно в такое же число раз больше хлоридов и сульфатов Процесс кристаллизации карбонатов кальция и магния интенсифицируется вследствие понижения их растворимости в условиях высоких температур, свойственных рассматриваемой территории
Воды локального распространения с минерализацией, превышающей минерализацию вод регионального фона, формируются двумя путями
— посредством интенсивного испарения в понижениях рельефа, что обусловливает уменьшение глубины залегания вод до 3 м и вызывает повышение минерализации до 80—100 г/л Состав этих вод преимущественно хлоридный натриевый,
— путем захоронения седиментационных вод в линзах песков, запечатанных в глинистых слоях Минерализация этих вод чаще всего колеблется в преде-
интенсивного испарения
лах 50—70 г/л, компонентный состав хлоридный нат-риево-магниевый Минимальное содержание в них сульфата объясняется сульфатредукцией, характерной для восстановительных бескислородных условий
Подземные воды локального распространения участвуют в питании и разгрузке вод регионального распространения Питание вод регионального распространения осуществляется вследствие снижения напоров от центральных частей пресных слабоминерализованных линз к их периферийным частям, граничащим с водами регионального фильтрационного потока (рис 5) Разгрузка вод регионального распространения происходит в результате снижения их напоров в направлении к центральным частям рассольных линз, формирующихся на участках понижения рельефа вследствие интенсивного испарения (рис 6)
Поступила в редакцию 25 11 2003
УДК 55, 624 131 4 В.Т. Трофимов
О СКОРОСТИ И ВРЕМЕНИ ФОРМИРОВАНИЯ ПРОСАДОЧНОСТИ ЛЕССОВЫХ ПОРОД
Введение Просадочность лессовых пород, выражающаяся в их способности в напряженном состоянии достаточно резко уменьшать свой объем при замачивании, является их важнейшим с инженерно-геологических позиций свойством Именно оно выделяет эти породы в особую категорию в громадном многообразии грунтов
При изучении этого свойства необходимо было, как и при инженерно-геологических исследованиях других объектов, решить три типа задач морфологи-
ческие, ретроспективные и прогнозные Итоги реализации первых позволили охарактеризовать состав, строение, состояние и просадочность лессовых пород и массивов, сложенных ими, и в локальном, и в региональном, и в глобальном отношении [7, 18—22 и др ], понять механизм развития просадки в образце и в массивах лессовых пород при различных условиях их замачивания и нагружения, оценить влияние "собственных" особенностей лессовых пород на величину их просадочности [1, 14—16, 18 и др ] Это позволило
разработать ряд прогнозных методик, сыгравших важную роль в прогнозной оценке поведения массивов лессовых пород при инженерно-хозяйственном освоении [1, 14—17]
В решении ретроспективных задач, призванных охарактеризовать геологические механизмы и пути формирования просадочности, в последние тридцать лет также достигнуты успехи выделены 2 генетических типа просадочности — сингенетический и эпигенетический, постулировано 8 механизмов формирования просадочности и доказана работоспособность ряда из них, сформулированы частные теории формирования просадочности эоловых, пролювиальных и делювиальных, аллювиальных и других генетических типов пылеватых отложений, а также общая теория формирования просадочности лессовых пород [6, 7, 13, 30—41 и др ] Однако вопрос о скорости формирования этого свойства до начала восьмидесятых годов XX в в литературе практически не обсуждался Лишь при работах по изучению опорных инженерно-геологических разрезов лессовых пород СССР он был поставлен достаточно четко [31] Ранее считалось, что это свойство лессовых пород в большинстве южных районов Евразии сформировалось в средне- и позд-нечетвертичное время и сохранилось до настоящего времени Однако после выявления двух генетических типов просадочности стало ясно, что это положение справедливо только по отношению к толщам, в разрезе которых просадочность пород является свойством сингенетическим В отношении разрезов, просадочность которых оценивается как свойство эпигенетическое, эта позиция не правомерна Скорость формирования этого генетического типа просадочности, судя по полученным натурным данным [23—27, 34, 41, 43, 47], по крайней мере в однородных, простых по строению (без погребенных почв) толщах, оказалась велика Это, а также отсутствие связи между временем формирования осадка, его литификации и временем преобразования в просадочный грунт заставляет по-иному (по сравнению с сингенетической просадочностью) подходить к определению возраста эпигенетической просадочности лессовых пород
В последние 30 лет были получены многочисленные экспериментальные данные как лабораторных, так и натурных исследований о скорости формирования син- и эпигенетической просадочности Они характеризуют особенности ее образования применительно к условиям накопления различных генетических типов пылеватых отложений и их синхронного-асинхронного субаэрального преобразования Оценим полученные данные и сделаем следующие из них выводы в отношении элементарного слоя, некоторой их совокупности и толщи син- и эпигенетически просадочных лессовых пород
О скорости и времени формирования сингенетической просадочности лессовых пород
Этапы формирования сингенетической просадочности лессовых пород Этот генетический тип просадочности формируется в ходе накопления толщ эоловых, делювиальных и пролювиальных лессовых пород в семиаридных или аридных условиях Его образова-
ние происходит в несколько этапов [3, 11, 34, 41 и
др]
