До сих пор мы говорили о закономерностях размещения факторов ИГУ, обусловленных тектоническим режимом и историей геологического развития отдельных геологических структур. Какое же влияние оказывает на эту закономерность ландшафт и климат?
Еще в 1883 г. В.В. Докучаев обнаружил, что климат, почвы, растительность меняются с СЗ на ЮВ. Эти изменения носят закономерный характер, подчиняясь географической (климатической) зональности.
На территории бывшего Советского Союза в направлении с СЗ на ЮВ можно выделить следующие основные климатические зоны: тундры, лесов, степей, пустынь и субтропиков. Комплекс процессов, формирующих ИГУ каждой зоны, своеобразен и определяется наличием тепла и влаги. Тепловой режим пород обусловлен соотношением поглощения радиационной (лучистой) энергии солнца и теплового излучения почвы. Тепловая энергия, поступающая изнутри земного шара на поверхность, составляет всего 55 кал/см2 в год. Поверхность земли ежегодно получает определенное количество солнечной энергии. В результате разнообразных потерь фактическое поступление солнечной энергии на поверхность пород много меньше. Способность почвы поглощать лучистую энергию солнца оценивают отношением количества отраженной энергии к количеству поступающей энергии. Это отношение в процентах называется отражательной способностью (альбедо). Чем меньше отражательная способность, тем сильнее нагреваются породы.
|
|
Излучение тепла почвой зависит от состава, влажности пород и строения их поверхности. Разность между количеством поглощенной солнечной радиации и ее излучением называют радиационным балансом. Радиационный баланс расходуется на испарение воды, нагревание породы и отдачу тепла в атмосферу. В среднегодовом цикле радиационный баланс пород (почв) равен нулю, так как не происходит их чрезмерного разогревания или охлаждения. Величина радиационного баланса возрастает от полюса кэкватору. Расход тепла на испарение в различных географических зонах также неодинаков. Все это в значительной степени определяет ход химических реакций и образование различных генетических типов почв, некоторых поверхностных отношений (лессы), подземных вод, физико-геологических процессов и т.д. Следовательно, зональные (климатические) факторы играют весьма существенную роль в формировании инженерно-геологической обстановки. Изменение этих факторов по зонам соответственно приводит к изменению ИГУ.
Рассмотрим кратко особенности природных условий каждой зоны.
Зона тундры характеризуется суровым климатом, осадков выпадает немного: от 500 мм на Кольском полуострове до 200–300 мм на Урале и в Сибири. Влажность воздуха высокая, т.к. испаряемость незначительна, не превышает 100–200 мм. Следовательно, эта зона избыточного увлажнения. Ветры сильные, до 6–9 м/с, часто бывают штормовые. Среднесуточная температура воздуха не превышает 10°С. Радиационный баланс 10–15 ккал/см2 в год. Ландшафт тундры – лишайники, мхи, кустарники, карликовая березка. Очень сильная заболоченность. Болота проходимые, так как мощность болотных отложений небольшая – в суровой климатической обстановке нет условий для их накапливания. Такие мелкие, благодаря вечной мерзлоте, часто бугристые болота, протаивающие на небольшую (в 30–40 см) глубину, называются марями.
|
|
Выветривание в тундре, главным образом физическое – морозное. Несмотря на полярный день, солнечное тепло не дает должного эффекта, расходуется на испарение и химические реакции не идут. В то же время при переходе температуры через 0°С объем воды в трещинах и порах пород увеличивается, происходит механическое их дробление до состояния пыли. Образуются пылеватые разности пород с дресвой и щебнем. Пыль переносится ветром в понижения рельефа, где накапливаются в виде пылеватых суглинков. Разрушенные щебнистые породы слагают водоразделы, образуя "каменистую тундру".
Грунтовые воды залегают вблизи дневной поверхности, часто сливаясь с болотными водами. Минерализация их слабая, 10–100 мг/л – ультрапресные, по составу – кислые гидрокарбонатно-кальциевые, богатые органикой и кислородом, поэтому сильно агрессивные по отношению к бетону. Физико-геологические процессы, благодаря отрицательному радиационному балансу обусловлены многолетней мерзлотой: бугры, пучения, солифлюкция, погребенные льды. Широко развито заболачивание с малой мощностью болотных отложений. Приналичии карбонатных пород агрессивные воды способствуют протеканию карстовых процессов.
