Формирование коры выветривания фундамента

Формирование коры выветривания фундамента

Минеральный состав кор выветривания определяется составом материнских пород (Рис. 12, 13). По времени образования выделяют современные (почвы) и древние коры выветривания, по форме и условиям залегания – площадные и линейные.

Как было показано выше, выветривание является основой для развития большей части экзогенных геологических процессов. Поскольку под влиянием человеческой деятельности выветривание существенно видоизменяется по своим масштабам интенсивности и распространению, следует полагать, что техногенез может оказывать значительное влияние на развитие экзогенных геологических процессов.

Таким образом, под термином «техногенное выветривание» следует понимать комплекс процессов, развивающихся на искусственных обнажениях горных пород под воздействием природных и техногенных агентов выветривания, в результате которых происходят изменения состава, состояния и свойств горных пород и формируется современный элювий [4].

Главными отличительными чертами техногенного выветривания являются:

• молодость,
• незаконченность процесса,
• маломощная, усеченная как сверху, так и снизу кора выветривания,
• небольшие масштабы обнажений,
• незакономерное (азональное) распространение,
• преобладание физического выветривания (за исключением районов химического и биологического загрязнения).

При этом происходят следующие изменения состояния и свойств горных пород:

• набухание,
• расслоение,
• избыточное увлажнение,
• образование новых и расширение старых трещин дезинтеграции,
• растворение и выщелачивание.

Следует отметить, что выветриванию подвергаются все генетические типы горных пород в условиях естественного залегания при строительстве гидротехнических, горных и транспортных сооружений и в нарушенном (раздробленном) состоянии в насыпях различного назначения, отвалах, терриконах [4].

Скорость техногенного выветривания некоторых пород показана в Таблице 1.

Для кор выветривания, сформировавшихся под воздействием как природных так и техногеных факторов характерны следующие специфические черты [4]:

1. невыдержанное по мощности и простиранию зональное строение без четких границ между отдельными разновидностями пород;
2. постепенное приобретение черт осадочных пород, формирующихся в приповерхностной части литосферы в результате ее взаимодействия с внешними сферами и космосом;
3. В отдельных горизонтах элювия сохраняются многие характерные черты материнских пород:
   • минеральный и химический состав,
   • структура, текстура, трещиноватость, пористость и др.;
4. наличие в сравнительно маломощной толще элювиальных отложений большого разнообразия пород по составу, состоянию и свойствам.

2. Инженерно-геологическая оценка процессов выветривания Процессы выветривания оказывают существенное влияние на состав, строение и свойства горных пород: в относительно небольшом диапазоне глубин изменяется не только минеральный и петрографический состав, но и большинство физико-механических свойств грунтов (Рис. 14). Незаконченность или возобновление процессов выветривания нередко становится причиной неравномерных осадок, просадок в основании сооружений, приводящих к уменьшению их эксплуатационной надёжности. В связи с этим при инженерно-геологической оценке элювиальных грунтов необходимо детальное расчленение коры выветривания, опирающееся как на минералого-петрографическую базу, так и на изменчивость физико-механических свойств грунтов. Классическим примером инженерно-геологического расчленения коры выветривания является схема, составленная Г. С. Золотаревым (Золотарёв, 1983), представленная на Рис. 14.

Инженерно-геологическое расчленение коры выветривания.

1 — интенсивность действия процессов выветривания:

а — значительная, б — средняя, в — слабая;

2 — минеральные новообразования:

а — гипс б — гидроокислы

Трещинная зона

Залегает на монолитной материнской породе. Изменения в этой зоне в основном связаны с физическим выветриванием

• расширение естественных трещин,
• образование новых трещин,

что в целом приводит к увеличению водопроницаемости пород.

Изменения в результате химического выветривания наблюдаются на стенках трещин и разломов. Трещинная зона — благоприятное основание для инженерных сооружений: Подземные выработки в пределах этой зоны проходятся и эксплуатируются без крепления и водопонижения. Исключение: участки, осложненные крупными тектоническими нарушениями, карстом или техногенной трещиноватостью, являющейся следствием горного давления [4].