Формирование просадочности эоловых лессовых пород даже в пределах однородной, простой по вертикальному строению толщи включает следующие этапы 1) накопление эолового пылеватого воздушно-сухого осадка элементарного слоя в условиях аридной или семиаридной климатической обстановки, 2) преобразование осадка этого слоя в ходе раннего субаэрального диагенеза в просадочную породу при реализации гидратационно-дегидратационно-недоуплот-нительного механизма, 3) последовательное накопление налегающих один на другой элементарных слоев и образование толщи сингенетически просадочных лессовых пород, 4) консервация сингенетической просадочности и сохранение толщ просадочных лессовых пород в течение геологического или исторического времени [38, 41]
Формирование просадочности пролювиальных (делювиальных) лессовых пород также происходит этапно Принципиально отличаются первый и второй этапы, в ходе которых осуществляется накопление пылеватого полностью водонасыщенного осадка элементарного слоя в условиях аридной или семиаридной обстановки (1-й этап) и преобразование осадка этого слоя в ходе раннего субаэрального диагенеза в просадочную породу при реализации дегидратацион-но-недоуплотнительного механизма (2-й этап) Содержание 3-го и 4-го этапов по сути аналогично названным ранее
Просадочность эоловых и пролювиальных (делювиальных) лессовых пород, формирующаяся таким способом — в ходе осадконакопления и раннего субаэрального диагенеза при условии постепенного повышения кровли толщи в результате продолжающегося осадконакопления, — является сингенетической Сам же механизм формирования просадочности эоловых лессовых пород назван "гидратационно-дегидра-тационно-недоуплотнителъным", а пролювиальных (делювиальных) — " дегидратационно-недоуплотни-тельным" [34, 36, 38, 41] Реализация этих процессов в ходе 1-го и 2-го этапов обусловливает формирование просадочности лессовых пород так называемого элементарного слоя — слоя, сформировавшегося за один временной отрезок накопления первичного осадка, а за все четыре этапа происходит формирование толщи просадочных пород
О скорости формирования сингенетической просадочности лессовых пород в объеме элементарного слоя Данные по этой проблеме получены как в ходе лабораторных экспериментов, так и в процессе натурных полевых исследований Фактический материал суммирован в [2, 3, 5, 9, 10, 12, 34, 41, 45, 46]
Экспериментальные данные о формировании рассматриваемого типа просадочности у образцов-аналогов эоловых лессовых пород, полученные Т В Андреевой, А С Ветровым, Б Ф Галаем, О Н Ереминой, Н В Коломийцевым, Н Н Комисса-
ровой, В А Королевым, Е Ю Куликовой, В Т Трофимовым, показали, что уже при однократном увлажнении исходной воздушно-сухой сыпучей пылеватой массы — аналога эолового осадка элементарного слоя — и последующем ее высыхании до низких значений влажности {менее 20%) при действии собственного веса, обязательно сопровождаемого усадкой, формируется высокопористый просадочный грунт Такая картина установлена для широкого гранулометрического спектра грунтов — от пылеватых супесей до тяжелых пылева-тых суглинков, которые были сформированы как из пылеватой массы, полученной путем разрушения природных лессовых пород, так и из искусственных полидисперсных и полиминеральных смесей — фракций чистых минералов [46], а также для элементарных слоев различной мощности (от 0,5 до 3 см) и при различных температурных условиях на поверхности дегидратируемого слоя [2, 34, 41, 45 и др ] Иначе говоря, формирование просадочности в объеме элементарного слоя эоловых лессовых пород — процесс мгновенный как в геологическом, так и в историческом времени Многократное циклическое увлажнение-дегидратация уже связного, структурированного просадочно-го грунта, сформировавшегося после первого такого цикла из первоначально сыпучего осадка, не только не ликвидирует просадочные свойства, а, наоборот, увеличивает в большинстве случаев величину относительной просадочности вследствие "расшатывания" ранее образовавшихся в образце структурных связей
В процессе циклического увлажнения—дегидратации первоначально воздушно-сухого пылеватого полидисперсного полиминерального образца—аналога эолового осадка, сформированного из различных мономинеральных фракций (чистые минералы, экспериментально "приготовленное" сочетание фракций), установлено, что в его строении уже после 15 циклов начинают обосабливаться глинисто-пыле-ватые микроагрегаты, а на поверхности песчаных зерен образуются глинистые рубашки, в микростроении образцов начинают формироваться вертикальные макропоры вследствие прорыва воздушных пузырьков при увлажнении грунта После 20 циклов увлажнения—высушивания микростроение модельных образцов становится относительно однородным и очень схожим с микростроением природных лессов, у лессовидных суглинков при 25 циклах появляются глобулярные агрегаты, характерные для природных проса-дочных лессовых пород
Подчеркнем, что величина мгновенно формируемой просадочности лессовых пород элементарного слоя колеблется в широких пределах В ходе физического моделирования на образцах—аналогах эоловых лессовых пород экспериментально доказано влияние гранулометрического состава эолового осадка, его мощности, образующейся за один этап осадконакоп-ления, количества циклов увлажнения—дегидратации и температурных условий на поверхности подсыхаю-
щего осадка на величину формируемой сингенетической просадочности эоловых отложений
При исследовании скорости формирования просадочности пролювиальных (делювиальных) лессовых пород В С Бондаренко, Н Г Мавляновым и В Т Трофимовым установлена принципиально та же закономерность — ее практически мгновенное образование в объеме элементарного слоя При дегидратации исходного, полностью водонасыщенного пылеватого материала — аналога пролювиального (делювиального) осадка элементарного слоя — и его иссушении до низких значений влажности (меньше 20%) при действии собственного веса формируется высокопористый структурированный просадочный грунт, такие просадочные образования получены как при лабораторных экспериментах на моделях искусственного пылеватого водонасыщенного материала, сформированного путем разрушения природных лессовых пород, так и при наблюдении за пролювиальными осадками периферийной части селевого потока в условиях Приташкентского района Центральной Азии [23]
