CC BY
83
Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2009. Вып. 2. С. 272-280
= Науки о земле =
УДК 624.131
Влияние ботанического состава на физические свойства торфа
В.В. Крамаренко
Аннотация. Освоение территорий Занадной Сибири осложнено широким распространением болотных массивов, торфяные отложения которых разнообразны по составу и свойствам. Знание характеристик физических свойств, присущих торфам разных групп, необходимо на начальных стадиях проектирования сооружений для предварительных расчетов грунтовых оснований. В работе изложены результаты изучения физических свойств торфов из моховой, травяной и древесной групп, выявлены взаимосвязи между ботаническим составом, зольностью, степенью разложения и физическими свойствами торфов.
Ключевые снова: торф, ботанический состав, зольность, степень разложения, физические свойства, корреляция характеристик.
Огромные пространства Западной Сибири занимают болота и заболоченные территории, что значительно усложняет их освоение, использование их в сельскохозяйственных целях, разработку месторождений полезных ископаемых, затрудняют изыскательские работы, строительство и эксплуатацию сооружений. Из-за разнообразия природных условий состав торфяных отложений также очень изменчив, поэтому задачей работы было изучение характеристик физических свойств торфов различных ботанических групп для получения показателей необходимых для предварительных расчетов при проектировании сооружений. В работе приведены результаты исследований, проведенных Сибирским научно-исследовательским институтом торфа и Томским политехническим университетом на 19 месторождениях Томской области, а также на безымянных болотных массивах. Изучены ботанический состав, степень разложения (Ddp), зольность (Das), плотность скелета (pd), влажность (w) и коэффициент пористости (е). Методической основой исследований послужили нормативные документы и методические указания [1-4].
Согласно [5] торф подразделяется на 6 групп, которые выделяются по содержанию остатков отдельных групп растсний-торфообразоватслей. Группы подразделяются на виды, низшие таксономические единицы классификации, характеризующиеся постоянным сочетанием преобладающих остатков отдельных видов растений, отражающих исходные растительные ассоциации.
Изучение «чистых» групп (моховой, травяной и древесной) проводилось с целью выявления особенностей торфов разного ботанического состава с преобладанием одного торфообразоватсля, поэтому смешанные группы в данной работе не рассматриваются.
В табл. 1 приведены результаты корреляционного анализа, выявившего взаимосвязи между процентным содержанием растительных остатков, зольностью, степенью разложения торфов и характеристиками их физических свойств. Анализ показал, что все коэффициенты корреляции (г) значимые, следовательно, содержание растительных остатков также влияет на характеристики физических свойств, как зольность и степень разложения — показатели, при помощи которых торфа подразделяются на разновидности согласно [6]. Результаты корреляции выявили связь коэффициентов пористости с показателями ботанического состава: с увеличением содержания травяных и особенно древесных остатков коэффициенты пористости снижаются, а с ростом количества остатков мхов увеличиваются.
Таблица 1. Коэффициенты корреляции между характеристиками состава
и свойств торфов
Параметры Степень разложения, & (ір Зольность, Е) аз Содержание растительных остатков
травяных древесных моховых
Коэффициент пористости, е -0,57 — 0,33 -0,44 -0,20 0,55
Степень разложения, В (1р 1,00 0,44 0,46 0,40 -0,58
Зольность, £>аз 0,44 1,00 0,37 0,15 -0,44
Примечание: показаны значимые коэффициенты корреляции.
Ботанический состав также оказывает влияние на степень разложения и зольность. Интенсивность разложения тканей растений зависит от их механической прочности, химического состава и степени биологической устойчивости. Быстро гумифицируются ткани хлорофиллоносной паренхимы зеленых частей растений и лиственные породы с небольшой механической прочностью древесины. Покровные и механические ткани растений обладают наибольшей стойкостью к распаду: хорошо сохраняются тяжи механических волокон листовых влагалищ пушиц, корни осок, тростника, кора (пробка) березы и древесина хвойных пород за счет большого содержания смол. Наиболее устойчивы к разложению сфагновые мхи, так как они содержат кислоты, а также антибиотики в виде фенолов, которые определяют их биохимическую устойчивость, и поэтому сфагновый торф отличается слабой степенью разложения и сохраняет остатки других торфобразователей [7].
