ОЦЕНКА СОСТАВА ПЕСКОВ ПЕСЧАНЫХ МАССИВОВ АКТЮБИНСКОЙ ОБЛАСТИ Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

НАУЧНЫЕ СТАТЬИ

Гидрометеорология и экология №3 2009

УДК 551.31

ОЦЕНКА СОСТАВА ПЕСКОВ ПЕСЧАНЫХ МАССИВОВ АКТЮБИНСКОЙ ОБЛАСТИ

Н.У. Бултеков Канд. физ.-мат. наук О.Е. Семенов

А.П. Шапов

Рассмотрен дисперсный состав частиц песка в Актюбинской области. Подвижные и полузакрепленные пески встречаются здесь с двумя видами функций распределения по размерам - нормальной (Гауссовой) и логарифмически нормальной. Средний размер частиц песка с нормальной функцией распределения изменяется в интервале 175...290 мкм, средний геометрический размер песков с логарифмически нормальной функцией - от 156 до 317мкм.

Природа пустынных и полупустынных районов очень уязвима и быстро реагирует на вмешательство человека - чрезмерное использование под пастбища, вырубка древесных растений, неправильное хозяйственное освоение и степные пожары в сочетании с условиями дефицита осадков приводят к опустыниванию земель: почва, лишившись растительного покрова, подвергается интенсивной эрозии. Не только почвы пустынной зоны, но и вообще засушливые земли имеют неустойчивую экосистему, которая легко разрушается при чрезмерных выпасах скота, нерациональном использовании и в итоге теряют способность к восстановлению.

В Актюбинской области пески занимают около 4,5 % от всей территории. Пески распространены обособленными массивами, главным образом, в южной части пустынной территории области: Большие и Малые Барсуки, пески Кокжиде, Аккум и.т.д. Пески разобщены между собой сложной системой плоских понижений с бурыми супесчаными почвами, такырами, солонцами и солончаками. Рельеф песков грядово-бугристый, бугристый, реже барханный [5].

Растительность взаимосвязана с рельефом песков. Барханы обычно зарастают разнотравно-кустарниковой растительностью. Сглаженные бугры и грифы песков, находящиеся в стадии зарастания, покрыты терескеново-полынно-еркековой растительностью с эфедрой, луком. В понижениях между буграми растительность более густая, она состоит из пырея, мятликов, а иногда и туранги [5].

100

Природный песок - несвязанная смесь зёрен крупностью 0,05.. .5 мм, образовавшаяся в результате разрушения твердых горных пород. В зависимости от условий залегания, пески могут быть различного происхождения: эоловые, речные, морские и горные. Эоловые, речные и морские пески имеют округлую форму зёрен, горные пески содержат остроугольные зёрна.

Грунт является грубодисперсной системой. Основные его параметры - размеры слагающих частиц и характер их распределения по размерам. Для полидисперсных почвенных систем, т.е. таких, у которых частицы имеют различный размер, полную картину дисперсности (гранулометрического состава) можно охарактеризовать кривой распределения массы дисперсной твёрдой фазы по размерам частиц. Для грубодисперсных почвенных систем и песков для определения кривой распределения используется метод ситового анализа, в котором выделение фракций происходит между ситами с последовательно уменьшающимися размерами отверстий. Практически массу частиц определяют для конечных интервалов размеров. Поэтому вместо непрерывных кривых распределения Е (х) получают гистограммы распределений или проводят построение интегральных (накопленных) кривых распределений [4, 8].

Изучение пыльных, песчаных и солевых бурь невозможно без углубленных знаний о закономерностях распределений частиц твёрдой фазы по размерам. Проведенные исследования песчаных массивов в районе Аральского моря и южном Прибалхашье показали, что в подавляющем числе случаев распределение частиц по размерам у подвижных и полузакреплённых песков хорошо аппроксимируется логарифмически нормальной функцией с плотностью

,, ч 0,43429

/ (х) = ——рг= ехр

018 хХл/ 2р

(1й х - х0)2 К х

(1)

где х - размер песчинок, мкм; х0 - средний геометрический размер песчинок, мкм; Ох% х - среднее квадратическое отклонение логарифмов размеров частиц (стандартное геометрическое отклонение). Это распределение полностью описывается двумя параметрами х0 и <71ё х, легко определяемыми по

результатам ситового анализа размеров частиц [2, 3, 7, 8].