Зона лесов расположена южнее зоны тундры и связана с ней постепенным переходом – лесотундрой. В зоне лесов радиационный баланс положительный, увеличивается с севера на юг от 20 до 40 ккал/см2. Климат континентальный, причем континентальность возрастает к востоку. В этом же направлении уменьшается количество осадков. Их в зоне лесов выпадает значительно больше, чем в тундре – от 400 до 700 мм. Испаряемость от 200 мм на севере, до 350 мм на юге зоны. Высокая испаряемость обусловлена огромным количеством болот и большой транспирационной способностью леса. Тем не менее это – зона избыточного увлажнения. Благодаря наличию леса – ветры слабые. Ландшафт – разные типы лесов; хвойные на севере зоны постепенно кюгу переходят в лиственные. Почти повсеместная заболоченность.
Выветривание – физическое и химическое. Из-за перепадов температуры через 0о идут процессы криогенеза – морозное выветривание– раздробление пород. Наиболее интенсивны эти процессы на севере. Существенную роль в формировании пород зоны лесов приобретает химическое выветривание. Избыточное увлажнение и большое количество океанического вещества (лесная подстилка и продукты ее переработки) создают кислую среду: рН от 5–6 на севере, до 7 на юге. В кислой среде алюмосиликаты легко разрушаются. Например, кислые плагиоклазы, такие как альбит (К2Аl2Si6O16) разлагаются, выветриваются, покрываясь серицитом:
3(К2О ∙ Аl2О3 ∙ 6SiО2) + Н2О → К2ОАl2О3 ∙ 2АlО3 ∙ 6SiО2 ∙ 2Н2О + 2К2О + 12SiО2
серицит
Щелочные металлы выносятся. Вода обогащается гелями кремнекислоты. При дальнейшем выветривании серицит превращается в минералы группы гидрослюд. Происходит глинизация (оглинение). Поэтому в рассматриваемой зоне покровные суглинки имеют гидрослюдистый состав. Последующее промывание грунтов атмосферными осадками ведет к вымыванию тонкодисперсных глинистых частиц в более глубокие горизонты. При этом дальнейшее преобразование гидрослюд приводит к образованию каолинита:
|
|
К2О ∙ Аl2О3 ∙ 2Аl2О3 ∙ 6SiО2 ∙ 2Н2О + nН2О → 3(2SiО2 ∙ Аl2О3 ∙ Н2О) + К2О
каолинит
Процесс этот идет очень медленно, поэтому в покровных суглинках этого минерала почти нет.
Образованные в зоне лесов минералы гидрослюда и каолинит придают породе слабовыраженные глинистые свойства. Это суглинки, супеси. Дальнейший распад гидрослюд до окислов возможен только в тропиках. В зоне лесов он не происходит, т.к. мало тепла.
Одновременно с преобразованием алюмосиликатов происходит изменение железистых соединений. При глубоком залегании уровня грунтовых вод и мощной зоне выветривания происходит образование лимонита красных и бурых цветов. Если уровень грунтовых вод находится недалеко от поверхности земли, происходит оглеение: в бескислородной среде ниже уровня грунтовых вод анаэробные бактерии "отбирают" кислород у окислов железа, образуются закисные его формы. Породы приобретают зеленоватый, серый цвет. В глеевый горизонт вмываются коллоидные соединения, образуется плотный слабоводопроницаемый слой, способствующий заболачиванию территории.
В условиях высокой влажности, умеренного тепла и кислой среды, в зоне лесов растворяется кварц. Вверхней части почвенного покрова образуется порошок, напоминающий золу – подзол.
Рассмотренные условия образования пород свидетельствуют о том, что в зоне лесов породы находятся в водонасыщенном состоянии, следовательно, они непросадочные и ненабухающие. Только на дренированных водораздельных участках, где вырублен лес, могут проявляться слабые просадочные свойства лессовых пород.