Зольность, это отношение процента золы к абсолютно-сухому веществу торфа [5]. Каждый вид характеризуется небольшим количеством минеральной составляющей (5-8%), большие значения показателя являются результатом привнесенной зольности, типичной для осоковых, осоково-гипновых, тростниковых видов низинных торфов, и именно она оказывает значительное влияние на физические свойства торфа.
Взаимосвязи зольности, степени разложения и физических свойств весьма сложны, неоднозначны и они прямо или косвенно зависят от ботанического состава торфообразоватслей, и поэтому следующим этапом работы было изучение показателей физических свойств торфов и составление характеристики типичных видов торфа моховой, травяной и древесной групп, составленной на основе полученных результатов исследований торфов и их описаний, приведенных в работах [7-9].
Древесная группа содержит березовый, сосновый, еловый, кедровый, ольховый, низинный, ивовый и другие виды. В работе приводятся данные по видам торфа наиболее представительным в Томской области — сосновом и березовом. Встречается древесный торф относительно редко в условиях хорошего дренажа, формируется в соответствующих фитоценозах, образуя придонные слои или окаймляя залежь, для него характерна высокая степень разложения, темно-коричневый, почти черный цвет, структура комковато-зернистая или пластинчатая.
Степень разложения образцов древесной группы изменяется от 20% до 40 % (сосновый торф) и в среднем составляет около 34,3 (табл. 2). Зольность находится в пределах от 4,76 (сосновый торф) до 10,52 % (березовый торф), в среднем — 7,93 %.
Плотность твердых частиц древесного торфа (растительных остатков и минеральной составляющей) изменяется от 1,52 (сосновый торф) до 1,57 г/см3 (сосновый и березовый торф) и равна в среднем 1,56 г/см3.
Плотность скелета древесного торфа изменяется от 0,084 (сосновый торф) до 0,206 г/см3 (березовый торф), срсднсс значения показателя — 0,162 г/см3.
Коэффициент пористости является наиболее важной характеристикой грунтов, которая позволяет дать предварительную оценку механических свойств. Значения его у древесного торфа изменяются от 6,57 (березовый торф) до 17,3 д.с. (сосновый торф), срсднсс значение — 9,80 д.с. (табл. 2).
Результаты корреляционного анализа, проведенного для торфов древесной группы, показали, что плотность твердых частиц растет с повышением содержания древесных остатков (г = 0,72), с увеличением зольности (г = 0,99), pH (г = 0,92) и снижается с ростом количества травяных и моховых остатков (г = —0,79 и г = —0,63, соответственно), коэффициента пористости (г = —0,54), степени разложения (г = —0,61), плотности (г = —0,49) и влажности (г = —0,58). Плотность растет с увеличением доли остатков трав (г = 0,49), коэффициента пористости и влажности (г = 0,66), уменьшается с повышением содержания древесных остатков (г = —0,44), зольности (г = —0,45), pH (г = —0,46), плотности частиц (г = —0,49). Плотность
Таблица 2. Характеристики физических свойств торфов моховой, травяной
и древесной групп
Вид Коли- чество образ- цов Коэффициент пористости, е, Д.е. Степень разложения, -О^р, % Золь- ность, дая, % Плотность частиц, ря, г/см3 Плотность, р, г/см3 Плотность скелета, р4, г/см3 Влажность, ш, д.е.