Средний геометрический размер частиц песка в пустынях Казахстана изменяется на большинстве массивов от 90 до 270 мкм, стандартное гео-

101

метрическое отклонение - от 0,1 до 0,3. Изредка встречаются пески очень крупного размера с х0, достигающими 300 и более мкм, по-видимому, аллювиального происхождения. Следует отметить одну закономерность - у подвижных песков наблюдается увеличение среднего геометрического раз-

тл, 2

мера частиц х0 и уменьшение дисперсии распределения и = ( х по сравнению с закреплёнными и полузакреплёнными близлежащими песками за счет более интенсивного ветрового выноса мелких частиц.

Стандартное геометрическое отклонение ( х у подвижных песков укладывается обычно в интервале значений от 0,08 до 0,15; но у крупных песков (х0 > 220 мкм) оно может возрастать до 0,2. У закрепленных песков

( х > 0,15 и может достигать 0,3...0,45. У них часто отмечается асимметрия логарифмически нормального распределения частиц по размерам за счет повышенного содержания крупных частиц.

У некоторых подвижных песков среднее квадратическое отклонение логарифмов размеров частиц составляет величины менее 0,1 и в этих случаях логарифмически нормальное распределение уже мало отличается от нормального. Наконец, сравнительно редко встречаются пески с повышенным содержанием кварца, что говорит об очень длительных в геологическом временном масштабе процессах их дефляции, распределение частиц по размерам, которых аппроксимируется нормальным (Гаусса) распределением с плотностью вероятности:

/ (х) =-^=ехр

(ГГЫ 2р

(х - х)2 2(

_ (2) где х - средний размер частиц (математическое ожидание), мкм; (х -

среднее квадратическое отклонение размеров частиц песка (стандартное отклонение), мкм. Распределение этого типа полностью определяется значениями этих двух параметров: х и (х [8].

По методу сит определяется масса частиц Ат., выделенных в каждом интервале размеров Ахг. . Вычисляется относительное содержание частиц данного размера в пробе - Ашг/ш0 100 %, где Ат. - масса частиц в интервале размеров от х. до х. + Ах, а т0 - масса исследуемого образца. Затем

102

рассчитывается накопленная (интегральная) эмпирическая функция распределения частиц в пробе Е (х) от наименьшего к наибольшему размеру.

Применимость логарифмически нормального распределения к эмпирической выборке просто и наглядно устанавливается на клетчатке вероятностей для кривых со значительной асимметрией, по осям координат которой отложены значения х и Ф~1\Е (х)] [1, 8].

Здесь Е(х) - функция распределения выборки, а Ф"1- функция, обратная нормированной функции Лапласа нормального распределения. На клетчатке против каждого значения Ф- \Е (х)] наносятся соответствующие значения Е (х). Если на такой график нанести экспериментальные точки, взяв в качестве Е (х) накопленную относительную долю частиц, размер которых меньше х , то в случае применимости логарифмически нормального закона все точки должны располагаться около прямой линии.

Величины х0 и <71ё х, легко определяются графоаналитическим методом Алексеева [1, 8]. Для этого по сглаженному графику распределения находят значения х5% , х50% и х95%, соответствующие накопленным долям

частиц в пробе в 5 %, 50 % и 95 %. Величина х0 на графике равна ординате точки прямой, соответствующей 50 % уровню вероятности, т.е. х50% дает величину х0. Среднее квадратическое отклонение распределения <7^ х вычисляется по формуле

х

или к х = 0,304 • (3)

х

5%

К х = 0,5 • 1в х84%, (4)

х

А16%

где х95%, х84%, х16% и х5% - размер частиц (мкм), накопленная доля которых в пробе равна 95 %, 84 %, 16 % и 5 %.

Формулу (4) целесообразно использовать лишь в тех случаях, когда не требуется большой степени соответствия эмпирической выборки с асимметрией логарифмически нормальному распределению в области крупных частиц. То есть в тех случаях, когда в концевой части распределения экспериментальные точки могут отклоняться от теоретической линии, но для практических целей это отклонение не будет слишком существенным и им можно пренебречь.

103

Нормальное распределение спрямляется на клетчатке вероятностей для кривых с умеренной асимметричностью. Она отличается от описанной выше клетчатки для логарифмически нормального распределения масштабом одной из осей координат, ось ординат берется не в логарифмическом масштабе, а равномерной [1, 8]. Величина х50% определяет в этом случае

х , а среднее квадратическое отклонение размеров частиц можно вычислить по формуле

К = 0,304(х95% - х5%). (5)

Наибольшее распространение в Казахстане имеют пустынные пески с х0 равным 110... 130; 150...180 и 200...220 мкм и более [2, 3, 7, 8]. При

описании размеров песков в статье не будет использован ГОСТ 25100 и классификации, используемые в других странах [6]. Если использовать этот ГОСТ или зарубежные классификации размеров частиц грунтов, то все пески пустынь Казахстана должны быть отнесены к мелким, тогда как взаимодействие с ветром у выделенных выше средних геометрических размеров песков значительно отличается. Поэтому для эоловых процессов удобнее разделять по следующей классификации.