Обломочная зона

Зона представлена породами, нарушенными интенсивной трещиноватостью в результате физического выветривания и изменением минерального состава химическими процессами..

Характерна большая неоднородность по всем показателям ФМС (показатели могут отличаться в пределах зоны более чем на порядок). В зоне возникают разные экзогенные процессы:

• эрозия,
• абразия,
• осыпи,
• обвалы,
• оползни. .

В подземных выработках:

• вывалы,
• обрушения кровли,
• большая водообильность,
• водные прорывы и т. п.

Зона является опасной в период строительства, а во время эксплуатации она требует соответствующего крепления [4].

Дисперсная зона

Представлена новым геологическим образованием, коренным образом отличающимся от материнской породы по составу, состоянию и свойствам [4].

Минералы:

• вторичные глинистые минералы,
• гипс,
• карбонаты,
• окислы железа.

Обычно в пределах дисперсной зоны выделяют две подзоны:

• верхнюю глинистую — весьма однородную по ФМС и практически водонепроницаемую,
• нижнюю песчано-глинистую с включениями щебня — менее однородную и слабо водопроницаемую.

В состав инженерно-геологических исследований кор выветривания входят следующие виды работ [4]:

• инженерно-геологическая съемка,
• геофизические, буровые и горные работы,
• опробование,
• полевые и лабораторные исследования состава и ФМС пород,
• инструментальные геодезические наблюдения,
• опытно-фильтрационные работы и др.

Детальность этих работ зависит от стадии освоения конкретной территории (Таблица 2) [2].

Инженерно-геологическая оценка выветрелости горных пород осуществляется с помощью следующих показателей [4]:

а) показатели для оценки современного состояния пород в разных зонах коры выветривания, т. е. характеризующие выветрелые породы и используемые для решения разных научных и прикладных задач;

б) показатели для оценки свойств пород, незатронутых выветриванием, которые в первую очередь используются для определения степени выветрелости (изменения состава, состояния и свойств), а также для решения задач проектирования сооружений, таких как определение глубины заложения сооружения, несущей способности невыветрелых пород, возможных техногенных геологических процессов и явлений и т. д.;

в) показатели, используемые для решения специальных задач теоретического и прикладного назначения (например, для установления закономерностей, районирова­ния, перспективного проектирования и т. д.).

Некоторые из показателей приведены ниже [2].

Показатель выветрелости V (М. Розиваль, 1896 г)

Коэффициент выветрелости К_в (Е.В. Левицкий, 1967 г)

Здесь a_i — условный числовой коэффициент группы выветрелости, n_i — число зёрен той или иной группы.

Показатель степени выветрелости i (А. Хэмрол, 1962 г)

Здесь q₁ и q₂ – соответственно масса образца в сухом состоянии и после водонасыщения (1,5-2 ч).

Показатель стойкости (П.Н. Панюков, 1962 г)

Здесь R_н и R₁ – прочность пород соответственно начальная и через год после её обнажения.

Показатель степени сохранности (С.Д. Воронкевич, 1963г)

Здесь — коэффициенты пористости пород соответственно в состоянии предела текучести, породы наблюдаемого участка, породы в невыветрелом состоянии.

Показатель выветрелости (Б.В. Швец, 1968 г)

Здесь , q₁ – масса мелкозёма размером менее 2мм, q₂ – масса крупных частиц более 2 мм, K₂ – показатель истирания в барабане.

Показатель выветрелости (Г. С. Золотарев, 1969 г)

Здесь F – показатель свойства элювия (плотность, пористость, содержание окислов железа и т.д.), индексы Н, О, А – соответствующие невыветрелым, оцениваемым и предельно выветрелым породам.

Источник

Коры выветривания

Результатом сложных процессов всех типов выветривания являются различные продукты, среди которых можно выделить: остаточные, остающиеся на месте первоначального залегания материнских пород; подвижные, которые уносятся с места разрушения на то или иное расстояние.