Древесная группа
Березо- вый 10 8,7 6,6 12,4 35,0 35,0 35,0 9 1 7,7 10,5 1,56 1,55 1,57 1,06 1,05 1,07 0,167 0,118 0,206 5,6 4,2 7,9
Сосно- вый 13 10,6 7,9 17,2 33,9 20,0 40,0 7,0 4,8 9,9 1,55 1,52 1,57 1,06 0,82 1,55 0,157 0,084 0,195 6,9 5,1 11,3
Травяная группа
Осоко- вый 71 10,6 6,8 20,5 26,7 15,0 35,0 10,2 2,5 36,8 1,57 1,52 1,79 1,05 0,79 1,21 0,142 0,072 0,230 6,8 3,8 13,3
Пушице- вый 9 10,7 7,4 17,3 36,9 15,0 50,0 3,4 2,8 4,6 1,53 1,52 1,53 1,05 1,03 1,06 0,137 0,083 0,180 6,9 4,8 11,4
Тростни- ковый 7 11,5 7,6 14,6 31,4 30,0 35,0 15,6 7,1 36,8 1,62 1,55 1,79 1,05 1,03 1,10 0,138 0,099 0,209 7,2 4,2 9,4
Шейхце- риевый 17 13,1 7,9 10,7 20,3 15,0 25,0 3,3 2,6 4,3 1,53 1,53 1,53 1,05 1,02 1,26 0,116 0,071 0,172 8,5 5,2 13,5
Моховая группа
Фускум 21 17,2 8,6 37,5 8,6 5,0 15,0 4,2 1,7 10,1 1,53 1,51 1,57 1,03 1,00 1,05 0,093 0,041 0,158 11,2 5,7 23,9
Ангусти- фолиум 10 18,9 15.5 22.5 12,5 10,0 15,0 2,73 2,5 3,0 1,52 1,52 1,52 1,03 1,02 1,03 0,077 0,065 0,092 12,4 10,2 14,8
Магелла- никум 27 18,4 10,6 25,8 14,6 10,0 25,0 3,26 0,8 4,8 1,52 1,51 1,53 1,03 1,00 1,08 0,084 0,057 0,133 12,1 6,9 16,8
Ком- плексный 9 19,4 12,3 31,7 7,2 5,0 10,0 3,70 3,5 3,9 1,52 1,52 1,52 1,03 1,02 1,04 0,083 0,047 0,115 12,6 8,1 20,8
Обтузум 6 14,0 12,5 14,8 15,0 15,0 15,0 15,03 15,0 15,0 1,61 1,61 1,61 1,04 1,04 1,04 0,108 0,102 0,119 8,7 7,7 9,2
Сфагно- вый моча- жинный 10 12,8 9,3 16,6 12,5 10,0 15,0 3,35 2,5 4,2 1,53 1,52 1,53 1,04 1,03 1,05 0,116 0,087 0,149 8,4 6,1 10,9
Г ипно-вый 10 10,2 9,2 11,3 30,0 25,0 35,0 24,21 13,0 35,4 1,68 1,59 1,78 1,06 1,05 1,08 0,152 0,130 0,173 6,1 5,2 7,1
скелета уменьшается с ростом коэффициента пористости (г = —0,42). Коэффициент пористости и влажность возрастают с повышением доли моховых (г = 0,46 и г = 0,48) и травяных остатков (г = 0,76 и г = 0,77), и уменьшаются с ростом количества древесных остатков (г = —0,67 и г = —0,69),
зольности (г = —0,43 и г = —0,46), плотности твердых частиц (г = —0,54 и г = —0,58) и плотности скелета (г = —0,42 и г = —0,40). Коэффициент пористости и влажность, плотность и плотность скелета торфов древесной группы не зависят от степени разложения и, следовательно, торфа этой группы не могут классифицироваться по этому показателю. Необходимо отмстить более высокие коэффициенты корреляции между характеристиками состава и свойств у торфов этой группы.
