Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Распространение лессовых пород эолового генезиса и экспериментальное доказательство формирования их сингенетической просадочности

ВАК РФ 04.00.07, Инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Андреева, Татьяна Васильевна, Москва

Московский Государственный университет им, М,В.Ломоносова

Геологический факультет

Кафедра инженерной и экологической геологии

Андреева Татьяна Васильевна

Распространение лессовых пород эоловога генезиса и экспериментальное доказательство формирования их сингенетической просадочности

Специальность 04.00.07 - инженерная геология, мерзлотоведение и грунтоведение

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель доктор геол.- мин. наук академик РАЕН и МАН ВШ профессор В.Т.Трофимов

Москва - ] 999 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение... Ц

Глава I. Эоловые лессовые породы^ закономерности их образования и распространение... 10

1.1. Эоловая гипотезапроисхождениялессовых пород ... 40

1.2. Литогенеа эоловых отложений... 16

1.3. Общепланетарное распространение лессовых пород эолового генезиса... 31>

государств... 53

Глава 2. Современные представления а генезисе просадочности лессовых пород... и

2.1: Гипотезы формированияпросадочностии их экспериментальные доказательства... М

2.2. Этапы и теоретические модели формирования просадочности эоловых лессовых пород... 8В

2.3. Экспериментальные доказательства формирования сингенетической просадочности эоловых лессо вых пород и задачи дальнейших исследовании... 9Ц Глава Я. Инженерно-геологическая характеристика объекта исследований и методика^модедирован^я... /05 3.1 .Распространение, генезие и стратиграфическое расчленение лессовых толщ Предкавказья... 405

3.2. Состав, состояние и свойства объекта исследований... Нб'

сингенетической просадочности эоловых лессовых пород ... Глава 4, Моделирование формирования просадочности лессовыхпоррд

№

4.1. Формирование просадочности образцов - аналогов эоловых отложений при однократном замачивании- высушивании пылеватого осадка...

4.2. Влияние гранулометрического состава эолового осадка на величину формирующейся просадочности...

4.3. Влияние мощности эолового осадка, накопившегося за один цикл седиментации, на величину формирующейся просадочности...

4.4. Влияние циклического замачивания-высушивания пылеватого осадка на формирование просадочности эоловых лессовых пород ...

4.5. Зависимость величины формирующейся просадочности эоловых лессовых пород от начальной влажности влагоемкой среды ... Ш

4.6. Влияние давления вышележащих отложений на формирование просадочности образцов - аналогов эоловых лессовых пород ... йб Глава 5. Основные особенности микростроения образцов эоловых лессовых пород и их искусственных аналогов ... ¿81 Глава 6. Графические модели формирования сингенетической просадочности лессовых пород эолового генезиса ... 196 Заключение... ¿0?

¿Ю

ВВЕДЕНИЕ

Изучению лессовых пород посвящены работы многих отечественных и зарубежных исследователей: В.А.Обручева, П.А.Тутковского, М.М.Филатова, С.С.Морозова, И.И.Трофимова, Н.Я.Денисова, Е.М.Сергеева, Н.И.Кригера, А.К.Ларионова, Г.А.Мавлянова, М.П.Лысенко, В, П.Ананьева, К.И.Лукащева, Г.К.Бондарика, В.Т.Трофимова, ДЛБалаева, П. В.Царева, В.И.Коробкина, А.В.Минервина, Б.Ф.Галая, Н.В.Воляника, Н.Н.Комиссаровой, Н.В.Коломийцева, Ф.Рихтгофена, М.Лейтона, Х.Уилмена, А.Свайнфорда, Э.Литяну, М.Печи,

Несмотря на - длительно ю историю изучения, лессовые пароды всё ещё представляют немало загадок для геологов, особенно в вопросе их происхождения и формирования свойств, в том числе просадочности. В геологической литературе мало найдется других вопросов, по которым было бы высказано столько противоречивых мнений и предложено столько разнообразных гипотез. Существуют разногласия и по поводу того, что считать лессом, лессовыми породами- и т.д. В регионах пъшеватые отложения так разнообразны^ что трущю было дать определение достаточно обширное, чтоб включить все лессовые отложения, и достаточно узкое, чтоб исключить все остальные. Одни давали определения с точки зрения происхождения пород, другие связывали определения с литологическими особенностями пород (с гранулометрическим составом, структурно-текстурными особенностями, условиями залегания [15, 28, 52, 55, 80], третьи вносили в определения наличие или отсутствие просадочности £34, 68, 110]. На настоящий момент принято [56} под лессовыми породами понимать совокупность леСсов, лессовидных: пород^ а также деградированных, лессов и лессоподобных грунтов. Лёссом называется порода, характеризующаяся малой гидрофильностью, водонеустойчивыми структурными связями и просадочными свойствами при природном давлении и дополнительных нагрузках; лессовидный грунт отличается более высокой гидрофильностью и отсутствием просадочности [56], В литературном обзоре используется терминология цитируемых авторов.