Остаточные продукты выветривания представляют собой один из важнейших генетических типов континентальных образований — элювий. Элювий чаще всего состоит из плохо отсортированных смесей щебня, дресвы, песка и глин и представляет собой разрыхленную массу, по вещественному составу тесно связанную с подстилающими материнскими породами. Элювий, в образовании которого основная роль принадлежит биохимическим агентам выветривания, а в составе преобладают органические вещества (гумус), называется почвой.

Совокупность различных элювиальных отложений верхней части литосферы называется корой выветривания, в образовании которой наблюдается определенная стадийность и зональность.

Стадии развития и зональность коры выветривания. Наиболее благоприятными условиями для формирования мощной коры выветривания являются относительно выровненный рельеф поверхности в сочетании с жарким климатом и обилием органических веществ. Выделяют четыре стадии развития коры выветривания.

1. Стадия преобладания физического выветривания и накопления продуктов грубого механического разрушения.

2. Стадия обызвесткования и удаления в процессе гидролиза легкорастворимых компонентов, преимущественно серы и хлора. Одновременно происходит гидратация минералов и окисление серных соединений.

3. Стадия образования остаточных глин (каолинов) и выноса из материнских пород кальция, калия и магния.

4. Стадия образования латеритов.

По мере развития коры выветривания в глубину наблюдается ряд последовательных переходных зон от свежих неизмененных коренных пород к продуктам полного химического разложения (рис. 13.8).

I. Монолитная (скрытотрещиноватая) зона, в которой порода еще не несет видимых признаков дробления, но уже претерпела расшатывание связей между составляющими ее минералами.

II. Глыбовая зона, характеризующаяся наличием трещин выветривания, способствующих расчленению породы на отдельные глыбы; химико-минеральный состав соответствует составу материнской породы.

III. Зернистая (или мелкообломочная) зона, состоящая из мелких обломков или отдельных минеральных зерен.

IV. Зона тонкого дробления (или глинистая зона), в основном сложенная вторичными минералами с примесью тонкораздробленных первичных минералов.

V. Зона латеритов.

Граниты между зонами неровные, неотчетливые и могут перемещаться в глубину по мере развития коры выветривания.

Типы кор выветривания. В зависимости от климата процессы выветривания протекают с различной интенсивностью, в связи с чем образуются разные типы кор выветривания. В областях полярного и нивального климата господствует морозное выветривание. Образуется обломочный материал, по степени раздробленности подразделяющийся на три зоны (см. рис. 13.8).

В условиях теплого, умеренно влажного климата в результате более интенсивного химического выветривания формируется еще зона IV, сложенная глинистым материалом.

В условиях жаркого климата с умеренной влажностью (гумидного) мощность глинистой зоны возрастает до 15—25 м. При этом в зависимости от состава материнских пород сама зона приобретает зональное строение. Так, в коре по ультраосновным магматическим породам выделяются подзоны монтмориллонитов (IVa) и нонтронитов (IVб); в коре выветривания основных пород — подзона гидрослюд (IVa), монтмориллонитов (IV6) и каолинитов (IVв); в коре выветривания кислых и средних пород — подзона гидрослюд (IVa) и каолинитов (IVб). Мощность зоны физического выветривания сокращается до 10—15 м.

В условиях жаркого и влажного климата тропиков мощность кор выветривания достигает 40—60 м и более. В верхней части коры в результате интенсивного гидролиза алюмосиликатов происходит накопление оксидов и гидрооксидов алюминия и железа и отчасти кремния. Вследствие этого элювий в сухом состоянии напоминает по твердости обожженный кирпич, окрашенный в красный цвет. Поэтому такие зоны выветривания называют латеритными (от лат. латер — кирпич). По минеральному составу и физико-механическим свойствам латеритная кора выветривания подразделяется на подзоны красноземов и прочных пород крупно- и мелкообломочного строения, напоминающих панцирь и называемых кирассами. Мощность зоны латеритов может достигать 15—20 м. В областях аридного (сухого) климата пустынь и полупустынь, где из-за недостатка воды миграция активных веществ очень ограничена, элювиальный покров формируется в основном за счет физического выветривания. Продуктами выветривания здесь являются, как в зоне с нивальным климатом (мощность коры выветривания значительно меньше), скопления обломочного материала (зоны I—III) — глыбы, щебень, дресва, песок. Химическое выветривание проявляется локально в виде пустынного загара гипсовых корок и солончаков.

