1.3.2. Стан газів в грунтах

Гази в порах ґрунтів можуть знаходитися у вільному, адсорбо­ваному і затисненому стані; вони можуть бути присутній у воді, заповнюючої пори, у вигляді дрібних пухирців або в розчиненому стані. Гази в адсорбованому і затисненому стані роблять певний вплив на властивості ґрунтів.

Адсорбовані гази утримуються на поверхні ґрунтових частинок під впливом молекулярних сил. Завдяки цим си­лам в сухому ґрунті на поверхні частинок утворюються полімолекуляр­ні газові плівки нижні шари яких знаходяться під тиском в декілька десятків або навіть сотень мегапаскалей; верхні шари менш міцно пов'язані з ґрунтовими частинками. Кількість адсорбованих газів в ґрунтах залежить від їх мінерального складу, присутності гумусу і інших органічних речовин, від дисперсності і величини пористості ґрунтів. Значну адсорбційну здатність мають окисли заліза і органічні речовини. Звичайно вміст адсорбованих газів в ґрунтах підзолистої смуги коливається від 2 до 7 см3 на 100 г ґрунти а для чорнозему в межах 8 - 15 см3 на 100 г ґрунти. Із зростанням дисперсності гранта кількість адсорбованих газів в ньому збільшується. Для кварцового дрібнозернис­того піску зміст адсорбованих га­зів був менше 1 см3 на 100 г, тобто в кілька разів менше його звичайного вмісту у ґрунтах.

Інтенсивність адсорбції елементів, складаючих газову компоненту, на поверх­ні мінеральних частинок відбувається за ря­дом: CO2>N2>O2>H2. Тому адсорбо­вані гази за складом відрізняються від газів, що знаходяться у вільному стані. Найбільша кількість адсорбо­ваних газів міститься в абсолютно сухих ґрунтах; при вологості 5 - 10% вміст рівний нулю.

При повному заповненні пір водою і при нульовій вологості затиснених газів в ґрунті не міститься. Затиснені гази можуть займати в глинястих ґрунтах 20 - 25% від об'єму пір. Видалити адсорбовані і затиснені гази з ґрунту за допомогою зовнішнього тиску достатньо важко. Наявність в ґрунтах адсорбованих і затиснених газів обумовлює багаторічне осідання насипів з глинястих ґрунтів, дефор­мації і розриви земляних насипів, зменшення водопроникності ґрунтів.

1.4. Жива компоненту грунту

1.4.1. Макроорганізми в грунтах

Жива компоненту ґрунтів складається з макро- і мікроорганізмів. Макроорганізми живуть в ґрунті і товщі підґрунтя; їх вплив на склад будова і властивості ґрунтів обмежується декількома метрами від денної поверхні. Воно може бути значним. Оцінити інженерно-геологічні особливості ґрунтів можна, тільки знаючи дію на них організмів. Проте, вплив макроорганізмів на породи незрівнянно менше ніж мікроорганізмів.

1.4.2. Мікроорганізми в грунтах

Мікроорганізми - це група, об'єднуюча живі організми, які видні тільки під мікроскопом, оскільки їх розмір визначається декількома або навіть частками мікрона. Склад мікроорганізмів, що мешкають в ґрунтах і гірських породах, надзвичайно різноманітний: це - бактерії, актиноміцети, гриби, во­дорослини, дріжджі, віруси, найпростіші тварини, що складаються з дрібних фізіологічно стійких амеб, джгутиконосців, інфузорій і «протозойної фауни».

Мікроорганізми діляться на гетеротрофні і автотрофні. Розвиток автотрофних мікроорганізмів відбувається за рахунок світлової енергії, або енергії окислення ряду неорганічних з'єднань (водню, сірки, аміаку, заліза і ін.). Гетеротрофні мікроорганізми використовують для своєї життєдіяльності різні органічні речовини, їх окремі представники дуже різноманітні по властивостях, можуть розвиватися як в присутності, так і у відсутності кисню. Багато гетеротрофних мікроорганізмів, що мешкають в ґрунтах, здатні розвинутись в дуже бідних живильними елементами розчинах (концентрація органічних речовин в розчині може складати не більше 5 мг/л). Це - олиготрофні мікроорганізми звичайно розташовані на поверхні мінеральних частинок і отримують живлення з розчинів.

Широкий діапазон умов, в яких живуть і функ­ціонують мікроорганізми. Різні їх представники можуть існувати і в аеробах (у присутності кисню), і в анаеробних (без доступу кисню) умовах. Зустрічаються мікроорганізми, що розвиваються при негативних температурах (-7°С) і мікроорганізми, що живуть в гарячих джерелах при температурах, перевищуючих 90°С. Ця обставина обумовлює можливість проникнення мікроорганізмів на великі глибини.

Розповсюдження і переміщення мікроорганізмів в земній корі зв'язано з фільтрацією підземних вод. Передбачається, що розселення мікробів в підземних водах через області живлення почалося з докембрія і продовжується в даний час. Майже всі підземні води протягом геологічної історії свого формування зазнавали біогенне перетворення складу. В підземних водах виявляються різноманітні мікро­організми представляють різні фізіологічні і системати­чні групи; кількість їх коливається від десятків тисяч до мі­ліона в 1 мл води.

Діяльність анаеробних мікроорганізмів на значних глибинах приводить до створення у величезних кількостях метану, кот­рий або утворює підземні скупчення газів, або дифундує в зону аероба і там окислюється специфічною мікрофлорою (метілотрофними мікроорганізмами).