Травяная группа объединяет верховые торфа: пушицсвый и шейхцери-свый верховой, а также низинные: тростниковый, осоковый и шсйхцсрис-вый низинный. Структура торфов, в зависимости от преобладания тех или иных компонентов, может быть волокнистой (шсйхцсрисвый торф), ленточной (тростниковый торф) или войлочной (осоковый торф). Пушицсвый торф сформирован зарослями пушицы и встречается небольшими маломощными прослойками в торфяниках верхового типа или слагает верховую залежь по периферии болот. Осоковый торф образовывался из осокового фитоценоза широко распространенного в торфяных низинных залежах. Шсйхцсрисвый верховой торф отлагают заросли шейхцерии с гидрофильными сфагновыми мхами в обводненных участках грядово-мочажинного и грядово-озеркового комплексов, или на сильно подтопляемых окрайках торфяников. Шсйхцсрисвый низинный торф формировался в фитоценозах, состоящих из шейхцерии с примесью осок, сфагновых и гипновых мхов. Тростниковые торфа небольшой мощности и высокой зольности характерны для торфяных месторождений лесостепи Западной Сибири, района займшцно-рямовых торфяников, более мощные залежи типичны для пойменных массивов.
Степень разложения образцов травяной группы варьирует в более широком диапазоне, чем в других группах: от 15 (осоковый, пушицсвый и шсйхцсрисвый торф) до 50 % (пушицсвый торф), в среднем составляет около 26,8 %. Пушицсвый и шсйхцсрисвый торфа могут встречаться с очень разной степенью разложения и быстро разлагаются при хранении в лабораторных условиях.
Зольность находится в пределах от 2,5 (осоковый, пушицсвый и шсйхцсрисвый торф) до 36,8 % (осоковый и тростниковый торф) и в среднем составляет 8,7 %. Торфа, в основном, нормальнозольные и только несколько образцов отличаются повышенной зольностью.
Плотность твердых частиц изменяется от 1,52 (осоковый торф) до 1,79 г/см3(осоковый и тростниковый торф) и в среднем равна 1,56 г/см3. Наибольшие значения этой характеристики отмечены у вышеперечисленных торфов с повышенной максимальной зольностью.
Плотность скелета изменяется от 0,071 (шсйхцсрисвый и осоковый торф) до 0,230 г/см3(осоковый торф), срсднсс значения показателя — 0,139 г/см3.
Значения коэффициента пористости травяного торфа изменяются от 6,76 (травяной и осоковый торф) до 20,48 д.с. (осоковый торф), срсднсс значение — 10,93 д.с. (табл. 2).
Результаты корреляционного анализа, проведенного для травяных торфов, показали, что плотность твердых частиц увеличивается с ростом содержания травяных остатков (г = 0,42), зольности (г = 0,99), степени разложения (г = 0,29), pH (г = —0,74), плотности (г = 0,41), плотности скелета (г = 0,61) и уменьшается с ростом моховых остатков (г = —0,42), коэффициента пористости (г = —0,90) и влажности (г = —0,91). Плотность увеличивается с ростом зольности (г = 0,41), значений pH (г = 0,28), плотности скелета (г = 0,4). Плотность скелета повышается с ростом содержания травяных (г = 0,31) и древесных остатков (г = 0,25), зольности (г = 0,62), степени разложения (г = 0,21), pH (г = 0,37), плотности твердых частиц (г = 0,61), плотности (г = 0,40), уменьшается с ростом доли моховых остатков (г = —0,42), коэффициента пористости (г = —0,90) и влажности (г = —0,92). Коэффициент пористости и влажность растут с увеличением числа моховых остатков (г = 0,32 и г = 0,35) и уменьшаются с ростом количества травяных остатков (г = —0,25 и г = —0,28), зольности (г = —0,36 и г = —0,43), плотности твердых частиц (г = —0,34 и г = —0,41), плотности скелета (г = —0,90 и г = —0,92). Коэффициент пористости и влажность торфов травяной группы, как и древесной, не зависят от степени разложения.
