6.4.Рельефы,Обусловленные деятельностью экзогенных сил.
Происходящие на Земле процессы и явления обычно являются звеньями единой сложной цепи процессов формирования рельефа местности с момента выхода ее из-под уровня моря.
Геологические процессы являются результатом геологической деятельности воды ,ветра ,температур и т.д. Появляются они в верхней части литосферы и оказывают определенное влияние на инженерные сооружения .Геологические процессы , возникновение и проявления которых связано с инженерной деятельностью человека ,наз. инженерно-геологическими. Природные геологические и инженерно-геологические процессы и явления тесно вязаны между собой и взаимно обусловлены.
При изучении этих процессов следует особое внимание уделять:
причинам их возникновения ,
динамики развития их во времени ,
количественной оценке их проявления ,
выбору предупреждающих мероприятий их проявления,
выбору инженерно-строительной деятельности человека на окружающую среду.
6.4.1.ПРОЦЕСС ВЫВЕТРИВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД.
В верхней части земной коры горные породы находятся в условиях взаимодействия с атмосферой, гидросферой и биосферой и претерпевают разрушения и изменения в своем составе и состоянии. Большинство горных пород, слагающих земную кору, образовалось на некоторой, иногда значительной глубине. Оказываясь в наружной части земной коры, они попадают в совершенно иные физико-химические условия и под влиянием различных факторов начинают разрушаться, подвергаться выветриванию — важному процессу внешней геодинамики.
Выветриванию способствует трещиноватость горных пород.
В магматических породах развиты контракционные трещины, образующиеся при сокращении объема в результате остывания магмы. Это трещины отдельности.
Для базальтов характерна столбчатая отдельность,
для гранатов — матрацевидная или плитчатая,
для некоторых диабазов — шаровая.
Кроме того, в ряде областей щироко развиты тектонические трещины, возникающие в результате движений земной коры. Чем гуще сеть трещин, тем легче протекают процессы выветривания.
Под выветриванием понимают совокупность сложных процессов физического разрущения, химического и биохимического разложения минералов и горных пород. Эти процессы вызываются рядом факторов:
суточными и сезонными колебаниями температуры;
механическим воздействием замерзающей поды,
разрастающейся корневой системы растений и т.п.;
химическим воздействием воды и газов — кислорода и углекислоты;
биохимическим воздействием органических кислот и других продуктов, образующихся при жизни растений и животных, а также при их отмирании и разложении.
В зависимости от воздействующих факторов в одних случаях происходит физическая дезинтеграция (распад) горных пород и образование обломков различной размерности, без изменения минерального и химического состава, в других — под влиянием химических и биохимических факторов происходит коренное изменение состава минералов и замещение их новыми.
Физическое выветривание вызывается разнообразными факторами. В зависимости от природы воздействующего фактора характер разрущения горных пород при физическом выветривании различен. В одних случаях процесс разрущения происходит внутри самой горной породы без участия внещнего механически действующего агента. Сюда относится изменение объема составных частей породы, вызываемое колебанием температуры, такое явление может быть названо температурным выветриванием. В других случаях горные породы разрушаются под механическим воздействием посторонних агентов. Такой процесс может быть условно назван механическим выветриванием.
Температурное выветривание происходит под воздействием суточных и сезонных колебании температуры, вызывающих неравномерное нагревание и охлаждение горных пород. При этом минеральные зерна, слагающие горные породы, испытывают то расширение при повышении температуры, то сжатие при ее понижении. Наибольшему разрушению в результате температурного выветривания подвержены полиминеральные горные породы, такие, как граниты, габбро, гнейсы и др.
в результате длительного воздействия колебаний температуры взаимное оцепление отдельных минеральных зерен в горной породе нарушается, она растрескивается и распадается на отдельные обломки. На интенсивность температурного выветривания влияют также окраска горной породы и размеры слагающих ее минеральных зерен. Под влиянием солнечных лучей значительно сильней нагреваются темноцветные минералы. Вследствие этого быстрее разрушаются темноокрашенные, а также крупнозернистые горные породы. Температурное выветривание наиболее интенсивно протекает в областях, характеризующихся резкими контрастами температур, особенно суточных, сухостью воздуха и отсутствием или слабым развитием растительного покрова, смягчающего температурное воздействие на почвы и горные породы.
Механическое выветривание происходит под механическим воздействием посторонних агентов. Особенно большое разрушительное действие оказывает замерзание воды. Когда вода попадает в трещины и поры горных пород, а потом замерзает, она увеличивается в объеме, производя при этом огромное давление. Такая сила преодолевает сопротивление горных пород на разрыв, и они раскалываются на отдельные обломки. Наиболее интенсивное расклинивающее действие производит замерзающая вода в трещинах горных пород. Но под влиянием замерзающей воды легко дробятся и породы с высокой пористостью, в которых перовое пространство занимает 30% объема (песчаники и другие осадочные породы). Процессы, связанные с воздействием периодически замерзающей воды, часто называют морозным выветриванием. Оно наблюдается в высоких полярных и субполярных широтах, а также в горных районах выше снеговой линии, где в ряде случаев проявляется и температурное выветривание. Здесь нередко встречаются огромные пространства, сплошь покрытые обломками горных пород, представляющие собой глыбовые и щебнистые развалы.
