книги из ГПНТБ / Бабинец А.Е. Гидрогеологические и геохимические особенности глубоководных отложений Черного моря

Результаты валового химического анализа образцов донных осадков Черного моря

Стан­
ция	Интервал, см

1629 120—135

250—265

338—348

350—370

508—522

588—600

647—660

1632 40—50 160—170 210—220

1633 24—30 240—250 530—540

—

Состав ила		SiO,	т ю 2	А12 Оэ	Fe.O,
Глинистый	серый	42,14	0,73	13,62	6,98
»	»	8,82	0,22	3,73	2,13
»	тонкослоистый	40,61	0,59	13,71	6,17
»	серый	40,42	0,63	13,43	6,59
»	зеленовато-серый	43,25	0,62	14,83	6,59
Алевритово-глинистый черный		44,42	0,59	14,83	6,98
Глинистый светло-серый		13,06	0,30	5,41	2,51
Глинистый	тонкослоистый	25,27	0,44	8,95	3,87
»	зеленовато-черный	49,04	0,68	16,04	6,38
«	серый	33,69	0,68	11,85	7,70
Глинистый	серый	46,69	0,62	16,32	6,81
»	темно-серый	45,95	0,68	15,86	6,55
тонкослоистый черный		25,69	0,45	9,38	3,91

ский эффект при температурах 100, реже ПО, 125, 130—140 и при

70—90° С (кривые /	и 2). Менее	четок второй эндотермический
эффект в интервале	500—700° С с	эндотермическими пиками при

600, 650—670° С (кривые 2—4) и лишь в некоторых случаях (кри­ вые /, 5, 9, 10, 12) — при 700—720 и 780° С (кривая 1). Экзотерми­ ческие эффекты наблюдаются в интервале 800—900° С (кривые 1—4 и 10—12), иногда с резко выраженными экзотермическими пиками при 830—860° и 700—800° С (кривые 5, 8, 13, 24, 25).

Наличие двух характерных эндотермических эффектов при 100, 130—140° и 500—700° С, без характерного для минералов группы каолинита экзотермического эффекта при 1000—1050° С, позволяет утверждать, что в исследованных образцах преобладают глинистые минералы монтмориллонитового ряда. Растянутый второй эндотер­ мический эффект в интервале 500—700° С и экзотермические эф­ фекты при 730—790° и 830—860° С свидетельствуют о возможном содержании гидрослюд и минералов группы хлорита. Намечающийся третий эндотермический эффект ниже 1000° С может свидетельство­ вать о наличии как фосфатов, так и гидрослюд. Таким образом, даже бескарбонатные фракции осадков по составу полиминеральны.

Согласно данным силикатного химического анализа, при высо­ ком содержании кремнезема содержание СаО в образцах понижено, и наоборот. Химический анализ донных осадков подтверждает нали­ чие глинистых минералов (табл. 1).

В результате этих исследований было установлено, что в гли­ нистых илах пелитовые фракции в основном состоят либо из карбо­ натов с примесью гидрослюд, либо из гидрослюд с примесью карбонатов. Значительно меньше монтмориллонита, галлуазита, као-

Т а б л и ц а 1

(% к сухому образцу)

МпО	MgO	CaO	Na.O	к2 о	Р А	п/гм	Сумма
0,09	6,26	9,30	2,15	2,20	0,24	16,74	100,45
0,02	1,38	37,93	2,20	0,61	0,26	42,63	99,93
6,07	3,93	10,77	2,16	2,33	0,33	20,00	100,67
0,09	5,15	11,22	2,06	2,25	0,26	17,80	99,90
0,08	4,19	9,89	2,42	2,01	0,26	16,59	100,08
0,13	4,99	8,71	2,27	2,01	0,26	16,46	99,65
0,02	2,02	34,24	1,95	0,83	0,24	38,52	99,10
0,02	2,44	3,98	3,77	1,63	0,39	49,17	99,93
0,08	3,50	6,94	2,33	2,47	0,33	12,36	100,15
0,08	3,85	6,94	2,52	1,90	0,53	30,53	100,27
0,09	3,98	6,35	2,22	2,58	0,26	14,5	100,07
0,07	3,85	7,27	2,50	2,46	0,32	14,53	100,04
0,02	2,87	3,69	4,42	1,68	0,29	48,27	100,77