Повторное (многократное) промачивание сформировавшейся слабопросадочной пролювиальной лессовой породы атмосферными осадками и последующая ее дегидратация приводят в природных условиях к увеличению величины просадочности вследствие "расшатывания" ранее сформировавшихся структурных связей, причем эффект такого процесса существенно зависит от гранулометрического и химико-минерального состава
О скорости и времени формирования сингенетически просадочных толщ лессовых пород Такие толщи образуются в ходе последовательного накопления налегающих друг на друга сингенетически просадочных лессовых пород элементарных слоев в ходе продолжающегося осадконакопления и связанного с ним повышения кровли толщи и консервации просадочных свойств в течение геологического или хотя бы исторического времени Из этого следует, что если процесс формирования просадочности элементарного слоя очень быстрый, практически мгновенный, то процесс накопления сингенетически просадочной толщи лессовых пород — геологический процесс, протекающий в геологическом времени Рассмотрим главные черты его развития на примере накопления эоловых лессовых пород
Хорошо известно, что скопления воздушно-сухой эоловой пыли могут превратиться в связный грунт только после увлажнения и высыхания В условиях сухого климата увлажнение накапливающихся осадков происходит периодически под воздействием атмосферной влаги, которая промачивает толщу на глубину, обычно не превышающую 1—1,5 м В соответствии с этим в накапливающейся толще с известной долей условности обособляются два горизонта — верхний, охватывающий часть толщи от верхней поверхности осадка до глубины проникновения атмосферной влаги, и нижний, залегающий глубже В пре-
делах верхнего горизонта осадок находится в условиях переменного увлажнения и высыхания- в период выпадения дождей и некоторое время после него он обладает высокой влажностью и низкой прочностью, а в остальное время — малой влажностью (вследствие испарения воды) и достаточно высокой прочностью Осадок, точнее, уже совсем молодая порода нижнего горизонта находится вне влияния атмосферных вод, воздействие же испарения здесь сказывается. Поэтому в пределах нижнего горизонта эта порода постоянно обладает малой влажностью и в целом относительно высокой прочностью
В процессе накопления осадка поверхность толщи постепенно поднимается Одновременно повышается и граница, разделяющая толщу на два вышеназванных горизонта Осадок в пределах верхнего из них периодически (во время увлажнения) приобретает состояние, оптимальное для уплотнения Но в это время он испытывает настолько малое давление, создаваемое в этом слое самим осадком, что его плотность существенно возрасти не может Часть же толщи, залегающая ниже этой границы, испытывает значительно большее давление от вышележащих осадка и породы, но поскольку ее влажность мала, она не может эффективно уплотняться (сохраняет высокую пористость) из-за влияния сцепления упрочнения Последнее возникает в ходе испарения воды в порах осадка и отложения на контактах и поверхности частиц углекислого кальция и других солей В возникновении этого сцепления и структурных особенностей породы в целом определенная роль принадлежит агрегации частиц осадка при его высыхании В итоге из пылеватого осадка в ходе субаэрального диагенеза формируется толща недоуплотненных просадочных лессовых пород.
Работоспособность такой логико-геологической схемы формирования толщ сингенетически просадочных лессовых пород подтверждена экспериментальными работами доказано [3, 5] формирование таких грунтов при действии нагрузки 0,05 МПа, которая моделирует физико-химические и механические условия на глубинах до 2,5—3,0 м Это соответствует напряженно-деформированному и влажностному режиму лессовых эоловых грунтов в верхней части второго горизонта формирующейся толщи просадочных лессовых пород
Приведенные выше соображения показывают, что в истории формирования лессовых пород эолового (делювиального и пролювиального) генезиса в условиях аридного климата период проявления высокого давления от веса вышележащих образований не совпадает, как впервые показал Н Я Денисов [6, 7], с периодом существования оптимальных (по степени увлажнения) условий уплотнения Осадки находились в благоприятных условиях по последнему показателю (имели большую влажность) лишь тогда, когда они залегали близко к дневной поверхности Но именно в это время они испытывали влияние ничтожно малого
давления Когда же давление в результате прогрессивного накопления осадков повышалось, осадки вследствие уменьшения влажности и появления кристаллизационных и иных связей упрочнялись, превращались в породу, которая уплотнялась очень слабо В итоге в ходе седиментации и раннего субаэрального диагенеза при прогрессивном повышении кровли сформировалась толща недоуплотненных лессовых пород, обладающих просадочными свойствами
Исходя из этого следует сделать вывод, что скорость формирования сингенетически просадочной толщи лессовых пород любого их циклита целиком определяется скоростью накопления эоловых или пролювиальных (делювиальных) отложений Время формирования такой толщи совпадает со временем ее накопления И этот вопрос — о времени формирования такой толщи — может быть решен только при использовании истори-ко-геологического подхода
О скорости и времени формирования эпигенетической просадочности аллювиальных лессовых пород
