Кошелев А.Г. (1), Королев В.А. (2), Соколов В.Н. (3)
ОСОБЕННОСТИ МИГРАЦИИ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ГЛИНИСТЫХ ГРУНТАХ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕХНОГЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
МГУ им. М.В.Ломоносова, Геологический факультет, кафедра инженерной и экологической геологии, (1) geologist@rambler.ru; (2) korolev@geol.msu.ru; (3) sokolov@geol.msu.ru
Процессы выветривания в приповерхностных слоях земли и связанные с ними изменения свойств грунтов достаточно хорошо изучены в инженерной геологии и грунтоведении. Меньшее внимание обращалось на процессы, протекающие ниже глубины заложения фундаментов, что объяснялось, прежде всего, меньшей скоростью изменения свойств грунтов и трудностями наблюдения за ними. Однако, при современном высоком уровне техногенной нагрузки на грунтовые толщи, процессы изменения свойств грунтов в зоне гипергенеза на больших глубинах могут значительно ускоряться.
Гипергенез существенно влияет на состав, строение и свойства пород и грунтов и по определению А.И. Перельмана ╚это миграция химических элементов, протекающая в условиях низкой температуры и давления, преимущественно при участии живого вещества и воды╩ [2]. Применительно к условиям средней полосы России необходимо обратить внимание на процессы оглеения в грунтах. ╚Оглеением называют восстановительные процессы, протекающие без участия сероводорода и приводящие к образованию пород, илов, почв сизой, зеленой, голубоватой и пятнистой окрасок. Чаще всего оглеение сопровождается интенсивной миграцией железа, но возможны случаи, когда такая миграция отсутствует и железо только переходит из одной формы (Fe3+) в другую (Fe2+)╩ [2]. При описании типов оглеения А.И. Перельманом были установлены общие закономерности этого процесса в различных природных условиях, связанные с миграцией химических элементов и выносом из породы главным образом железа и кальция.
В ходе инженерно-геологических изысканий для строительства на территории г. Москвы авторами отмечались многочисленные признаки оглеения в пылевато-глинистых и песчаных грунтах четвертичного возраста. К таким признакам относятся изменение цвета и характерная пятнистая окраска грунтов с чередованием красноватых и серых прослоев, прожилки, линзы и прослои, сцементированные соединениями железа, пески у которых ╚железистая рубашка╩ полностью снята с поверхности частиц. Эти явления широко распространены на территории г. Москвы и наиболее ярко проявляются на контактах между песчаными водно-ледниковыми отложениями и моренными суглинками и супесями благодаря сочетанию механического и геохимического барьеров для миграции химических соединений.
По мнению авторов, оглеение является важным природным геохимическим процессом, который требует более детального изучения и, прежде всего, с точки зрения оценки влияния на него техногенных факторов. При проведении подобных исследований, в первую очередь, необходимо изучить геохимические особенности четвертичных отложений, установить степень миграционной способности химических элементов, особенно наиболее подвижных при оглеении, выявить главные техногенные факторы. Далее надо проанализировать изменение свойств грунтов и оценить взаимосвязь этих изменений с геохимическими условиями массива грунтов.
Для решения поставленных задач был предусмотрен комплекс работ, сочетающий детальное инженерно-геологическое исследования разреза четвертичных отложений и изучение химического состава грунтов. В качестве объекта исследований был выбран участок изысканий для реконструкции здания на Нижней Красносельской улице с характерным разрезом четвертичных отложений. В настоящее время участок пересекают многочисленные подземные коммуникации: водопроводы, канализация, дренажи и теплотрассы, многие из которых существуют несколько десятков лет.
Исследование геолого-литологического строения участка и определение физико-механических свойств грунтов проводилось ОАО ╚Стройпроект╩ в 2001 г [3]. В ходе изысканий на глубинах от 2,70 до 4,20 м в аллювиальных песках были вскрыты подземные воды. Относительным водоупором для них служил слой моренных суглинков мощностью 5-7 м, подстилаемый маловлажными флювиогляциальными песками. Вследствие утечек из теплотрасс, проходящих через площадку изысканий, подземные воды и грунты прогревались до температур 15-22╟С.
При документировании разреза четвертичных отложений были отмечены характерные признаки оглеения грунтов, выражающиеся в чередовании горизонтов с красноватой и серой окраской, наличии прослоев ожелезнений.
По мнению авторов в изученном разрезе процессы оглеения представлены наиболее характерно и полно. В качестве механических и геохимических барьеров для миграции химических соединений в данном районе были границы слоя моренных суглинков и песков. Задача сводилась к прослеживанию изменений состава грунтов от кровли к подошве слоя суглинков.