линита, хлорита. В отдельных образцах отмечается высокое содер­ жание глинистых минералов. Органического вещества бывает до 5—7%, что часто затрудняет или делает совершенно невозможным проведение термического анализа вследствие нерастворимости ор­ ганики в органических растворителях.

В глинисто-алевритовых и алеврито-глинистых илах несколько возрастает доля хлорита, глинистых минералов, кварца и полевых шпатов. Рентгеноструктурным, термическим и электронномикроскопическим исследованиями глинистых фракций отложений Черного моря также установлено содержание монтмориллонита, гидрослюд, галлуазита, каолинита, кварца, хлорита и полевых шпатов.

Остановимся несколько подробнее на особенностях содержания различных форм органического вещества в глубоководных осадках. Предположение, что в глубоководных осадках Черного моря есть заметное количество органического вещества, возникает уже при микроскопическом изучении мазковых препаратов. Определение содержания органического углерода С о р г подтверждает это предпо­ ложение. В литературе имеются сведения о распределении СоР г по разрезу кернов, а также о качественном составе органического веще­ ства в черноморских отложениях.

В. Н. Флоровская и Ю. Н. Гурский [238] исследовали содержание Сорг и компонентный состав экстрагируемой части органического вещества в разрезах колонок отложений на четырех глубоко­ водных станциях. Они установили максимальное накопление би­ тумов в древнечерноморских осадках, где органическое вещество концентрируется в однородном слабоизвестковом глинистом иле. Выделяются две группы распределения по глубине: первая — с

30	31

резкими колебаниями содержания битумоидов, вторая — с довольно равномерным их содержанием. В колонках первой группы больше всего битумоидов всегда оказывается в сапропелевых прослоях в черном иле и микрослоистой глине. В колонках второй группы, если такие скопления и появляются, то они приурочены к известко- во-глинистым прослоям. Установлена прямая взаимосвязь содер­ жания Сорг с содержанием суммы гранулометрических фракций

						Т а б л и ц а 2
Содержание С о р г и карбонатность донных				осадков
Стан­		Состав ила			Карбонат­	^орг1	'°
	Интервал, см
ция					ность. %	по Кнопу	по Тюрину
1627	82--97	Глинистый	серый		15,2	2,17	2,19
	130--145	Алеврито-глинистый		темно-	20,2	2,50	2,61
		серый
	180--190	Глинистый	зеленовато-серый		25,6	3,15	3,35
	243--256	»	серый		16,4	1,90	1,93
	295--310	»	тонкослоистый		19,1	6,11	6,80
	329--340	»	светло-серый		19,1	3,28	3,40
	355--370	Глинистый	темно-серый		20,8	3,05	3,00
1629	20--35	Глинистый	серый		20,5	1,82	2,05
	120--135	»	»		20,9	1,30	1,38
	250--265				20,0	1,54	1,60
	338--348	»	тонкослоистый		19,2	7,65	7,70
	508--522	»	зеленовато-серый		10,0	2,60	2,73
	588--600	Алеврито-глинистый черный			17,3	0,92	1,12
	647--660	Глинистый	светло-серый		30,6	0,41	0,45
1632	0--15	Известково-глинистый		серый	62,25	3,85	4,0
	75--90	Глинисто-алевритовый		зеле­
		новато-серый			10,2	2,15	2,26
	250--265	Глинистый	серый		25,4	1,30	1,38
	343--355	»	светло-серый		30,6	0,35	0,41

0,01—0,005 и 0,005—0,001. Это наводит на мысль о том, что в дан­ ном случае поставщиком органического вещества могли быть кокколитофориды, поскольку их остатки составляют карбонатную массу именно этих фракций. Инфракрасные спектры поглощения показали наличие высокомолекулярных соединений типа кислот. Спектры люминесценции выявили высококонденсированные ароматические углеводороды — перилен и 1,12-бензиперилен.