Этапы формирования эпигенетической просадочности аллювиальных лессовых пород Формирование просадочности толщ лессовых пород этого генезиса также происходит в несколько этапов 1) накопление элементарного слоя полностью водонасыщенного пылеватого осадка в разных климатических обстановках, 2) преобразование осадка этого слоя в непросадочную породу в разрезе поймы, 3) последовательное накопление пород в результате налегания друг на друга элементарных слоев и образование в пределах поймы толщи непросадочных аллювиальных пород, 4) дальнейшее преобразование пород этой толщи в ходе дегидратации в субаэральных условиях надпойменной террасы в просадочные в ходе прогрессивного литогенеза при проявлении природных или техногенных процессов, 5) консервация просадочности и сохранение толщ аллювиальных просадочных лессовых пород в течение геологического или хотя бы исторического времени при сохранении стабильного положения кровли толщи или ее изменения за счет природных или техногенных причин Из этого следует вывод, что просадочность аллювиальных лессовых пород по отношению ко времени накопления толщ является более поздней, те эпигенетической в общегеологическом понимании В связи с этим просадочность такого типа выделена в особый генетический тип — эпигенетический Сам же описанный механизм формирования просадочности аллювиальных лессовых пород назван "последегидратационно-доуплотнитель-ным" [37, 41]
О скорости формирования эпигенетической просадочности аллювиальных лессовых пород в монолитных образцах различного размера в лабораторных условиях Такие данные получены Т Г Алексеенко, В С Бонда-ренко, М Р Горским, А В Ершовой, В Т Трофимовым и М И Яковлевым в ходе моделирования четвер-
того из вышеназванных этапов на монолитных образцах стандартного размера (30x30x30 см) с природным сложением и естественной влажностью, отобранных в разрезе современной поймы в долинах разных рек [8, 34, 37, 41, 43, 44, 47] Они свидетельствуют, что при дегидратации через одну верхнюю плоскость монолита в течении 5— 7 суток при температуре +18— 20°С высокопористых и исходно высоковлажных образцов аллювиальных пылеватых пород с ненарушенным природным сложением в слое до 5 см формируется различная по величине просадочностъ, эпигенетическая по своей природе Она возникает у подсыхающих пылеватых аллювиальных пород в различном напряженно-де-формированном состоянии — и при действии на подсыхающую породу ничтожно малого давления (вес пород элементарного исследуемого слоя), и при действии более высокой природной (вес вышележащей толщи пород) или дополнительной нагрузки, при этом величина формирующейся просадочности уменьшается с ростом действующей при дегидратации нагрузки Просадочные свойства дегидратированные пылеватые аллювиальные породы проявляют, за единичными исключениями, при дополнительных нагрузках
При дегидратации даже полностью водонасыщен-ных аллювиальных пылеватых высокопористых пород в таких условиях происходит лишь небольшая по величине усадка, изменение микроструктуры породы выражается в дополнительной агрегации ее тонкодисперсных составляющих, четком обособлении тонко-пылевато-глинистых структурных мостиков между отдельными частицами и агрегатами, а также в проявлении сложно построенных глобулярных микроагрегатов, свойственных типичным лессовым породам Доказано влияние гранулометрического состава аллювиальных пылеватых пород, их исходной влажности и условий дегидратации на величину формирующейся просадочности, увеличение скорости дегидратации пород обусловливает увеличение значений их относительной просадочности [8, 41, 43, 44]
Данные о высокой скорости формирования просадочности у аллювиальных пылеватых пород были получены и в ходе дегидратации при температуре 18—20°С больших, запарафинированных с пяти сторон монолитных образцов аллювия поймы р Москвы, размер которых составлял 30x.30x.100 см [8, 44] Подсушивание грунта, представленного преимущественно средними пылева-тыми суглинками с природной пористостью 54—57%, велось через верхнюю поверхность монолитов от исходной влажности 30—37% до влажности 7—13%, при которой определялась просадочность Последние из указанных значений достигались на глубине 15 см через 13 месяцев дегидратации, на глубине 0,75 м через 18—19 месяцев эксперимента
Дегидратация первого образца-монолита происходила при действии собственного веса пород эта нагрузка изменялась от 0,0032 МПа на глубине 20 см до 0,016 МПа на глубине 1 м При действии только
этой нагрузки при замачивании большая часть проб дегидратированных образцов оказалась непросадоч-ной (в ряде проб при замачивании произошло их набухание) При нагрузке 0,05 МПа величина коэффициента относительной просадочности составила 0,005—0,112, при нагрузках 0,1 и 0,3 МПа его значение возросло до 0,006—0,129 и 0,022—0,169 соответственно Наибольшие величины коэффициента относительной просадочности отмечены для образцов с влажностью менее 9%, пористостью более 53%, плотностью скелета грунта 1,19—1,26 г/см3
Подчеркнем, что отсутствие просадочных свойств при действии только природной нагрузки или проявление набухания — явления, полностью согласующиеся с теоретическими положениями последегидра-тационно-доуплотнительного механизма формирования просадочности аллювиальных пород Просадочные свойства у ряда проб из этого монолитного образца не увязываются с этими положениями, скорее всего оно обусловлено структурными особенностями грунта — наличием крупных вертикальных макропор именно в этих пробах Об этом же свидетельствуют очень высокие значения коэффициента относительной просадочности при больших нагрузках у проб, отобранных именно с этих же уровней образца-монолита [44]