Транспортировка продуктов выветривания в этой зоне осуществляется главным образом поверхностными водами. При поверхностном (плоскостном) смыве формируется делювий, при линейном – овражно-балочный аллювий-пролювий. Основная масса материала выносится в реки, образуя аллювий. Сезонное промерзание пород создает условия для солифлюкции. Эоловые процессы возможны только на незащищенных лесом участках.
|
|
Подземные воды первого от поверхности водоносного горизонта залегают на небольшой глубине. Эта глубина возрастает к югу, но не превышает первые десятки метров. Минерализация воды небольшая, около 0,5 г/л. Воды пресные, гидрокарбонатно-кальциевого состава. В связи с повышением минерализации (в сравнении с зоной тундры), растворяющая способность вод снижается. Наличие свободной углекислоты обуславливает наряду с общекислотной углекислотную агрессивность подземных вод.
Физико-геологические процессы – выветривание, под действием многолетней и сезонной мерзлоты – термокарст, пучение пород и пр. Широко развиты процессы, связанные с текучими водами: оползни, карст. Характерно широкое заболачивание территории, особенно в северных районах. Мощность тopфa очень большая, болота часто со сплавиной (всплывает торфяной слой, на котором растут деревья). В "окнах" таких болот – жидкий ил-сапропель. Болота,плохо – и непроходимые.
Зона степей начинается к югу от зоны лесов через подзону лесостепи. Климат теплый, на западе – умеренный, на востоке – континетальный. Радиационный баланс – положительный, 30–50 ккал/см2 в год. Солнечное тепло расходуется на испарение и на турбулентный теплообмен – нагревание горных пород, от которых нагревается воздух. Следовательно, происходит сильное нагревание горных пород. Количество атмосферных осадков в этой зоне снижается до 200–300 мм, лето длинное, теплое. Испаряемость очень высокая, что создает дефицит осадков. (В Прикаспии испарение в три раза выше количества осадков). Для зоны степей характерны сильные ветры.
Ландшафт степей меняется с запада на восток: на западе они более влажные, к востоку становится более засушливыми, переходят в пустыни (Средняя Азия). Природные ландшафты степей почти нигде не сохранились: вся территория распахана. Это существенно изменило течение природных процессов.
Выветривание пород, в отличие от предыдущих зон, происходит в условиях дефицита атмосферных осадков, что создает своеобразный профиль влажности. Весной происходит уменьшение, осенью, в период продолжительных дождей, – увеличение влажности пород в зоне аэрации. Таким образом, в периоды засухи зона аэрации сильно иссушена, в периоды дождей – сильно увлажнена. Органическое вещество, накопившееся на поверхности Земли в результате отмирания степной растительности, окисляется, но реакция среды в условиях степей не падает ниже 7. Происходит разложение алюмосиликатов, но, как правило, только до образования гидрослюд. Каолинит почти не образуется. Полного разрушения алюмосиликатов не происходит из-за недостатка влаги. Поэтому окраска пород светлая: палево-желтая (лессы и лессовидные породы). Из-за недостатка влаги щелочные и щелочно-земельные катионы вымываются на небольшую глубину от поверхности, где среда становится нейтральной или щелочной. Здесь они выпадают в осадок в порядке растворимости: кальций, как менее растворимый, он образует стяжения или в тонкодисперсном состоянии образует жесткие кристаллизационные связи между, частицами порода. Следующий по растворимости – гипс. Он тоже образует в породах сростки, стяжения и прочие формы включений и конкреции. Другие соединения, являясь растворимыми, в степной зоне не образуются, за исключением участков с близким залеганием подземных вод. На таких участках непрерывное испарение вызывает капиллярное поднятие к поверхности Земли растворов и образование солончаков. При этом в начале выпадают наименее растворимые, на самом верху – легкорастворимые – сульфатно-содовые, сульфатно-хлоридные и хлоридные соли. Солончаки образуются в понижениях рельефа (западины, поймы рек, лиманы и т.д.).
При близком залегании подземных вод происходит глинитизация нижнего горизонта солончаков. Солончаки образуются в зоне сухих степей на границе с пустынями.
