1.5. Грунт як багатокомпонентна система

1.5.1. Взаємодії компонент грунту

Будь-який ґрунт представляє многокомпонент­ну систему. Це не означає, що його слід розглядати як просту сукупність твердої, рідкої, газової і живої складових. Усі компоненти в ґрунті знаходяться у тісному взаємозв'язку один з одним і утворюють гетерогенну фізично і хімічно активну

динамічну систему з термодинамічною рівновагою, що постійно змінюється. Властивості такої системи багато в чому визначаються відносним змістом окремих компонент, а також характером і інтенсивністю їх взаємодії між собою. Серед них слід виділити процеси хімічної і фізико-хімічної природи.

Хімічні взаємодії компонент. Хімічна взаємодія компонент йде головним чином у верхній частині земної кори, що характеризується швидкою зміною термодинамічних умов. У ре­зультаті взаємодій розвиваються процеси хімічного звітрювання порід, істотно змінюючи їх склад, будову і властивості.

Гідроліз. В основі процесу гідролізу полягає у хімічній взаємодії між твердими і рідкими компонентами ґрунту, що приз­водить до розпаду мінералів і винесення з породи деяких елементів в розчиненому вигляді. Найбільш широко йде гідроліз у силікатів і алюмосилікатів. В основі гідролізу лежить висока реакційна здатність іона водню, що утворюється при дисоціації молекул води. Через свій виключно малий розмір іон водню може легко проникати в кристалічні грати мінералу і розривати зв'язки між окремими атомами структури. Ці умови виявляються най­більш сприятливими у мінералів, що містять по-перше, крупні катіони і, по-друге, мають найбільшу кількість дефектів в структурах, - алюмокисневі тетраедри, октаедри з ізоморфнозаміщені катіонами, дислокації і т.д.

Гідроліз основних породоутворюючих мінералів носить багатостадійний характер. Так, польові шпати і слю­ди при гідролізі переходять спочатку у мінерали проміжного ряду (наприклад, гідрослюди), які надалі розпадаються на као­лініт і розчинні у воді карбонати і бікарбонати. Гідроліз залізомагнезиальних силікатів (амфіболів, піроксенів, олівіна) протікає з утворенням глинястих мінералів монтморилонітового ряду.

Окислення. В основі процесу окислення лежить хімічна взаємодія газової і твердої компонент ґрунту. Поверхневі води, які інфільтруються крізь зону звітрювання, завжди збагачені розчиненим киснем здатним вступати з деякими мінералами, перш за все сульфідами, в окислювальні реакції з утворенням кисневих з'єднань (сульфатів, карбонатів, гідрокиснів і ін.).

Процес окислення при цьому розвивається багатостадійно. Вплив на процеси надає органічну речовину, діючу як сильний відновний агент, сприяючий перекладу заліза з окисної форми в закисну. Окислювальні процеси інтенсивно розвиваються тільки до певної глибини від поверхні.

Інфільтраційні води більш глибоких горизонтів витрачають вільний кисень і втрачають свою окислювальну здатність. Тому в земній корі існує межа, вище якої йдуть процеси окислення, а нижче - процеси відновлення.

Розчинення. Взаємодія рідкої і газової компонент з мінералами гірських порід за певних умов приводить до розчинення останніх. Найбільш широко цей процес розвинутий у зонах інтенсивного водообміну і в ході звітрювання при гіпергенних перетвореннях мінералів.

У основі розчинення лежить взаємодія мінералів з водою, в результаті якого відбувається ослаблення енергії зв'язку іонів і молекул в структурі. Під впливом енергії теплового руху такі іони і молекули можуть втрачати зв'язок і йти в розчин. Енергія, необхідна для розчинення, виділяєть­ся в процесі гідратації іонів і молекул мінералу розчинником. Процес розчинення багато в чому визначається складом і властивостями твердої компоненти ґрунту, а також розчинника, і вмістом в ньому газової компоненти.

Серед породоутворюючих мінералів гірських порід найбільшу розчинність мають прості солі (галоїди, сульфати, кар­бонати), у яких переважаючим типом хімічних зв'язків між атомами є іонний зв'язок.

Вплив розчинника на розчинність порід виявляється через його діелектричні властивості: чим вище діелектрична здатність рідини, тим більшою енергією гідратації і, отже, розчинюючою здатністю вона володіє. Цим пояснюється те, що вода, яка має високу діелектричну проникність, має значно більшу розчинювальну здатність, ніж більшість непо­лярних розчинників.

Фізико-хімічні явища на межі мінерал - вода. Крім хімічних взаємодій на міжфазній поверхні мінерал - вода йдуть різні фізико-хімічні процеси, такі, як адсорбція, осмос і іонний обмін. Розвиток їх залежить від дисперсності твердої фази ґрунту і помітно зростає із збільшенням сумарної питомої поверхні системи. Тому фізико-хімічні явища на межі мінерал - вода найбільш характерні для тонкодисперсних утворень, таких як глинясті породи, леси, ґрунти. Фізико-хімічні взаємодії призводять до утворення зв'язаної води і дифузного шару іонів, а також розвитку обмінних процесів на поверх­ні мінералів, що впливають на міцність, дефор­муємість і інші властивості тонкодисперсних ґрунтів.

Гідратація мінералів. Гли­нясті і інші тонкодисперсні мінерали при взаємодії з водою адсорбують на своїй поверхні полярні молекули води, що призводить до їх гідратація, тобто на поверхні частинок суцільної гідратної плівки зв'язаної води, відмінної по своїх властивостях від вільної води.

В основі гідратації лежать водневі іон-дипольні і диполь-дипольні взаємодії між молекула­ми води і активними адсорбційними центрами поверхні тонко­дисперсних мінералів. У глинястих мінералів виділяється три основних типи центрів адсорбції: а) катіони-компенсатори структурного заряду, що знаходяться на поверхні і в міжшаровому просторі мінералів, б) атоми кисню і гідроксильні групи базальних поверхонь мінералів, в) валентноненасичені атоми бічних мінералів.