Дегидратация образца-монолита под дополнительной нагрузкой дала принципиально такой же результат — сформировались просадочные аллювиальные породы При природной нагрузке, изменяющейся от 0,0216 до 0,036 МПа, значения коэффициента относительной просадочности составляли 0—0,01 (у большей части образцов) При увеличении нагрузки коэффициент относительной просадочности изменялся при нагрузке 0,05 МПа от 0 до 0,078, 0,1 МПа — от 0,002 до 0,095, 0,3 МПа - от 0,013 до 0,121 Наибольшие величины коэффициента относительной просадочности отмечены у образцов с влажностью менее 11%, пористостью более 52%, плотностью скелета грунта 1,23—1,29 г/см3 [44]
Данные наблюдений возможности и скорости формирования просадочности аллювиальных лессовых пород в природных условиях Моделирование формирования эпигенетической просадочности аллювиальных лессовых пород в природной обстановке дало различные результаты Первый опыт проводился на высокой пойме р Амударьи в районе пос Саят Чард-жоуской области силами Южно-Каракумской гидрогеологической экспедиции в течение пятимесячных откачек при понижении уровня вод на 8 м После осушения и высыхания в течение жаркого лета аллювиальные пойменные отложения уплотнялись при усадке, в них, по данным А В Минервина [26—28], просадочность отсутствовала при природной нагрузке и при давлении 0,1 МПа
Второй опыт проведен на высокой пойме р Оби в Новосибирской области в течение 9-месячных групповых откачек с понижением уровня грунтовых вод на
6 м из пойменных лессовидных суглинков скрытосло-истой фации аллювия Здесь после осушения аллювиальной толщи, ее сезонного промерзания и иссушения после жарких летних месяцев сформировались просадочные лессовые породы коэффициент относительной просадочности при природной нагрузке составил до 2,5%, при нагрузке 0,3 МПа — до 7%
Исходя из всех этих данных можно констатировать, что дегидратация аллювиальных пылеватых суглинистых, исходно сильноувлажненных пород в поле положительных температур может произойти очень быстро Такие условия возникают вследствие изменения термовлажностных условий уже после завершения накопления отложений преимущественно скрыто* и линзовиднослоистых микрофаций аллювия и превращения их в высокопористые породы в условиях поймы в связи со сменой пойменных условий обстановкой надпойменной террасы в условиях засушливого или даже теплого умеренного климата
Просадочностъ у таких аллювиальных дегидратированных пород и толщи в целом формируется с большой скоростью, геологически мгновенно Время ее образования связано только с периодом возникновения дополнительной нагрузки, превышающей определенную критическую величину, на ранее дегидратированную пылева-тую аллювиальную породу, но не коррелирует непосредственно со временем самой дегидратации пород Возникнув, просадочность консервируется в толще, верхняя граница которой находится в стабильном состоянии, при одновременном действии дополнительной нагрузки и сохранении низких значений влажности пород Ликвидация дополнительной нагрузки трансформирует просадочные аллювиальные породы в не-просадочные
О скорости формирования эпигенетической просадочности лессовых пород разного возраста
и генезиса при реализации гипергенно-дегидратационно-разуплотнительного механизма
О различных вариантах реализации гипергенно-де-гидратационно-разуплотнительного механизма Этот механизм формирования просадочности развивается в породах разных генетических типов и разного возраста, лишь бы они были в данный период времени рельефообразующими При его реализации формируется эпигенетический тип просадочности
Следует различать три принципиально различных варианта (пути) реализации этого механизма Первый из них на непросадочные рельефообразующие высокопористые и высоковлажные породы определенного возраста и генезиса (в данном конкретном случае) накладывается действие гипергенно-дегидратацион-но-разуплотнительного механизма В итоге формируется, как уже отмечалось, эпигенетическая просадочность, величина которой наибольшая в самой верхней части разреза измененной толщи Вниз по разрезу она в целом закономерно уменьшается
Второй вариант действие рассматриваемого механизма накладывается на рельефообразущие эпигенетически просадочные лессовые породы, например аллювиальные В этом случае генезис просадочности преобразованной толщи остается неизменным — эпигенетическим, а изменение величины просадочности и ее распределение по разрезу аналогично первому варианту
Третий вариант принципиально отличен от первых двух по исходной ситуации и как следствие, по генезису формируемой просадочности В этом случае действие гипергенно-разуплотнительного механизма накладывается на толщу сингенетически просадочных лессовых пород, например эоловых В итоге этот тип просадочности в верхней части разреза исходных пород может быть преобразован в син-эпигенетичес-кий, а в средней — в эпи-сингенетический Первичная же, сингенетическая просадочность при такой истории геологического развития толщи сохраняется "в чистом виде" лишь в нижней ее части [34, 40, 41]
О скорости формирования эпигенетической просадочности при воздействии гипергенно-дегидратацион-но-разуплотнительного механизма на образцы при лабораторных экспериментах Исследования А М Воронина [4], Н В Коломийцева и Н Н Комиссаровой [9, 16], Н Г Мавлянова [23], В И Осипова [29] и других исследователей, данные которых суммированы в [34, 41], убедительно показали, что названный механизм является мощным фактором разуплотнения исходных горных пород, которое в свою очередь обусловливает появление просадочности Этот процесс происходит с чрезвычайно высокой скоростью достаточно воздействия при положительных температурах 5—6 циклов гидратации-дегидратации (сопровождаемых процессами усадки—набухания) на исходные непросадочные пыле-ватые породы [29] или 5 циклов промораживания—оттаивания водонасыщенных пылеватых пород (при изменении температуры в диапазоне от 18—20 до — (18-20)°С) и последующей их дегидратации, чтобы образцы высотой до 5 см приобрели просадочные свойства [4, 27] Увеличение числа циклов промораживания-оттаивания образцов, сопровождаемое фазовыми переходами "вода—лед", приводит к увеличению величины просадочности разуплотняемых исходно не-просадочных пород