Т. В. Дроздова с сотрудниками [104] исследовала компонентный состав органического вещества современных черноморских осадков на станциях 1309 и 1312. Повышенное содержание аминокислот хоро­ шо совпадает с содержанием С0 Р г, углеводов, растительных пиг­ ментов и гуминовых кислот. Спектры поглощения ацетоновых экс­ трактов подтверждают наличие хлорофилла. В образце станции 1309 выявлено двенадцать аминокислот, в образце станции 1312 — тр:і.

32

С0 рг в осадках мы определяли методом мокрого сожжения по Кнопу и в параллельных пробах методом Тюрина с индикатором дифениламином. Результаты анализов хорошо сходятся с литера­ турными данными и подтверждают повышенное содержание С о р г в сапропелевидных прослоях тонкослоистых илов древнечерноморского возраста (табл. 2).

Изучение распределения органического вещества в донных осад­ ках важно для понимания особенностей концентрирования микро­ элементов. Как будет показано далее, выявлена корреляционная зависимость между содержанием отдельных микроэлементов и со­ держанием в образцах пелитовой фракции и органических веществ. По-видимому, вследствие сорбции тонкодисперсная фракция взве­ сей, из которых формируется осадок, химически активна и всегда содержит много микроэлементов. Повышение их содержания в обо­ гащенных органическим веществом илах, возможно, является след­ ствием концентрации их живыми организмами. Далее мы более детально рассмотрим особенности разделения и концентрирования микроэлементов из порового раствора на поверхности дисперсной фазы и в органическом веществе донных осадков.

3 3-1361

Глава 111

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ И ВОДНЫХ СВОЙСТВ ДОННЫХ ОСАДКОВ

Глубоководные донные осадки представляют собою пол­ ностью водонасыщенное пористое вещество, поэтому основные фи­ зические свойства их в значительной степени обусловлены большим количеством воды. В результате взаимодействия входящей в состав осадка воды с поверхностью твердых дисперсных частиц вещество осадка в объеме приобретает некоторые специфические свойства, именуемые в гидрогеологии водными. Прежде всего приведем основные определения исследованных нами физических и водных свойств донных осадков.

Удельным весом осадка (о) мы называем среднее отношение веса твердых частиц к их объему. Удельный вес равен весу единицы объема скелета осадка при полном отсутствии пор, поэтому иногда говорят «удельный вес скелета». Удельный вес осадка зависит от минерального состава твердых частиц и возрастает с увеличением содержания в них тяжелых минералов. Зависит он также от наличия органических веществ, с увеличением содержания которых снижа­ ется.

Объемным весом влажного осадка (А) принято считать вес еди­ ницы объема осадка с естественной влажностью и ненарушенной структурой. Объемный вес влажного осадка зависит от его минераль­ ного состава, пористости и влажности. Осадки одинаковых минераль­ ного состава и пористости могут иметь различный объемный вес из-за разницы в их влажности и, наоборот, осадки с одинаковой влажностью могут различаться по объемному весу вследствие раз­ личия их минерального состава и пористости.

Различные исследователи, изучающие донные осадки, под влаж­ ностью (W) подразумевают величину, характеризующую содержание в осадке воды, исключая воду кристаллогидратов и конституцион­ ную. Практически это преимущественно вода, удаляемая при высу­ шивании образца. Однако расчет ее содержания можно производить либо относительно твердой части (скелета), либо относительно об­ щего количества образца. Так, С. В. Бруевич рассчитывал влажность относительно веса натурального осадка. Зачастую же авторы вообще

34

( 3 , 5 )

не упоминают, как определяется приводимая ими величина влаж­ ности донного осадка, что делает результаты несопоставимыми.