Своеобразие процессов выветривания в зоне степей приводит к формированию грунтов со следующими свойствами:
а) они, как правило, не бывают насыщенными водой, поэтому при дополнительном водонасыщении, например, при возведении зданий или при ирригации, изменяется природное состояние грунтов, нарушается их геологическое равновесие, возникают нежелательные явления – просадки или набухания – характерные для всей рассматриваемой зоны;
б) за счет присутствия солей все грунты имеют жесткие кристаллизационные связи, которые повышают прочность грунтов, уменьшают их сжимаемость. Но эта прочность резко снижается при обводнении, вследствие которого связи в породах размягчаются или растворяются;
в) грунты обладают агрессивными свойствами по отношению к бетону и металлу за счет присутствия гипса.
Главными агентами транспортировки продуктов выветривания в степи являются сода и ветер, плоскостной смыв, оврагообразование, ветровая эрозия. Летом часты пыльные бури, в результате которых сносится почва на глубину до 10 см, заносятся дороги, образуются валы грунта у зданий.
Глубина залегания подземных вод более значительная, чем в вышерассмотренных зонах. Реки и овраги дренируют грунтовые вода, поэтому уровень их от 20 м в северной части зоны, до 50 и ниже – в южной. По химическому составу воды пресные, либо слабо минерализованные. Но на отдельных участках минерализация достигает 4–6 г/л. Тип воды –гидрокарбонатный-кальциевый, кюгу встречаются сульфатные воды, обуславливающие сульфатный тип агрессивности.
Зона пустынь расположена на юге страны – Казахстан, Сpедняя Азия, в центральной части Евразии, где влияние моря почти не сказывается. Климат этой зоны определяется влиянием мощного антициклона, характеризуется высокой континентальностью, резкой сменой годовых и суточных температур. Амплитуда колебаний суточной температуры достигает 30–40°С. Количество осадков – 100–200 мм в год, во много раз меньше величины испарения. Часты сильные штормовые ветры.
Ландшафт пустынный, почти нет растительности, имеются песчаные и каменные пустыни. Рельеф – относительно равнинный. Основная часть пустынь Средней Азии покрыта грубообломочным материалом, но широко развиты там ландшафты песчаных пустынь и полупустынь. Среди них много аккумулятивных и дефляционных форм рельефа. Считают, что песчаные пустыни приурочены к обширным аллювиальным равнинам. Каракумы (черные пески) в Туркмении расположены на месте древней долины р. Аму-Дарьи, которая некогда протекала к северу от Копет-Дага. Пески пустыни Кызыл-Кума образовались на месте блужданий многих русел Сыр-Дарьи.
Благодаря частым переходам температур через 0°С и большим амплитудам суточных температур, зона пустынь характеризуется ярко выраженным механическим выветриванием. Химическое выветривание играет подчиненную роль, т.к. очень мало воды. Грунты преимущественно грубообломочные, песчаные и пылеватые. Подземные воды характеризуются большой пестротой. Зональность их нарушается благодаря близости высокогорных хребтов, определяющих своеобразие условий питания подземных вод. Вблизи горных склонов находятся пресные воды с небольшой глубиной залегания, по мере продвижения вглубь пустыни увеличивается их глубина, минерализация становится пестрой от 1 до 100 мг/л. Воды часто агрессивные кбетону.
Физико-геологические процессы связаны с ветровой эрозией и морозным выветриванием.
Субтропики на территории России азональны, они расположены на Кавказе (район Сочи-Батуми) и на Дальнем Востоке (Амуро-Уссурийский край).
Климат отличается очень высокой влажностью: длинное жаркое влажное лето и влажная зима. Влажность воздуха близка к единице. Количество осадков больше 1000 мм в год (Сочи – 1500 мм, Батуми – 1500 мм). Периодически проходят ливневые дожди, которые не прекращаются в течение нескольких часов, иногда – суток.
Ландшафт – предгорья, поросшие пышной растительностью. Выветривание преимущественно, химическое, благодаря обилию тепла и влаги. Разложение алюмосиликатов в таких условиях идет до конца: алюмосиликаты – окислы. Образуется мощная красная кора выветривания – преимущественно глины высокопластичные.