Моховые торфа представлены гипновым и сфагновым семействами. Для гипновых торфов типична чешуйчато-слоистая структура, где остатки мхов переплетены светлыми корешками осок. Они характеризуются средней степенью разложения, чаще до 30-35 %. В моховую группу входят сфагновые торфа: ангустифолиум, магелланикум, фускум, сфагновый мочажинный и комплексный верховой торф, а также сфагновый низинный. В растительном волокне торфов группы основную роль играют остатки мхов, составляющих более 60% общей массы волокна. Большинство сфагновых мхов являются типичными представителями верховых залежей, но особенностью торфов Западной Сибири является их олиготрофность, выраженная в присутствии верховых сфагновых мхов (фускум, магелланикум, ангустифолиум) в торфах низинного типа [9]. Эта особенность определяет специфику таких показателей как влажность, зольность, агрессивность, степень разложения торфяных грунтов. Листья сфагновых мхов и стебли состоят из двух типов клеток: живых — ассимилирующих, длинных и узких, с хлоропластами, и мертвых (без протопласта), с утолщениями на стенках и порами. Благодаря такому анатомическому строению стебля и листа сфагнум способен впитывать и удерживать большое количество воды, которая в 30-40 раз превышает массу самого растения.
Ангустифолиум-торф залегает обычно с поверхности до глубины 1,0-1,5 м или в виде прослоек встречается в магелланикум-торфе. Магслланикум-торф отдельными участками формирует залежи на болотах, покрытых сосново-пушицсвым и сосново-сфагновым фитоценозами. Фускум-залсжь образует нацело залежи большинства торфяных месторождений верхового типа и ря-мов Западной Сибири и отлагается в фускум-фитоцснозах, произрастающих обычно на наиболее приподнятых участках верховых болот в различных
условиях образования и минерального питания: в грядово-мочажинном и грядово-озерковом комплексах растительности он образует слабо облесенные кочки-бугры, встречается отдельными кочками среди гипновых растительных группировок. Сфагновый мочажинный торф отлагается в понижениях грядово-мочажинных участков, в сфагновых мочажинных топях под топяными участками с небольшими кочками, образованными фускум, магелла-никум, ангустифолиум-торфами. Комплексный верховой торф отлагается в грядово-мочажинном и грядово-озерном комплексах фитоценозами, заселяющими кочки-бугры. Обтузум-торф формируется в условиях несколько обедненного водно-минерального питания в залежах окрайковых участков олиго-трофных торфяных месторождений водоразделов и вторых террас. Гипновый торф отлагается в гипновых фитоценозах на притеррасных или водораздельных торфяниках, староречий, обильно увлажняемых грунтовыми водами.
Степень разложения образцов моховой группы меняется от 5 (фускум и комплексный торф) до 35 % (гипновый торф), в среднем составляет около 13 %. Наибольшее количество продуктов разложения содержат низинные гипновыс торфа и магелланикум-торф (25%), минимальные средние значения отмечены у комплексного и фускум-торфа.
Зольность находится в пределах от 0,8 (магелланикум-торф) до 35,41 % (гипновый торф), среднее значение небольшое — 5,47 % (табл. 2).
Плотность твердых частиц изменяется от 1,51 (фускум-торф) до 1,78 г/см^(гипновый торф) и равна в среднем 1,54 г/см3.
Плотность скелета мохового торфа значительно меньше и изменяется от 0,041 (фускум-торф) до 0,173 г/см3(гипновый торф), среднее значение показателя — 0,095 г/см3.
У мохового торфа значения коэффициента пористости изменяются от 8,6 до 37,5 д.с. (фускум-торф), среднее значение — 16,8 д.с. Необходимо отметить большой разброс значений показателей е и го. Минимальные средние значения коэффициента пористости выявлены у гипнового торфа и сфагнового мочажинного.