Механическое воздействие на горные породы оказывают корневая система деревьев и роющие животные. По мере разрастания деревьев увеличиваются в размерах их корни. Они давят с большой силой на стенки трещин и раздвигают их как клинья и тем самым вызывают раскалывание породы на отдельные глыбы и обломки. Часть таких глыб выталкивается вверх. Механическое воздействие оказывают и различные роющие животные, такие, как земляные черви, муравьи, грызуны и др.
Разрушение пород вызывает также рост кристаллов в капиллярных трещинах и порах. Это хорошо проявляется в условиях сухого климата, где днем при сильном нагревании капиллярная вода подтягивается к поверхности и испаряется, а соли, содержащиеся в ней, кристаллизуются. Под давлением растущих кристаллов капиллярные трещины расширяются, что и приводит к нарушению монолитности горной породы и ее разрушению.
Химическое выветривание обычно сопутствует физическому. Главными факторами химического выветривания являются вода, кислород, углекислота и органические кислоты, под влиянием которых существенно изменяются структура и состав минералов и образуются новые минералы, соответствующие определенным физико-химическим условиям. Важнейший фактор химического выветривания — вода, которая в той или иной степени диссоциирована на положительно заряженные водородные ионы и отрицательно заряженные годроксильные ионы. Особенно возрастает интенсивность химического выветривания, когда в водном растворе присутствуют кислород, углекислота и органические кислоты, которые обладают большой активностью и во много раз повышают диссоциацию воды. В зависимости от реакции среды в процессе выветривания возникают различные характерные ассоциации минералов.
Процессы, протекающие при химическом выветривании, заключаются в следующих основных химических реакциях: окислении, гидратации, растворении, гидролизе.
Процессы окисления наиболее интенсивно протекают в минералах, содержащих закисные соединения железа, марганца и других элементов. Например, сульфиды в кислой среде становятся неустойчивыми и постепенно замешаются сульфатами, окислами и гидроокислами. Этот процесс можно схематически изобразить следующим образом:
FeS2 +nО2 + mH2->FeSo4 -> Fe2(SO4)3 -> Fe2O3 • n H2O
Пирит сульфат сульфат бурый
закиси окиси железняк
железа железа (лимонит)
На первой стадии получаются сульфат закиси железа и серная кислота (H2SO4). Наличие серной кислоты значительно усиливает интенсивность выветривания, способствует дальнейшему разложению минералов. На второй стадии сульфат закиси железа переходит в сульфат окиси железа, который оказывается неустойчивым и под действием кислорода и воды переходит в водную окись железа — бурый железняк. Многие осадочные породы, такие, как пески, песчаники, глины, мергели, содержащие отдельные включения железистых минералов, бывают часто окрашены в бурый или охристый цвет, указывающий на окисление включений железистых минералов.
Гидратация — это процесс присоединения воды к первичным минералам горных пород и образование новых минералов.
Можно привести следующие примеры гидратации: переход ангидрита в гипс по реакции
СаSO4 + 2Н2О —>Са SO4• 2Н2O реакция обратима при изменении условий. При гидратации объем породы увеличивается и покрывающие отложения деформируются.
Под влиянием воды, содержащей углекислоту, происходит растворение горных пород. Растворение особенно интенсивно проявляется в осадочных гордых породах - хлоридных, сульфатных и карбонатных. Наибольшей растворимостью отличаются хлориды: соли натрия, калия и др. За хлоридами по степени растворимости стоят сульфаты, п частности гипс, за которыми следуют карбонатные породы: известняки, доломиты, мергели. В результате растворяющей деятельности поверхностных и подземных вод на поверхности растворимых пород образуются специфические формы рельефа: борозды, воронки, котловины, а в глубине каналы и пещеры. Этот процесс называется карстом.
Сложный процесс гидролиза особенно большое значение имеет при выветривании силикатов и алюмосиликатов. Он заключается в разложении минералов, выносе отдельных элементов, а также в присоединении гидроксильных ионов и гидратации. В ходе гидролиза первичная кристаллическая структура минерала нарушается и перестраивается и может оказаться полностью разрушенной и заменена новой, существенно отличной от первоначальной и соответствующей вновь образованным гипергенным минералам. В ряде случаев гипергенное преобразование силикатов и алюмосиликатов под влиянием воды, углекислоты и органических кислот протекает стадийно с образованием различных глинистых минералов
Биохимическое выветривание на горные породы начинается уже с появления на скальных поверхностях горных пород различных микроорганизмов, лишайников и мхов. В результате такого воздействия на скальной поверхности породы после их отмирания появляются углубления, заполненные сухим органическим веществом. Все это подготавливает условия для последующего заселения скал высшими растениями и сопутствующей им фауной. Роль организмов в биохимическом выветривании определяется тем, что они поглащают из разрушаемой породы химические элементы в соответствии со своими биологическими потребностями (как питательные вещества).