Классификация размеров частиц песка для песчаных пустынь Казахстана по Семенову [6]:

х0 , мкм размер песка

< 110 очень мелкие

110.130 мелкие

150.180 средние

200.220 крупные

> 220 очень крупные

Для исследования размеров частиц песка пробы отбирались методом конверта из тщательно перемешанной массы поверхностного слоя толщиной 2.5 см, который после высушивания просеивался через набор сит с отверстиями 50, 73, 100, 140, 200, 250, 315, 400, 500, 720 мкм, 1 и 1,25 мм.

Ранее проводились исследования распределений частиц песка по размерам в различных регионах Казахстана[2, 3, 7, 8]. К сожалению, до настоящего времени, в Актюбинской области изучение дисперсности песчаных массивов не делалось. В этой статье этот пробел частично ликвидирован, и выполнено описание дисперсного состава песков в бассейнах рек Эм-ба, Темир и Сагыз.

Исследование частиц по размерам велись в песках Аккум, в песчаном массиве между поселками Булакшы и Ильинским - бассейн реки Те-

104

мир, в песках Кумжарган, Кокжиде, Акжарсай и в поселках Жаркамыс, Ка-ражар - бассейн реки Эмба, по территории бассейна реки Сагыз - в песках Аккумсагыз, Баршакум, Аяккум. Отбор проб песка выполнялся с вершины бугров. Параметры распределения размеров частиц песка приведены в табл.

Таблица

Параметры распределения размеров частиц песка в Актюбинской области

Место отбора проб Район Координаты места отбора Параметры распределения

долгота широта логарифмически нормального нормального

Х0 мкм ^ х х мкм я;, мкм

пески Аккум Т 57°11,327' 48°53,080' 250 53

7 км на СВ от пос. Жаркамыс Б 56°33,490' 47°59,26,2' 317 0,32

восточная окраина пос. Жаркамыс Б 56°29,244' 47°56,775' 193 62

пески Аккумсагыз Б 55°47,340' 48°20,191' 228 56

пески Аяккум Б 55°33,45,0' 48°04,404' 179 0,15

пос. Каражар Б 56°12,336' 47°51,270' 249 101

пески Баршакум пос. Ебейты Б 55°13,330' 48°05,420' 213 0,20

пески Акжарсай, запад пос. Кемерши Б 56°42,288' 48°04,273' 236 97

пески Акжарсай, юго-восток пос. Кемерши Б 56°47,149' 48°04,467' 175 50

пески Кумжарган М 57°39,916' 48°34,061' 156 0,18

пески Кокжиде, СЗ М 57°13,855' 48°31,377' 290 91

пески Кокжиде, СВ М 57°58,814' 48°07,050' 187 64

между пос. Булакшы и пос. Ильинским М 58°24,287' 49° 10,726' 194 0,12

Примечание: Т - Темирский район, Б - Байганинский район, М - Мугалжарский район.

Пески Аккум расположены на левом берегу р. Темир в Темирском районе. Песчаный массив близко подходит к реке. Общая площадь песчано-

105

го массива составила 0,10 тыс. км2. Пески бугристые, полузакрепленные. Вершины бугров хорошо закреплены кустарниковой растительностью.

Пробы отобраны на северной окраине песчаного массива между закрепленными вершинами из язвы выдувания, высота бугра 0,90 м. Функция распределения песка - нормальная, средний арифметический размер частиц

песка х на вершине бугра составила 250 мкм, Кх = 53 мкм и коэффициент вариации Су = 0,21. Песок очень крупный.

Пески Кумжарган расположены на правом берегу р. Эмба в Мугал-жарском районе. Пески бугристые полузакрепленные, вершины бугров хорошо закреплены. Общая площадь песчаного массива составила 200 км2. Песок отобран рядом с населенным пунктом Берлик, высота бугра в точке отбора проб составила 0,35 м, функция распределения - логарифмически нормальная. Средний геометрический размер частиц песка х0 на вершине бугра

- 156 мкм, к х = 0,18 и Су = 0,43. Песок по размеру относится к средним.

Поселок Жаркамыс. Песчаный массив расположен на правом берегу р. Эмба в Байганинском районе. Общая площадь песчаного массива составила 70 км2. Песок полузакрепленный, высота бугров местами достигает 2 м. Пески наступают на поселок Жаркамыс. Пробы отобраны в двух местах.