Подземные воды ультрапресные и пресные гидрокарбонатно-каль-циевые, очень агрессивные, так как очень много органических кислот.
Геологические процессы в зоне субтропиков связаны с водой: интенсивное развитие оползней, карст, сели, заболачивание.
Проведенный обзор формирования природных условий в разливных ландшафтно-климатических зонах показал, что на территории России отчетливо проявляется субширотная (суб. – почти) климатическая зональность. Изменение климатических условий определяется в первую очередь балансом тепла и влаги. Соответственно этому балансу, закономерно меняется ход природных геологических процессов, который, в свою очередь, определяет инженерно-геологическую обстановку территории. Температура воздуха определяет характер растительности, количество атмосферных осадков и испаряемость, глубину промерзания горных пород, а, следовательно, обуславливает ход процессов выветривания и состав горных пород. Различный баланс тепла приводит к разным результатам: к югу повышаются температуры, уменьшается глубина сезонного промерзания. В то же время глубина промерзания зависит от количества воды в породах.
Влажность воздуха закономерно уменьшается с севера на юг. Соответственно в этом направлении меняется количество влаги в горных породах и ее годовой ход. Насевере в зоне тундры и лесов грунты всегда водонасыщенные, следовательно, характер структурных связей в них водно-коллоидный. Такие грунты не набухаюти не являются просадочными. В южных зонах грунты, как правило, не водонасыщенные. Для них характерно наличие кристаллизационных структурных связей, которые при увлажнении уменьшаются, обусловливая просадки или набухание грунтов. Наличие солей в грунтах южных зон делает их в ряде случаев агрессивными по отношению к бетону.
Благодаря изменению баланса тепла и влаги меняется ход процессов выветривания, а с ними – типы горных пород. В зоне тундры и пустыни образуются грунты грубозернистые, щебенистые, песчаные, пылеватые. Глинистого материала нет, за исключением переотложенного из более древних отложений. Взоне лесов истепей роль механического выветривания снижается, но резко возрастает роль химического и биохимического. Формируются глинистые минералы типа гидрослюд и каолинита.
Изменения тепла и влаги влияют также и на факторы переноса и переотложения материала. Следовательно, меняются генетические типы пород: на севере и юге (тундра, пустыня) существенную роль играет ветер, в зоне лесов и степей – вода. Меняется профиль геологических процессов: на севере – криогенез, на юге – процессы вторичного засоления, образование солончаков.
Глубина залегания подземных вод, их тип, общая минерализация и вид агрессивности являются также функцией баланса тепла и влаги. Чем дальше на юг, тем глубже залегают грунтовые воды и выше их минерализация – от ультрапресных на севере, в тундре, до соленых в пустыне. Меняется рН подземных вод: от 5–6 на севере, до 7–8 на юге. Наиболее агрессивны воды на севере за счет низкой общей минерализации, низкого рН, высокого содержания углекислоты. К югу агрессивность подземных вод падает. В этом же направлении меняется характер агрессивности: от общекислотной и углекислотной в северных зонах – до сульфатных в южной.
Из приведенного выше видно, что каждая из зон характеризуется комплексом природных условий, находящихся в равновесии благодаря естественным связям между отдельными факторами этих условий. Нарушение естественных природных условий каждой из зон приведет к нарушению естественных связей междугеологическим комплексом и окружающей средой. Это неизбежно вызовет нежелательный результат – геологический процесс, например, просадку, осадку, эрозию, оползень и т.д. Следовательно, нужно помнить, что вмешательство человека в окружающую среду должно предусматривать те изменения, которые будут вызваны этим вмешательством. Необходим инженерно-геологи-ческий прогноз, который возможен при знании и учете естественных закономерностей формирования ИГУ.
Рассмотренная зональность имеет значение и должна учитываться на равнинных территориях. Зональность является ведущим фактором формирования поверхностных отложений. Яркий пример этого – лес-совые и болотные отложения.