Данные о скорости формирования эпигенетической просадочности под воздействием гипергенно-дегидра-тационно-разуплотнительного механизма в природных условиях Специально выполненные исследования, проведенные в центральных районах Западно-Сибирской плиты [42, 47], показали, что в толщах, сложенных изначально непросадочными, водонасыщенными пылеватыми высокопористыми суглинками разного генезиса и возраста, под воздействием названного механизма в пределах линейно ориентированных, прогрессивно дренируемых приречных массивов за относительно короткий срок (не более 10—15 лет) в гумид-ных условиях формируются просадочные грунты При
этом экспериментально доказаны следующие положения
1 В толщах относительно легкого гранулометрического состава за этот срок формируется достаточно широкая (до 30—40 м) и мощная (до 5—6 м) зона с отчетливо выраженными при дополнительных нагрузках просадочными свойствами Ширина зоны проса-дочных при природной нагрузке пород достигала 5 м, мощность — 2,5 м (с величиной относительной проса-дочности 0,005 и более — 6 м)
2 В разрезах, сложенных высокодисперсными породами, за этот же срок такие свойства приобретает лишь очень маломощная приповерхностная зона, большая же часть пород, залегающих непосредственно вблизи прибровочной части склона, такими свойствами не обладают
3 При длительном (десятки лет) развитии процессов облессования в легких по составу толщах и отсутствии сноса разуплотненных образований ширина зоны просадочных разностей не превысит первую сотню метров, в разрезах высокодисперсных отложений она составит несколько метров, а при крайне благоприятных условиях — десяток метров
Воздействие процессов выветривания на формирование просадочных пород или на возрастание величины просадочности в условиях климата Средней Азии доказано Н Г Мавляновым [23] и А В Минер-виным [24—27] В частности, первым из этих авторов установлено, что при воздействии на вновь сформировавшуюся толщу просадочных пролювиальных лессовых пород гипергенно-разуплотнительного механизма, включая сезонное промерзание пород как его составляющую часть, происходит существенное возрастание величины относительной просадочности — на 5—10% Но это уже более сложная по генезису проса-дочность — она сформировалась в результате наложения действия гипергенно-разуплотнительного механизма на итоги проявления дегидратационно-недоуп-лотнительного механизма, обусловившего образование сингенетической просадочности на первом этапе ее формирования в пролювиальных породах
Итак, просадочность пород разного возраста и генезиса, венчающих разрез различных геоморфологических элементов, под влиянием гипергенно-дегидратаци-онно-разуппотнительного механизма формируется с большой скоростью, в определенных орографических условиях — даже исторически мгновенно Она — просадочность — проявляется при действии и природного ('), и дополнительного давления и является свойством эпигенетическим, образующимся после формирования рельефа территории в условиях стабильного положения кровли рельефообразующих пород или даже ее снижения за счет развития денудации Время и условия формирования этой просадочности совершенно не связаны со временем и условиями осадконакопления и последующим превращением осадков в породы, которые затем подвергаются облессованию Просадочность облессованных пород консервируется в разрезе во времени, если климатические и орографические условия, при которых они сформировались, сохраняются
Подчеркнем, что гипергенно-дегидратационно-разуплотнительный механизм является, с одной стороны, самодостаточным для формирования эпигенетической просадочности в верхней части толщи пород разного возраста и генезиса, являющихся в настоящее время рельефообразующими, а с другой — проявляющимся и накладывающимся на любой другой действующий или на результаты действовавших механизмов В этом отношении он является универсальным, коренным образом отличающимся по возможности своей реализации от других процессов формирования просадочности лессовых пород Будучи наложенным на просадочные лессовые породы любого генезиса, он обусловливает не только изменение генезиса просадочности (о чем писалось ранее), но и увеличение величины просадочности этих толщ, причем амплитуда этой трансформации наибольшая в самой верхней части толщи, вниз по разрезу она закономерно уменьшается
Общие выводы
Приведенные данные свидетельствуют, что вопрос о скорости и времени формирования просадочности многоплановый, его содержательная часть должна принципиально по-разному формулироваться и решаться в отношении сингенетически и эпигенетически просадочных толщ лессовых пород Имеющиеся к настоящему времени данные позволяют сделать следующие выводы
1 Скорость формирования сингенетической просадочности на пути превращения пылеватого осадка элементарного слоя в лессовую породу и эпигенетической просадочности в породах разного генезиса и возраста в существенно большем по мощности их слое (до 5—7 см) чрезвычайно высокая и с геологической и с физической точек зрения Она является таковой при действии любого механизма образования просадочности, те должна рассматриваться как атрибутивная особенность процесса развития просадочности Из этого вытекают два важных положения а) высокая скорость формирования сингенетической просадочности лессовых пород в объеме элементарного слоя — фактор, способствующий, но не лимитирующий (в отличие от скорости осадконакопления и аридности климата) при определении скорости и времени образования толщ сингенетически просадочных лессовых пород, б) высокая потенциальная скорость формирования эпигенетической просадочности в малом по мощности слое ранее сформировавшихся пород является — наряду с условиями дегидратации и особенностями возникновения дополнительной нагрузки — лимитирующим фактором в определении скорости и времени образования эпигенетически просадочных толщ лессовых пород