Результаты корреляционного анализа состава и свойств моховых торфов показали, что плотность твердых частиц увеличивается с повышением зольности (г = 0,99), причина тесной связи в том, что плотность твердых частиц у части образцов пересчитывалась через зольность. Плотность растет с увеличением содержания травяных остатков (г = 0,25), степени разложения (г = 0,25), pH (г = 0,28), плотности скелета (г = 0,72) и уменьшается с ростом пористости и влажности (г = —0,65). Плотность скелета повышается с увеличением содержания травяных остатков (г = 0,32), степени разложения (г = 0,44), pH (г = 0,38), уменьшается с ростом числа моховых остатков (г = —0,32), коэффициента пористости (г = —0,92), влажности (г = —0,93). Коэффициент пористости и влажность возрастают с ростом количества моховых (г = 0,28 и г = 0,29) и уменьшаются с ростом травяных остатков (г = —0,35 и г = —033), степени разложения (г = —0,44), pH (г = —0,28),
плотности (г = —0,65) и плотности скелета (г = —0,92 и г = —0,93). Необходимо отмстить, что коэффициент пористости торфов моховой группы ПС зависит от зольности, и классификация с использованием этого показателя для них нецелесообразна (за исключением гипновых торфов, в которых может присутствовать привнесенная зольность).
Таким образом, ботанический состав оказывает значительное влияние на физические свойства торфяных грунтов, также как зольность и степень разложения, следовательно, также может являється классификационным показателем. Каждая группа обладает своими особенностями: максимальные значения коэффициентов пористости и влажности (соответственно, более низкая плотность и плотность скелета) выявлены у представителей моховой группы. Торфа древесной и травяной групп имеют меньшие коэффициенты пористости и влажности, более высокую плотность и меньший разброс значений характеристик физических свойств. Для моховой группы характерна невысокая зольность, особенно для сфагновых видов, небольшая степень разложения, низкие значения показателя pH. Выявлено, что коэффициент пористости торфов моховой группы не зависит от зольности, а на коэффициент пористости торфов травяной группы не влияет степень разложения, поэтому дифференциация торфов по этим показателям не всегда целесообразна. Полученные результаты исследования рекомендуется использовать для предварительной оценки прочностных и деформационных свойств торфа, а также они могут стать основой для дальнейшего изучения взаимосвязей между показателями физических и механических свойств.
Список литературы
1. ГОСТ 5180-84. Методы лабораторного определения физических характеристик. М.: Изд-во стандартов, 1984. 25 с.
2. ГОСТ 11306-94. Торф и продукты его переработки. Методы определения зольности. М.: Изд-во стандартов, 1994. 20 с.
3. Кац Н.Я., Кац С.В., Скобеева Е.И. Атлас растительных остатков в торфах. М.: Недра, 1977. 376 с.
4. Амарян Л. С. Свойства слабых грунтов и методы их изучения. М.: Недра, 1990. 220 с.
5. ГОСТ 21123-85. Торф. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1985. 47 с.
6. ГОСТ 25100-95. Грунты. Классификация. М.: Изд-во стандартов. 1996. 37 с.
7. Тюремное С.Н. Торфяные месторождения. М.: Недра, 1976. 487 с.
8. Пичугин А.В., Платон В.М. Торфяные месторождения и их разведка. М.: Гос. энерг. изд-во, 1951. 496 с.
9. Лисе О.Л., Абрамова Л.И., Березина Н.И. и др. Болотные системы Западной Сибири и их природоохранное значение / Под ред. В.Б. Куваева. Тула: Гриф и К, 2001. 584 с.
Поступило 10.06.2009
Крамаренко Виолетта Валентиновна ([email protected]), к.г.-м.н., доцент, докторант, кафедра гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии, Институт геологии и нефтегазового дела Томского политехнического университета.
Influence of botanical composition on physical properties of реаt
V.V. Kramarenko
Abstract. Settlement of territory West Siberia is complicated by wide spreading marsh, which peat sediments vary on composition and properties. Knowledge of features physical characteristics of different groups of peat it is necessary on early stages of designing constructions for preliminary calculation of soil bases. In work arc presented results of research physical characteristic of peat from moss, herbal and wood groups; arc discovered relationships between botanical composition, ash contents, decomposition degree and physical properties of peat.
Keywords: peat, botanical composition, ash content, decomposition degree, physical properties, correlation of characteristics.
Kramarenko Violetta ([email protected]), candidate of geological and min-cralogical sciences, associate professor, department hydrogeology and engineering geology and hydrogcoccology, Institute of Geology and Oil &; Gas Industries of Tomsk Polytechnic University.