Болотные отложения образуются на избыточно увлажненных участках земной поверхности. Для их образования необходим влажный климат, т.е. избыточное увлажнение, когда количество атмосферных осадков превышает величину испарения, и отсутствие стока (равнинный рельеф). По интенсивности торфообразования Н.И. Нейштадт выделяет четыре пояса и торфяные бассейны в соответствии с географическими (климатическими зонами):
1. Полярный пояс торфообразования. Сюда относится северо-восток России с южной границей Салехард–Игарка, Якутск–Колыма.
2. Пояс интенсивного тоpфoнакопления с отдельными торфяными бассейнами. Он охватывает север Европейской части России, Западную Сибирь, южнаяграница проходит приблизительно по широте Москва-Челябинск, Камень-на-Оби.
3. Пояс слабого торфонакопления – район к востоку от р. Енисей. В него входит вся Восточная Сибирь южнее первого пояса до государственной южной границы и Тихого океана.
4. Пояс ничтожного торфонакопления – юг Европейской части России, Средняя Азия, Казахстан.
5. Торфяные бассейны. Наиболее крупным бассейном является Западно-Сибирский бассейн. Он занимает всю Западно-Сибирскую низменность от широты Салехарда до Новосибирска. Более мелкие бассейны – на дальнем Востоке и т.д.
Лессы и лессовые отложения развиты в лесной, лесостепной, стенной, полупустынной и пустынной зонах. Различные водноклиматические условия среды разных зон оказывают решающее влияние на процесс лессообразования, их мощность и наличие лессовых признаков. В лессовых породах лесной зоны с умеренно холодным и влажным климатом (Смоленская и Калининская области, Запасная и Восточная Сибирь) происходит активное выщелачивание пород атмосферными водами, здесь развиты, главным образом, лессовые породы озерного, аллювиального,флювиогляциального генезиса со слабо выраженным лессовым обликом. Мощность небольшая: от 0,5 до 5–6, редко 6–10 м. До глубины 1–3 м они выщелочены от карбонатов. Просадочными свойствами лессовые отложения лесной зоны не обладают. Только на незалесенных дренированных водоразделах проявляют склонность к дополнительным осадкам при замачивании под нагрузками, превышающими 1–2 кг/см2, т.е. имеют первый тип грунтовых условии по просадочности.
По мере движения к югу–в лесостепную зону условия лессообразования меняются: уменьшается среднегодовое количество осадков, увеличивается температура. Вследствие этого замедляется вынос карбонатов кальция, их содержание в грунте достигает 10–15%. Формируются типичные лессовые породы. В этой зоне лессообразования находятся: Новосибирское Приобье, Кузнецкая котловина и другие. Здесь широко развиты элювиально-делювиальные, аллювиальные, делювиальные и эолово-делювиальные лессовые породы. Они распространены часто в виде сплошного покрова. Мощность их достигает 15–20 м, содержат карбоната кальция 10–22%. До глубины 0,8–2 м они выщелочены от карбонатов, обладают высокой пористостью и сильно просадочны до глубины 6–8 м, причем суммарная величина просадки при бытовых давлениях на отдельных участках превышает 5 см (второй тип грунтовых условий).
В степной, полупустынной и пустынной зонах в условиях сухого климата мелкозем обогащается легко растворимыми солями, приобретает типичный лессовый облик. На юге Алтайского края лессы и лессовые отложения сплошным чехлом покрывают значительные пространства. В этой зоне преобладают делювиальные, элювиальные, эоловые генетические типы лессовыхотложений. Вмощных толщах предгорий, конусов выноса предгорных шлейфов широко развиты пролювиальные, делювиальные, эоловые и лессы смешанного генезиса. Мощность отложений иногда превышает 30–60 м. Содержание карбонатов в них возрастает до 15–22%, породы часто гипсоносны. Сильно пористы и просадочны до глубины 10 м. Характеризуются вторым типом грунтовых условий, давая значительные просадки при замачивании под битовыми нагрузками.
Таким образом, генетические типы лессовых пород, их мощность и просадочные свойства существенно меняются в зависимости от приуроченности их к различным ландшафтно-климатическим зонам.