2 Скорость формирования сингенетически про-садочной толщи ациклитного строения или лессового горизонта одного лессового циклита полностью определяется скоростью осадконакопления эоловых, пролювиальных или делювиальных пылеватых отложений в семиаридных или аридных условиях Время формирования просадочной толщи целиком совпада-
ет с геологическим временем ее накопления И его устанавливают историко-геологическим методом
3 Формирование просадочности дегидратированной толщи аллювиальных пород — процесс чрезвычайно быстрый Время ее образования связано, как уже отмечалось ранее, только с периодом и скоростью возникновения дополнительной нагрузки, действующей на грунты такой толщи
4 Скорость современного формирования эпигенетической просадочности рельефообразующих толщ под воздействием гипергенно-дегидратационно-разу-плотнительного механизма в соответствующих орографических и климатических условиях также очень высокая Именно это обеспечивает исторически мгновенное формирование просадочных толщ на приречных дренированных территориях даже в условиях умеренного климата Все эти образования — сугубо современные
5 Скорость формирования просадочности в одном лессовом циклите (включающем горизонт лессовых пород и сформировавшуюся в верхней их части погребенную или современную почву) циклитчески построенной толщи определяется, с одной стороны, скоростью осадконакопления сингенетически просадочных лессовых пород, а с другой — скоростью трансформации этой просадочности под воздействием гипергенно-разуплотнительного механизма в период прекращения осадконакопления и формирования почв В итоге скорость образования син-эпигене-тической или эпи-сингенетической просадочности в целом для лессового циклита уменьшается по сравнению со скоростью возникновения первичной сингенетической просадочности Время формирования такой сложной по генезису просадочности лессовых пород одного циклита охватывает период накопления толщи лессовых пород и время ее преобразования в период прекращения осадкообразования
6 Скорость формирования просадочности циклитчески построенных толщ лессовых пород является, как правило, еще более низкой и должна рассматриваться как средняя величина для числа циклитов (см пункт 5), установленных в такой толще Время становления ее просадочности охватывает период "начало формирования просадочности лессовых
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Абелев ЮМ, Мелев МЮ Основы проектирования и строительства на просадочных макропористых фунтах М, 1968
2 Андреева ТВ Распространение лессовых пород эолового генезиса и экспериментальное доказательство формирования их сингенетической просадочности Автореф канд дис М, 1999
3 Балаев Л Г, Коробкин В И, Галай Б Ф Субаэральный литогенез и свойства пылевато-глинистых отложений Ростов н/Д, 1985
4 Воронин А М Роль сезонного промерзания в возникновении просадочности у лессовых пород Автореф канд дис М, 1973
5 Галай Б Ф Моделирование формирования сингенетической просадочности эоловых лессовых пород // Субаэральный литогенез и свойства пылевато-глинистых отложений Ростов н/Д, 1985 С 73—79
пород самого нижнего циклита — современное время" Последняя временная граница определяется действием современных гипергенных процессов на лессовые породы верхнего циклита, залегающие под современной почвой
Таким образом, время формирования различных генетических типов просадочности в толщах лессовых пород принципиально различно В циклитчески построенных толшах с сингенетической, эпи-сингенетической или син-эпигенетической просадочнос-тью оно достаточно велико и в целом охватывает среднечетвертичное—современное время Эпигенетическая просадочность толщ лессовых пород является свойством совсем молодым — современным не только в геологическом, но и в историческом отношении В заключение отметим, что решение вопроса о генезисе, скорости и времени формирования просадочности толщ, особенно циклитчески построенных, — задача комплексная Она не может быть решена путем изучения одних лишь инженерно-геологических показателей, даже если мы полностью определим все необходимые при инженерно-геологических изысканиях показатели состава, строения, состояния и свойств лессовых пород и закономерности их распределения по разрезу Необходимо решить существенно более широкий круг вопросов каким путем сформировалась толща, какую историю она впоследствии пережила9 Это решение должно быть доказано достаточным геологическим материалом, включая абсолютные датировки, палеоботанические, палеонтологические исследования, изотопные и другие специальные геохимические, палеопедологические и геокриологические данные Необходимо продолжить поиск таких геохимических, минералогических, пале-опедологических, криолитологических и других показателей, которые позволили бы доказательно и однозначно восстанавливать ход постседиментационных преобразований в породах толщи, наличие и ход фазовых превращений воды или их отсутствие в отдельных седиментационных комплексах лессовых пород и их мощных толщах в целом Без этого названные вопросы формирования просадочности таких толщ не могут быть решены
6 Денисов НЯ О природе просадочных явлений и лессовых суглинках М , 1946
7 Денисов Н Я Строительные свойства лесса и лессовидных суглинков М , 1953