Первая проба взята в 7 км СВ поселка, высота в точке отбора проб -0,45 м, функция распределения - логарифмически нормальная. Средний геометрический размер х0 частиц песка на вершине бугра - 317 мкм,

К х = 0,32 и Cv = 0,84. Песок очень крупный.

Вторая - на песчанном массиве, расположенном на правом берегу р. Сагыз в районе поселка Жаркамыс. Пески наступают на поселок. Проба взята в 1,5 км восточнее поселка, ближе к пойме реки. Песок полузакрепленный, высота бугра достигает 0,4 м. Высота в точке отбора - 0,20 м, функция

распределения - нормальная. Средний арифметический размер х частиц

песка на вершине бугра - 193 мкм, Кх = 62 мкм и Су = 0,32, песок средний.

Пески Аккумсагыз расположены на правом берегу р. Сагыз в Байганинском районе. Песок полузакрепленный, встречаются участки с подвижными песками. Общая площадь песчаного массива составила 140 км2. Высота бугров местами достигает 3 м, высота барханов 8 - 10 м. Высота бугра в месте отбора проб равнялась 0,15 м, функция распределения - нор-

106

мальная, средний арифметический размер х частиц песка на вершине бугра

- 228 мкм, Кх = 56 мкм и Су = 0,28. Песок очень крупный.

Пески Аяккум расположены на правом берегу р. Сагыз в Байга-нинском районе, песок незакрепленный. Общая площадь песчаного массива составила 50 км2. Пески наступают на поселок. Проба отобрана возле аула Баршакум. На теле бугра отчетливо видна эоловая рябь. В точке отбора проб высота бугра составила 0,40 м. Функция распределения - логарифмически нормальная, средний геометрический размер х0 частиц песка на вершине бугра - 179 мкм, <7^ х = 0,15 и Су = 0,35. Песок средний.

Поселок Каражар (Байганинский район). Песчаный массив расположен на правом берегу р. Сагыз, общая площадь которого составила 5,36 км2. Песок полузакрепленный. Высота бугров достигает 1 м. Проба отобрана возле поселка, высота бугра в точке отбора составила 0,3 м. Функция распределения - нормальная, средний арифметический

размер х частиц песка на вершине бугра - 249 мкм, Кх = 101 мкм и

С^, = 0,41. Песок очень крупный.

Пески Баршакум расположены на правом берегу р. Сагыз в Байганинском районе, песок полузакрепленный. Площадь песчаного массива 5,36 км2. Высота бугров достигает 0,8 м, пески наступают на поселок Ебейты. Песок отобран в 900 м северо-западнее поселка. Функция распределения - логарифмически нормальная. Средний геометрический размер частиц песка х0 на вершине бугра - 213 мкм,

К х = 0,20 и Су = 0,49. Песок крупный.

Пески Акжарсай. Песчаный массив расположен на правом берегу р. Эмба в Байганинском районе. Общая площадь песчаного массива 30 км2. Песок полузакрепленный. Пробы отобраны в двух местах.

1. Проба взята в 5 км западнее поселка Кемерши, вершины бугров хорошо закреплены, высота в точке отбора проб - 0,30 м. Функция распределения -

нормальная. Средний арифметический размер х частиц песка на вершине бугра

- 236 мкм, Кх = 97 мкм и С^, = 0,41. Песок очень крупный.

2. Пески плохо закреплены, вся пойма реки покрыта песками. Пески наступают на поселок, по телу бугров отчетливо видна эоловая рябь. Проба отобрана юго-восточнее поселка Кемерши, на вершине бугра, высота которого равнялась 0,40 м, функция распределения - нормальная. Средний

арифметический размер х частиц песка на вершине бугра - 175 мкм, Кх = 50 мкм и ^ = 0,28. Песок средний.

107

Пески Кокжиде расположены на правом берегу р. Темир в Мугал-жарском районе, полузакрепленые. Общая площадь песчаного массива составила 350 км2. Пески бугристые, встречаются участки с барханами. Песок отобран в двух точках.

1. Песок отобран на северо-западной окраине песчаного массива, на бугре. Вершина бугра составила 1,5 м, функция распределения - нормальная. Средний арифметический размер х частиц песка на вершине бугра -290 мкм, (Гх = 91 мкм и Cv = 0,31. Песок очень крупный.