Мы используем понятие весовой влажности, принятое в гидрогео­ логии и грунтоведении. Под весовой влажностью осадка подразуме­ вается выраженное в % отношение веса воды, уделяемой из образца

при высушивании	при температуре 105° С, к весу этого же образца
после сушки. Для	краткости в дальнейшем мы будем пользоваться
в этом смысле термином «влажность».

Морской осадок представляет собой дисперсную систему, в состав которой входит твердая дисперсная фаза и жидкая дисперсионная среда. Объемные соотношения между ними характеризует величина, называемая пористостью (п) и определяемая отношением объема всех пор Ѵр к объему образца V:

п = \ .

(3,1)

В грунтоведении и механике грунтов для характеристики приве­ денной пористости используется понятие коэффициента пористости (или коэффициента приведенной пористости). Коэффициент пористос­ ти 8 определяется как отношение объема пор Ѵр к объему твердой фазы (скелета) Vs:

г =		.	(3,2)
Пористость и коэффициент пористости являются			взаимосвязан­
ными безразмерными величинами. Принимая во внимание, что
V = VP-VS,			(3,3)
имеем
1 - я '	п = ^ — .		(3,4)
	"	1

Поскольку влажность характеризует весовые отношения между дисперсной фазой и дисперсионной средой, а пористость и коэффи­ циент пористости — их объемные соотношения, очевидно, что между влажностью и пористостью должна существовать взаимосвязь. Действительно, учитывая объемный вес осадка А и удельный вес у поровой воды, можно записать

П - ( 1 + У ) Т - Эти величины определяют основные свойства статического со­

стояния осадка. В случае же относительного перемещения жидкой и твердой фаз пористой системы их уже недостаточно. Поэтому для случая течения жидкости в пористой среде осадка (фильтрации) вводится величина, характеризующая взаимодействие пористой сре­ ды с фильтрующейся через нее жидкостью. Она количественно опре­ деляет гидравлическое сопротивление пористой среды, входит в качестве постоянного множителя в уравнение закона фильтрации Дарси и называется коэффициентом фильтрации. Коэффициент фильтрации имеет размерность скорости, а его величина k зависит,

3*

35

с одной стороны, от свойств пористой системы, а с другой — от вязкости фильтрующейся жидкости.

Из величин, характеризующих прочностные свойства осадков, определялась пластическая прочность, или предельное напряжение

сдвига Рт.

Объемный вес, влажность, пористость, водопроницаемость и пла­ стическая прочность донных осадков связаны между собой функ­ циональными либо корреляционными зависимостями. Удельный вес осадков, в свою очередь, также зависит от свойств и состава поровых вод. Исходя из этого, совокупность перечисленных параметров, определяющих основные свойства натурального осадка, мы в даль­ нейшем изложении будем называть для краткости водно-физи­ ческими свойствами.

Перейдем к описанию использованных нами методик определения физических и водных свойств осадков.

Удельный вес осадка определялся пикнометрически. Образцы высушивали, измельчали в фарфоровой ступке, помещали в пикно­ метры второго класса емкостью 100 мл, наполняли очищенным обез­ воженным керосином и выдерживали в вакуумном эксикаторе при давлении менее 1 мм рт. ст. до прекращения выделения пузырьков воздуха. Пустой пикнометр, пикнометр с образцом, пикнометр, заполненный керосином, и пикнометр с навеской образца, заполнен­