8 Ершова А В Экспериментальное доказательство и логико-графическая модель формирования просадочности аллювиальных пылеватых пород при дегидратации Автореф канд дис М , 1997
9 Комиссарова Н Н, Коломийцев Н В Формирование просадочности лессовых пород водного и субаэрального генезиса // Инженерно-геологические особенности цикличности лессов М , 1987 С 64—68
10 Комиссарова Н Н, Коломийцев Н В Моделирование просадочности пылеватых образований эолового генезиса // Весгн Моек ун-та Сер 4 Геология 1987 № 4 С 32—38
11 Коробкин В И О стадийности формирования проса-дочности лессовых пород // Инженерная геология лессовых пород Тез докл Всесоюз совещ Т 1 Ростов н/Д, 1989 С 10-12
12 Королев В А, Еремина О Н К вопросу о формировании аутогезионного сцепления в лессовых породах в связи с их просадочностью // Инженерная геология 1986 № 2 С 50-57
13 Кригер НИ Лесс Формирование просадочных свойств М, 1986
14 Крутое В И Основания и фундаменты на просадочных грунтах Киев, 1982
15 Крутое В И Учет новых результатов по просадоч-ности фунтов при изысканиях, проектировании и строительстве // Основания, фундаменты и механика грунтов 1995 № 1 С 15-19
16 Крутое В И Классификация просадочных лессовых грунтов // Геоэкология 1998 № 3 С 55—64
17 Крутое ВИ, Багдасаров ЮА Проектирование и строительство на лессовых просадочных грунтах // Современные проблемы инженерной геологии лессовых пород М , 1989 С 54-69
18 Ларионов А К, Приклонский В А, Ананьев В Л Лессовые породы СССР и их строительные свойства М , 1959
19 Лессовые породы СССР В 2 т М , ¡966
20 Лессовые породы СССР / Под ред Е М Сергеева, А К Ларионова, НН Комиссаровой М , 1986
21 Лессовый покров Земли и его свойства / Под ред ВТ Трофимова М Изд-во Моек ун-та, 2001
22 Лысенко МП Лессовые породы Л , 1978
23 Мавлянов Н Г О формировании просадочности лессовых пород Средней Азии // Инженерная геология лессовых пород Тез докл Всесоюз совещ Т 1 Ростов-н/Д, 1989 С 20-21
24 МинервинАВ Роль процессов гипергенеза в формировании просадочности лессовых пород юга Сибири // Генетические основы инженерно-геологического изучения горных пород М Изд-во Моек ун-та, 1975 С 305—314
25 Минервин А В Формирование просадочных свойств лессов из эоловой пыли в современных условиях Средней Азии // Инженерная геология 1979 № 3 С 78—85
26 Минервин А В Природа просадочности и генезис лессовых пород // Проблемы лессовых пород в сейсмических районах Тр Всесоюз совещания (Самарканд, 1980) Ташкент, 1982 С 10—32
27 Минервин А В Роль криогенных процессов в формировании лессовых пород // Проблемы криолитологии Вып 10 М Изд-во МГУ, 1982 С 41-60
28 Минервин А В, Комиссарова Н Н Природа просадочности лессовых пород // Вопросы инженерной геологии и грунтоведения Вып 5 М Изд-во Моек ун-та, 1983 С 16-31
29 Осипов В И Формирование просадочности лессов при их циклическом увлажнении и высушивании // Теория цикличности лессов в практике инженерно-геологических изысканий М, 1985 С 152—158
30 Трофимов ВТО гипотезах формирования просадочности лессовых пород // Проблемы лессовых пород в сейсмических районах Ташкент, 1980 С 100—103
31 Трофимов В Т Закономерности распределения просадочности в циклически построенных толщах лессовых
пород морфологический и генетические аспекты // Теория цикличности лессов в практике инженерно-геологических изысканий М , 1985 С 10—20
32 Трофимов В Т Генезис просадочности лессовых пород (гипотезы, экспериментальные данные, задачи дальнейших исследований) Статья 1 // Вестн Моек ун-та Сер 4 Геология 1986 № 1 С 78-91
33 Трофимов В Т Генезис просадочности лессовых пород (гипотезы, экспериментальные данные, задачи дальнейших исследований) Статья 2 // Там же 1986 № 2 С 60-76
34 Трофимов В Т Генезис просадочности лессовых пород М Изд-во Моек ун-та, 1999
35 Трофимов ВТО механизмах формирования просадочности лессовых пород // Геоэкология 2001 № 2 С 141-148
36 Трофимов В Т Основы теории формирования просадочности делювиальных и пролювиальных лессовых пород //Бюл МОИП Отд геол 2001 Т 76, вып 5 С 3—8
37 Трофимов В Т Основы теории формирования просадочности аллювиальных лессовых пород // Геоэкология 2001 №6 С 531-535
38 Трофимов В Т Основы теории формирования просадочности эоловых лессовых пород // Вестн Моек ун-та Сер 4 Геология 2002 № 1 С 41-47
39 Трофимов ВТО роли гипергенно-дегидратацион-но-разуплотнительного механизма формирования просадочности лессовых пород // Там же № 3 С 64—70
40 Трофимов В Т Основы общей теории формирования просадочности лессовых пород // Там же № 5 С 3—7
41 Трофимов В Т Теория формирования просадочности лессовых пород М , 2003
42 Трофимов В Т, Бондаренко В С Особенности современного облессования пород различного гранулометрического состава в гумидных условиях // Вопросы инженерной геологии и грунтоведения Вып 5 М Изд-во Моек ун-та, 1983 С 32-43
43 Трофимов ВТ, Горский МР Новые экспериментальные данные к познанию механизма формирования эпигенетической просадочности у пылеватых аллювиальных пород // Инженерная геология 1988 № 5 С 22—32
44 Трофимов В Т, Ершова А В Результаты моделирования процесса формирования просадочности при дегидратации аллювиальных пылеватых пород на образцах-монолитах большого размера // Бюл МОИП Отд геол 1999 Т 4, вып 2 С 54—59
45 Трофимов В Т, Куликова Е Ю Новые экспериментальные данные к познанию механизма формирования сингенетической просадочности пылеватых эоловых отложений // Вестн Моек ун-та Сер 4 Геология 1995 № 4 С 37—52
46 Трофимов В Т, Соколов В Н, Ветров А С Экспериментальные доказательства возможности формирования просадочности пылеватых осадков чистых минералов при гидратации-дегидратации // Бюл МОИП Отд геол 2002 Т 77, вып 1 С 72-76
47 Экзогеодинамика Западно-Сибирской плиты (пространственно-временные закономерности) / Под ред В Т Трофимова М Изд-во Моек ун-та, 1986
Поступила в редакцию 30 03 2004