Из слоя моренных суглинков были отобраны пробы грунтов. В лаборатории для них были выполнены химический анализ водной и солянокислой вытяжек, валовой ╚силикатный╩ анализ. Химические анализы выполнялись по действующим ГОСТам и методикам. При обработке полученных данных использовались петрохимические модули и методы пересчета аналитических данных, применяемые для исследования осадочных пород [1].
Для определения интенсивности миграции элементов в грунтах
использовался метод количественной характеристики выноса элементов предложенный
А.И. Перельманом для процессов оглеения [2]. Главной идеей метода является
предположение о постоянстве масс Al2O3 или TiO2 в породе при ее гипергенном
изменении.
По результатам обработки химических анализов строились
графики привноса-выноса оксидов железа и карбоната кальция. Как отмечалось
ранее, эти элементы обладают наибольшей миграционной способностью в процессе
оглеения грунтов.
Исследования проводились на образцах, отобранных из скважин ╧1, 3а и ╧7, 8. Скважины ╧ 1 и 3а находились на максимальном для данной площадки удалении от подземных коммуникаций. Температура грунтов в пределах слоя суглинков составляла 14-15╟ С. Скважины ╧ 7 и 8 были пробурены на расстоянии 1,5-2,5 м от канала теплотрассы и температура в слое моренных суглинков в них составляла 21-24╟ С.
Анализ полученных данных показал, что в районе скважин 1 и 3а происходит относительный привнос соединений двухвалентного железа FeO в моренные суглинки по всему разрезу, а миграция трехвалентного железа Fe2O3 незначительна. Кальцит активно выносится из верхних частей разреза, его содержание в средней части слоя суглинков остается практически неизмененным, а в подошве слоя происходит привнос кальцита.
Иной характер имеет картина миграции химических соединений в скважинах 7 и 8. Здесь в верхней и нижней частях слоя суглинков наблюдается уменьшение содержания трехвалентного железа Fe2O3 и увеличение содержания двухвалентного, что могло объясняться переходом этого элемента из одной валентности в другую. Особенно активно в скважинах 7, 8 происходила миграция кальцита. В верхней части разреза наблюдался почти полный вынос кальцита, а в подошве слоя его привнос в грунт. Таким образом ситуация была схожая с поведением кальцита в скважинах 1 и 3а, но она была более ярко выраженная.
Для оценки общего баланса соединений железа в грунтах был проведен расчет содержания суммы молекулярной массы оксидов железа Fe2O3 + FeO. В скважинах 1 и 3а происходит явный привнос оксидов железа независимо от формы соединений, а в скважинах 7 и 8 в кровле и подошве слоя отчетливо прослеживается вынос оксидов железа, причем за счет трехвалентной формы.
Изучение физических и механических свойств грунтов показало сложную зависимость между свойствами грунтов и процессами миграции соединений железа и кальция. Наблюдается хорошая корреляция изменения значений лобового сопротивления грунтов при статическом зондировании и относительным содержанием соединений железа в грунтах. Более отчетливо это видно в разрезе скважин ╧ 7 и 8. В разрезе скважин ╧ 1 и 3а заметнее взаимосвязь лобового сопротивления грунтов и относительного содержания соединений кальция. Такая неоднозначная зависимость объясняется многообразием влияния рассматриваемых химических элементов на свойства грунтов. Оксиды железа в трехвалентной форме оказывают цементирующее воздействие на грунты. Кальцит так же может выступать как цементирующий фактор, образуя фазовые цементационные контакты между частицами грунта.
Приведенные данные свидетельствуют о важности изучения миграции химических соединений при таких техногенных воздействиях как сочетание утечек из коммуникаций и тепловые воздействия от теплотрасс или утечек горячей воды.
Проведенные исследования показали, что процессы оглеения грунтов активно протекают и в настоящее время и оказывают существенное влияние на свойства грунтов.
Литература
1. Ефремова С.В, Стафеев К.Г. Петрохимические методы исследования
горных пород: Справочное пособие. М., Недра, 1985, 511с.
2. Перельман А.И. Геохимия эпигенетических процессов
(зона гипергенеза). М., Недра, 1968, 331с.
3. Кошелев А.Г. Отчет по инженерно-геологическим изысканиям
на объекте: ╚Административное здание с надстраиваемым этажом по адресу:
ул. Н. Красносельская, 39А╩, ОАО ╚Стройпроект╩, 2001.