ного керосином, взвешивали. Расчет						удельного веса выполнялся
по формуле
		Ô =				г-г ,	(3,6)
где g0 — навеска образца с поправкой						на гигроскопическую влаж­
ность, g2 — вес пикнометра					с образцом, заполненного		керосином
до метки, g3—		вес пикнометра, заполненного керосином, у — удель­
ный вес керосина, определяемый пикнометрически.
Навеска образца с поправкой на гигроскопическую влажность
определялась		следующим		образом:
		£	°	=	1 +o%w,%	'	^3,7*
где gt	— вес введенного		в пикнометр			грунта, W, % — гигроскопи­
ческая	влажность в процентах.
Как показано в [58—62], минерализация порового раствора и
прочно связанная вода влияют на точность определения							удельного

веса осадка. В нашем случае их суммарное влияние невелико, по­ скольку минерализация порового раствора не превышает 2—2,5%, а содержание прочно связанной воды в большинстве случаев не превышает 1 —3 %.

Объемный вес влажного осадка измерялся на свежих образцах условно ненарушенной структуры методом режущих колец. За­ метим, что структуру донных осадков, извлекаемых из грунтовых трубок, мы считаем ненарушенной лишь условно, поскольку как при ударе трубки о грунт, так и при извлечении керна из трубки

86

осадки подвергаются довольно значительным механическим воздей­ ствиям. Однако визуально изменение структуры не отмечалось.

При определении объемного веса использовались грунтовые коль­ ца из нержавеющей стали диаметром 30, 40, 50 и высотой 15 мм. Взвешивание производилось с точностью до 10 мг, объемы колец измерены с точностью 0,003 см3. Общая точность определения объем­ ного веса влажного осадка, полученная на серии контрольных из­ мерений, составляет 2%. Объемный вес рассчитывался по формуле

где g — вес осадка в объеме кольца, г; V — объем кольца, смэ. Диаметр колец не оказывал заметного влияния на точность опре­

делений.

Влажность	осадка	определялась путем высушивания образцов
в сушильном	шкафу	при температуре 105° С до постоянного веса.

Навески образцов помещались в алюминиевые бюксы, взвешивания производились на технических весах. Весовую влажность рассчи­ тывали по формуле

W = g 2 ~ g 3 • 100%,

(3,9)

где gx — вес бюкса, г; g2 — вес бюкса с влажным образцом, г; g3 — вес бюкса с высушенным образцом, г.

Весовую влажность определяли по свежим образцам.

Для оценки количества прочно связанной воды определялась гигроскопическая лабораторная влажность (w) по А. К. Ларионову. Керны образцов после отпрессовывания из них порового раствора высушивали до постоянного веса при температуре 110° С, а затем помещали в эксикатор над насыщенным раствором шестиводного кристаллогидрата азотнокислого магния, который обеспечивал по­ стоянную влажность воздуха 56% при температуре 18,5° С. В та­ ких условиях образцы приобретают гигроскопическую влажность,

приближенно соответствующую количеству прочно связанной	воды.
После стабилизации веса образцов их гигроскопическая	влаж­
ность (w) определялась весовым методом, как это описано	выше.

Коэффициент пористости рассчитывали по формулам (3,1), (3,2), (3,3), (3,4), (3,5). При этом использовались значения влажности W, объемного веса осадка А и удельного веса отжатого из образца порового раствора у.

Коэффициент фильтрации. На начальном этапе изучения глубо­ ководных осадков Черного моря мы пытались определить коэффи­ циент фильтрации при помощи стандартных фильтрационных при­ боров типа Ф-1М. Однако оказалось, что вследствие разницы давле­ ния фильтрующейся жидкости образец уплотняется, а сравнительно малый коэффициент фильтрации обусловливает очень низкую про­ изводительность измерений. Поэтому после нескольких опытов при­ шлось отказаться от стандартной методики определения коэффи­ циента фильтрации.

37

Стремясь приблизить условия измерения коэффициента фильтра­ ции к условиям, в которых находится осадок в его естественном за­ легании, мы воспользовались методом П. О. Бойченко [531 — по результатам компрессионных испытаний образцов. Сущность его со­ стоит в следующем. Производятся компрессионные испытания об-

е I

Ог £і

0.5

1,0

Р,Р Рг

Рис. 10. Компрессионная кривая (а) и кривая консолидации (б).