Морфология коры выветривания. По условиям образования и форме коры выветривания подразделяются на площадные и линейные.

Площадные коры выветривания развиты на больших площадях и чехлом перекрывают материнские породы, за счет которых они образовались. Пластообразные по форме, зональные по строению эти коры по размерам колеблются от нескольких десятков до тысяч метров в поперечнике при мощности от десятков сантиметров до нескольких десятков метров (рис. 13.9).

Линейные коры выветривания возникают вдоль системы трещин или на контакте разных по составу пород и имеют форму жилообразных тел (рис. 13.10). Такие тела протягиваются по простиранию на сотни метров, а на глубину — на несколько десятков метров, реже — на 100—200 м.

По времени образования коры выветривания подразделяются на современные и древние (ископаемые). Наибольшая мощность и дифференцированность элювиальных образований, их вертикальная зональность наблюдаются в древних корах выветривания, сформированных в различные по длительности этапы континентального развития земной коры. В настоящее время древняя кора выветривания сохраняется на тех участках рельефа, где на ней залегают более молодые породы, предохраняющие ее от разрушения.

С процессами выветривания связаны образование и изменение различных месторождений полезных ископаемых. Рыхлые продукты физического выветривания — щебень, валуны, гравий, песок и, отчасти, глины представляют собой ценные строительные материалы, используемые в различных отраслях промышленности. В процессе образования элювия из материнских пород высвобождаются многие стойкие минералы, образующие элювиальные россыпные месторождения золота, платины, касситерита, ильменита, алмазов и др. В результате химического выветривания возникают месторождения каолинов, бокситов, никелевых, железных и марганцевых руд.

На юге Сибирской платформы, в Иркутском амфитеатре, распространены коры выветривания разнообразные по возрасту, составу и площадному распространению. Наиболее древние — докембрийские — сложены пластами высокоглиноземистых хлоритоидных сланцев, которые считаются переотложенными глубоко метаморфизованными каолиновыми продуктами. Распространены они в Саяно-Байкальской горной области, Прибайкалье и Присаянье. Широким развитием в Центральном Прибайкалье отличаются мел-палеогеновые каолиновые коры выветривания площадного и линейного типов. Особенно мощные каолиновые коры развиты по пегматитам. В них выделяются следующие зоны (рис. 13.11, 13.12): I — монолитная; II — глыбовая; III — мелкообломочная; IV — тонкого дробления.

Мощные остаточные и переотложенные коры выветривания каолинового состава широко распространены в Иркутском угленосном бассейне. За редким исключением (Трошковское месторождение каолина) они погребены под угленосными континентальными осадками нижнесреднеюрского возраста (рис. 13.13).

Мел-палеогеновые коры выветривания Центрального Прибайкалья часто залегают в виде вытянутых линейных полос, что обусловлено не только избирательным характером выветривания, а преимущественно послекоровыми разрывными нарушениями, связанными с образованием байкальской впадины. Для таких линейных кор выветривания по амфиболитам характерен гетиткаолинитовый профиль со следующими основными зонами: зона начального разложения (выщелоченных или дезинтегрированных пород); зона развития выщелачивания и гидратации (монтмориллонитовая, иногда с гидрохлоритом); зона развития гидролиза и начала окисления (гетит-каолинитовая). Наблюдаются коры выветривания по пироксенитам и оливинсодержащим ультраосновным породам.

С корами выветривания Прибайкалья связан целый комплекс полезных ископаемых: магнезитов, марганцевых руд, фосфоритов, каолинитов, керамического сырья и др.

Источник