Найбільш різноманітні мікроорганізми в ґрунті, де вони вмістяться в найбільшій кількості і де їх діяльність протікає інтенсивно. Лише на порядок менше мікроорганізмів міститься в ґрунтовій товщі, що залягає безпосередньо під ґрунтом. Мікроорганізми знайдені у всіх вивчених типах ґрунтів: морені, лесах, стрічкових глинах, піщаних і глинястих алювіаль­них відкладеннях. Вміст їх неоднаково в різних ґрунтах, в часі і по глибині і досягає 107 - 108 экз. в 1 г ґрунту що нижче, ніж в ґрунті, але вище, ніж в природних водах. На відміну від ґрунтів, де число мікроорганізмів різко падає вниз за профілем, в ґрунтах зміна їх чисельності не представляє затухаючу криву. Можна припустити, що за межами ґрунтового профілю, в самій верхній частині розрізу літосфери, розподіл бактерій не залежить від глибини залягання порід. У ряді випадків, при підвищенії вологості чисельність мікроорганізмів збільшується з глибиною.

Велика частина мікроорганізмів в ґрунтах може бути представлений формами, що захороненні. Сучасна діяльність (розробка рудних покладів, будівництво шахт, метро, створення дренажних систем, прокладка трубопроводів і т. п.) змінює сталу в ній рівновагу, відкриває доступ в більш глибокі горизонти кисню, органічної речовини і інших джерел живлення мікроорганізмів, і це активізує діяльність мікроорганізмів.

Незалежно від цього частина мікробів знаходиться в ґрунтах в активному стані, про що свідчать такі факти, як наявність в ґрунтах ряду ферментів в кількостях, іноді порівнянних з їх вмістом у ґрунті; зміна чисельності мікроорганізмів в часі, що зв'язано, ймовірно, з надходженням води фільтрації і розчинених в ній живильних речовин; наявність в ґрунті ділиться клі­тинок, що встановлено при електрономікроскопічному вивченні тонких зрізів.

Мікроорганізми мешкають в ґрунтах і породах або в порових розчинах, або в адсорбованому стані на поверхні твердих частинок. Вони можуть викликати руйнування мінералів в результаті своєї життєдіяльності. Самим універсальним заходом витягання мінеральної їжі є непряма дія мікрофлори на мінерали, що відбуваються за допомогою з'єднань про­дуцюємих мікроорганізмами в процесі обміну речовин і представ­ляють собою сильні хімічні реагенти (мінеральні і орга­нічні кислоти, біогенні луги, феноли і т. д.). Руйнування мінералів можливо аж до повного їх розкладання. В природі не існує абсолютно стійких мінералів. В тому або іншому ступені навіть найміцніші з них, такі, як алюмосилікати і кварц, руйнуються, хоча і з меншою швидкістю, ніж інші.

Під дією мікроорганізмів можливо перетворення одних мінералів в інші при переважному винесенні з мінералу елементів. Наприклад, встановлена можливість під впливом мікроорганізмів перетворення біотиту у вермикуліт.

Мікроорганізми здібні і до мінералоутворення. Таке мінералоутворення найбільш широко поширено при виникненні карбонатних мінералів. При надлишку сірки накопичення карбонатів відбувається в процесі сульфат редукції при цьому клітки бактерій інкрустовані кристалами кальциту і агре­гатами арагоніту. Можливі і інші механізми утворення відкладень карбонатів з участю мікроорганізмів.

Велике значення для міцністних властивостей ґрунтів мають процеси окислення заліза і марганцю, здійснювані багато мікро­організмами, внаслідок чого утворюються лимоніт, гетит, піролюзит і інші мінерали. В цих процесах велике значення мають мікроорганізми роду Metallogenium, які здатні накопичувати помітні кількості оксидів алюмінію, з чим може бути зв'язано утворення латеритних бокситів.

Залізобактерії можуть розвинутись у водопровідних і дренажних трубах за рахунок окислення відновленого заліза, що поступає в труби разом з підземними водами, а також залоза самих труб. Осідання окисного заліза, що утворюються, закупорюють труби.

Широкий розвиток має в природі процес агрегації міне­ральних частинок під впливом діяльності мікроорганізмів. Цей процес може відбуватися за рахунок склеювання частинок продуктами життєдіяльності мікроорганізмів (особливо полісахаридами) при адсорбції мікроорганізмів на поверхні твердих частинок. Адсорбційна здатність ґрунту по відношенню до мікроорганіз­мів залежить як від їх видового складу, так і від змісту глинястих мінералів і дисперсності ґрунту, рН середовища, складу обмінних катіонів і розміру капілярів. Найбільшу адсорбційну здатність мають мінерали групи монтморилоніту. Частинки кварцового піску розміром 50 - 100 мкм слабо поглинають бактерійні клітки, розміром 1,5 - 50 мкм - сильно, а части­нки, розміром менше 1,5 мкм (приблизно рівні бактерійним клітин­кам) зовсім не поглинали бактерій. Існує значення рН, при якому у кожному конкретному випадку мікроорганізми адсорбуються в найбільшій кількості. Із збільшенням валентності обмінних катіонів адсорбційна здатність мікроорганізмів зростає. При розмірі капілярів менше 5 мкм адсорбція мікроорганізмів закінчується.

Механічна міцність ґрунтів може зменшуватися за рахунок ви­ділення мікроорганізмами поверхнево-активних речовин. Найбільш досліджені в цьому відношенні мікробні полісахариди, яким надається велике значення в структуроутворювачі у ґрунті.

Мікроорганізми можуть змінювати пористість ґрунтів, підвищуючи її при руйнуванні мінералів, при цьому спостерігалося збільшення пористості до 15%. Отже, мікроорганізми можуть зумовити набрякання ґрунту, створивши необ­хідний тиск набрякання. Пористість може також зменшуватися унаслідок заповнення пір клітинною масою і продуктами життєдіяльності.