2. Песок отобран на левом берегу р. Темир на северо-восточной окраине песчаного массива, на бугре. Пески хорошо закреплены. Вершина бугра составила 0,4 м, функция распределения - нормальная. Средний арифметический размер х частиц песка на вершине бугра - 187 мкм, (Гх = 64 мкм и Cv = 0,34. Песок средний.

Песчаный массив между поселками Булакшы (Родники) и Ильинской; песок полузакрепленный. Площадь песчаного массива составила 0,35 км2. В пункте отбора проб высота бугра - 0,20 м. Функция распределения - логарифмически нормальная. Средний геометрический размер частиц песка х0 на вершине бугра - 194 мкм,

( х = 0,12 и Cv = 0,28. Песок средний.

Таким образом, изменение размеров частиц песка и их дисперсии в пространстве рассматриваемого региона имеет определенные закономерности. Подвижные и полузакрепленные пески здесь встречаются с двумя видами функций распределений - логарифмически нормальной и нормальной. Пески рассматриваемого бассейна отличаются значительной пространственной неоднородностью, как по размерам частиц, так и по виду функции распределения. Рельеф песков бугристый, встречаются участки с отдельными барханами, пески в основном закреплены растительностью. Высота эоловых форм рельефа изменяется от 0,15 до 10 м.

В табл. видно, что очень крупные размеры частиц характерны для песчаных массивов Аккум, Аккумсагыз, Акжарсай (запад поселка Ке-мерши), Кокжиде (северо-запад), северо-восточнее поселка Жаркамыс и песков в поселке Каражар. Крупные размеры - пески Баршакум (поселок Ебейты). Средние размеры - Аяккум, Кумжарган, восточная окраина поселка Жаркамыс, Акжарсай (юго-восток поселка Кемерши), между поселками Булакшы и Ильинским, Кокжиде (северо-восток).

Пески Аккум, Акжарсай (запад, юго-восток пос. Кемерши), Кокжиде, Аккумсагыз, восточной окраины поселка Жаркамыс и в поселке Каражар имеют нормальное распределение, а пески Кумжарган, Аяккум, Баршакум (пос. Ебейты), в пос. Жаркамыс и в песчаном массиве между поселками Булакшы и Ильинским - имеют логарифмически нормальное распределение.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

108

1. Алексеев Г.А. Графоаналитические способы определения и приведения к длительному периоду наблюдений параметров кривых распределений // Тр. ГГИ. - 1960. - Вып.73. - С. 90-140.

2. Актуальные проблемы гидрометеорологии озера Балхаш и Прибалхашья / Под ред. И.И. Скоцеляса. - СПб.: Гидрометеоиздат, 1995. - 254 с.

3. Гидрометеорологические проблемы Приаралья // Под ред. Г.Н. Чичасова. -Л.: Гидрометеоиздат, 1990. - 277 с.

4. Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов.- Л.: Химия, 1987.- 264 с.

5. Новикова А.Г. и др. Почвы Казахской ССР. Вып. 11. Актюбинская область. - Алма-Ата: Издание АН КазССР, 1968. - 374 с.

6. Семенов О.Е. Об особенностях ветрового переноса песка при бурях // Гидрометеорология и экология. - 1993. - Вып. 3. - С. 23 - 44.

7. Семенов О.Е., Шапов А.П. Геоморфологические условия развития дефляционных процессов и дисперсный состав песков Восточного Приаралья // Гидрометеорология и экология. - 1995. - Вып. 4. - С. 76-98.

8. Семенов О.Е. О распределении почвенных частиц по размерам на юге Казахстана вследствие эоловых процессов // Тр. КазНИГМИ. - 1970. -Вып. 36. - С. 153-165.

КазНИИЭК, г. Алматы

АЦТеБЕ ОБЛЫСЫНЬЩ ^¥МДЫ МАССИВТЕР1НДЕГ1 Ц¥МДАРДЬЩ Ц¥РАМЫН БАГАЛАУ

Н.У. Бултеков Физ.-мат. гылымд. канд. О.Е. Семенов

А.П. Шапов

Ацтвбе облысындагы цум белшектертщ дисперсиялыц цурамы царастырылды. Мунда квшпел1 жэне жартылай ашыц жерлердег1 цумдар (вс1мд1к жамылгысы бар жерлердег1 цумдар) квлемдер1 бойынша ею турл1 таралу функциясы тур1нде кездесед1: дурыс жэне логарифмдт дурыс функциялар. Дурыс таралатын орташа квлемд1 цум бвлжтер1 территория бойынша 175...290мкм интервал аралыгында взгеред1. Ал орташа геометриялыц квлемд1, логарифмдт дурыс таралатын цум бвлжтер1 156...317 мкм аралыгында взгеред1.

109