Следует отметить, что организмы участвуют не только в разложении первичных минералов и усвоении их элементов, но и в построении из этих элементов, которые после отмирания и минерализации органического вещества сохраняются в виде особых биогенных соединений. Таким образом, биологический круговорот веществ, свойственный верхней части коры выветривания и
особенно почвенного покрова, характеризуется определенной цикличностью и направленностью развития — от поглащения живыми организмами элементов из разрушаемых пород до отмирания организмов, минерализации органических веществ и возврата элементов в окружающую среду в новом качестве.
Большое значение в процессах биохимического выветривания имеют:
1) выделение при фотосинтезе кислорода;
2) образование органических кислот и СO2 при отмирании растений и при разложении органической массы, переработке ее микроорганизмами.
Наличие органических кислот и СО2 значительно усиливает растворение и гидролиз первичных и вторичных минералов. Таким образом, воздействие органического мира на горные породы сводится или к физическому (механическому) разрушению их, или к химическому разложению. Следует еще раз подчеркнуть условность подразделения процессов выветривания на физические, химические и биохимические. Это единые сложно взаимосвязанные процессы, действующие одновременно, особенно в верхнем слое почвы и материнских пород.
В процессе физического и химического разрушения горных пород накапливаются продукты выветривания — остаточные, которые остаются на месте горных пород. Эти остаточные, несмещенные продукты выветривания, представляющие собой один из важных генетических типов континентальных отложений, называются элювием. Всю совокупность различных элювиальных образований верхней части литосферы называют корой выветривания. Формирование кор выветривания протекает сложно и зависит от комплекса природных факторов — состава горных пород, рельефа, климата, грунтовых вод, биоса и движений земной коры.
Состав элювиальных образований, слагающих коры выветривания, и их мощность изменяются в зависимости от сочетания различных факторов. Наиболее благоприятны для формирования мощных кор выветривания сочетание высокой температуры и большой влажности, относительно выровненный рельеф — выровненные площади на месте древних горных сооружений, обширные уплощенные водоразделы материковых равнин, высокие плато и плоскогорья в областях так называемых возрожденных гор, обилие растительного покрова и большая величина его отпада, полиминеральные магматические и метаморфические исходные горные породы и длительности периода выветривания.
Под элювиальными грунтами понимают грунты, являющиеся продуктами выветривания скальных пород, оставшимися на месте своего образования и сохранившими в той или иной степени в коре выветривания структуру и текстуру исходных пород, а также характер их залегания.
к специфическим особенностям элювиальных грунтов относятся: пониженная несущая способность по сравнению с исходными породами, большая изменчивость степени выветрелости по площади и глубине, резкая неоднородность их свойств, невыдержанность отдельных слоев по мощности, резкая изменчивость глубин залегания подошвы выветрелых грунтов, возможность проявления плывунных свойств и пучинистости, резкое снижение прочностных свойств грунтов при замачивании, наличие реликтовой структуры и текстуры коренных пород.
По структуре коры выветривания подразделяются на площадную и линейную. Площадная кора выветривания имеет вертикальную зональность, близкое к горизонтальному залегание границы коры со скальными породами, сравнительно небольшую глубину выветривания. Линейная кора выветривания имеет горизонтальную зональность, т.е. смену зон выветривания, характеризуется большой глубиной выветривания и вытянутостью в плане.
Различают древние коры выветривания и современные (четвертичные), в формировании которых, а следовательно, и в строении существуют значительные различия.
Древние элювиальные грунты распространены, как правило, в пределах плоских водораздельных равнин, на щитах и связаны с мезозойскими и кайнозойскими отложениями. Они могут залегать с поверхности или располагаться на любых глубинах, под покровом четвертичных и более древних по возрасту грунтов. В горноскладчатых областях они располагаются в пределах тектонических опускании, где погребены покровом более молодых отложений.
Современные элювиальные грунты сформировались преимущественно под воздействием процессов физического выветривания и выщелачивания и связаны в основном с выходами на поверхность осадочных, магматических и метаморфических пород.
Распространение элювиальных грунтов по площади, мощность, степень их изменения в плане и по глубине зависят как от климатических, так и от геологических факторов.
В осадочных породах арктических и пустынных районов преобладает физическое выветривание, для магматических пород в тропических областях характерно химическое выветривание. В платформенных областях коры выветривания распространены на значительных площадках, а в складчатых областях развивается линейный тип коры выветривания. В первом случае элювиальные грунты имеют площадное распространение, площадь их практически не изменяется в плане, во втором — формируются «карманы», «гнезда» и прослойки выветрелых грунтов, которые связаны с определенными литологическими разностями пород и зонами тектонических нарушений.
в вертикальном разрезе (или профиле) коры выветривания выделяют несколько зон выветривания, каждая из которых характеризуется совершенно с определенными инженерно-геологическими свойствами. Е.М. Сергеев (1978) предлагает выделять три зоны коры выветривания: дисперсную, обломочную и трещиноватую (рис. 22).