Инженерно-геологических условий

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 0^о 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.