разца на приборе одноосного сжатия. По их результатам строятся компрессионная кривая и кривая консолидации (рис. 10). На оси ординат графика консолидации откладывается степень осадки

	0 =	St			(3,10)
где S{ — осадка	слоя для данного	момента	времени	t, S	полная
стабилизация осадка.
Вторая шкала по оси ординат строится для средних коэффициен­
тов пористости,	соответствующих	степени	осадки.	Коэффициент

пористости может быть определен через степень осадки следующим образом:

Q = — = 8 1 - е

(3,11)

Здесь г1 и е2 — начальный и конечный коэффициенты пористости,

соответствующие данной ступени уплотнения.	Следовательно,
е = гг — Q(ex — е2 ).	(3,12)

Средний коэффициент фильтрации k для заданной степени осадки Q рассчитывают по формуле

	cù/ig(l		+ е ) у	de	(3,13)
	4 (Р	-	Рг)	dt
	где h = -г-т— — приведенная	толщина		образца, h± — толщина об-

разца в начале опыта, у — удельный вес поровой воды, Р = Р 2 + + Рг — увеличение давления на образец, Рг — среднее приращение давления на скелет грунта при данном е, со — коэффициент, зави­ сящий от Q и от величины ß. Значения со табулированы П. О. Бой­ ченко [53].

38

Величина ß представляет собой отношение начального коэффи­ циента сжимаемости а н к конечному коэффициенту сжимаемости оск, Для всех степеней уплотнения, кроме первой,

ß = ^ - = ^ - .

(3,14)

Для первой ступени при Рг — О

Р = Х Т £ '

(3.15)

где Рс — коэффициент логарифмического уравнения компрессион­ ной кривой

г^А-ВЩРг-Р,). (3,16)

Производная

определяется по кривой консолидации путем

построения касательной в точке, соответствующей заданному зна­ чению 8 или Q, и определения тангенса угла между касательной и осью времени:

	=	(3,17)
Приближенно	можно определить	аналитически через малые

приращения

de Де

Выражение для fe(3,13) соответствует случаю двухсторонней фильтрации.

Компрессионные испытания образцов осадков производились на приборе одноосного сжатия типа К-1. Было установлено, что вслед­ ствие весьма малой структурной прочности осадков и зазора между боковыми поверхностями штампа и кольца штамп перекашивается и возникает трение его о кольцо, из-за чего нагрузка на поверхности образца распределяется неравномерно. Кроме того, при повышении нагрузки масса образца выдавливалась в зазор. Таким образом, результаты испытаний оказались непригодными для дальнейшей обработки, и пришлось отказаться от использования приборов ти­ па К-1. Большие размеры одометра и колец прибора, требующие значительного количества породы, также были одной из причин, ограничивших его использование.

В связи с этим нами была разработана малогабаритная установка для компрессионных испытаний осадков и получения поровых рас­ творов. Используя опыт по отжиманию поровых растворов морских осадков [27—31], мы сконструировали специальную ячейку для проведения компрессионных испытаний (рис. 11). Применение ци­ линдра и поршней из разнородных металлов (латунь и нержавеющая сталь), а также прокладок из фторопласта позволило уменьшить тре­ ние скольжения при хорошем уплотнении зазора между поршнем и цилиндром. Обычные бумажные фильтры были усилены металли-

39

Рис. 12. Установка для сжатия образцов		(блок-схема):
ИЧ — индикатор часовой, ЯЧ — ячейка, ГП — гидравлический пресс, Ви			В, — венти­
ли, M — манометр,	Д — датчик давления,	ПК — предохранительный	клапан,	ЭР —
9лектронное реле,	H — насос, ЭД — электродвигатель, ИР — исполнительное			реле.