Актуальность работы. Лессовые породы - широко распространенные четвертичные отложения, обнаруженные на всех континентах [51, 55, 152]. Их мощности колеблются от нескольких сантиметров до десятков и сотен метров. Они являются одним из основных^типов естественных оснований для промышленных, гражданских и гидротехнических сооружений, что вызывает к ним особый интерес со стороны инженер-геологов^ Проектирование и возведение сооружений, на лессовых, породах - одна из наиболее важных проблем современной инженерной геологии. Её решение в значительной степени зависит от боде^ глубокого познания природы просадочных процессов.

Существующие гипотезы о возможных путях возникновения просадочности, в том числе концепция Н.Я.Денисова а формировании просадочности золовок лессовых пород в ходе седиментации и раннего су баэрального диагенеза в аридных условиях, в полной мере не подтверждены экспериментальными данными, теория формирования просадочности и её с охранения в течете геологического времени в завершенном виде ещё не создана. Поэтому основной цепью работы явилось исследование общих закономерностей- формирования, сингенетической просадочности лессовых пород эолового генезиса в ходе седиментации и раннего су баэрального диагенеза.

Однако^ чтобы говорить- о генезисе просадочности лессовых пород эолового

очередь

генезиса, необходимо в первую \/показать возможность формирования лессовых пород в ходе преобразований эолового осадка, рассмотреть- их распространение на земном шаре и характерные черты и доказательства их эолового происхождения. Выполнению этой задача к посвящена первая главгиданной работы.

С целью выяснения закономерностей, формирования сингенетической просадочности лессовых пород эолового генезиса были поставлены, следующие задачи:

- проанализировать современные представления о генезисе просадочности лессовых пород, обобщить существующий материал по генезису просадочности лессовых пород эолового генезиса;

- подтвердить данные о возможности формирования просадочности у исходно воздушно-сухого пылеватого осадка при увлажнении - высушивании на представительной выборке образцов;

- исследовать возможность формирования и сохранения недауплотненнрсти (просадочности) эоловых, лессовых пород^ находящихся в зоне переменного увлажнения при их перекрытии вышележащими отложениями;

- уточнить влияние дисперсности исходного пылеватого осадка на формирование просадочности эоловых лессовых пород;

- уточнить влияние циклического замачивания-высушивания первичного

ОСЗД^З Ий ЯОЗ^МКЯТСИ^^СИ-ЦрОСЗ,/ 1;ОЧНОСги'

- определить влияние мощности пылеватого осадка, отлагающегося за один цикл седиментации (мощности элементарного слоя), на формирование недоуплотненности эоловых лессовых пород;

- определить, влияние степени начального увлажнения осадка на. величину формирующейся просадочности;

- изучить изменение микростроения искусственных, эоловых лессовых- пород в ходе их образования из воздушно-сухого пылеватого материалу при его циклическом замачивании-высушивании;

- разработать на основании экспериментальных данных графические модели

Решение поставленных задан осуществлялось с помощью физического моделирования, часто являющегося базовым методом экспериментального изучения и решения теоретических задач инженерной геологии.

Материалом да» написания работы явились исследования автора, проведенные в ходе вьшолнения дипломной работы^ во время обучения в очной аспирантуре и работы на кафедре инженерной и экологической геологии, в течение 1993-1998 гг. Кроме того были использованы, опубликованные данные по теме диссертации. За время работы были изучены состав и свойства 15 образцов ненарушенного сложения, отобранные в Предкавказье и Нижнем Поволжье. В ходе эксперимента использовано шесть- модельных смесей различного гранулометрического состава (от супесей лессовидных до глин легких лессовидных

по класс. С.С.Морозова). Смеси получены при растирании грунтов естественного сложения. В ходе моделирования выполнено 279 определений коэффициента относительной просадочности искусственных образцов - аналогов.

Объект исследования выбирался с учетом изученности лессовых пррод района. Предкавказье [ 1, 2, 6, 7, 11, 13] является территорией широкого распространения лессовых пород эоловага генезиса. Для всех - участков, где отбирались образцы, описаны опорные- геологические разрезы [13, 41]г которою достаточно полно и представительно характеризуют лессовую толщу районов в стратиграфическом, палеогеографическом, геоморфологическом и инженерно-геологическом отношениях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

•Доказана возможность формирования просадочности из исходного воздушно-сухого пылеватого осадка, аналога эолового осадка, в ходе его циклического замачивания-высушивания.

• Впервые доказана возможность сохранения недоуплотненности эоловых лессовых пород, находящихся в зоне переменного увлажнения при их перекрытии вышележащими отложениями незначительной мощности (0.5-0.6 м).

• Установлено влияние дисперсности исходного пылеватого эолового осадка на величину формирующейся просадочности лессовых пород.

• Установлено влияние циклического замачивания-высушивания пылеватого осадка на величину просадочности искусственных аналогов лессовых пород эолового генезиса.

• Установлены закономерности формирования недоуплотнеиюсти лессовых пород с разной мощностью элементарного слоя исходного пылеватого материала.

• Выяснено влияние степени начального увлажнения пылеватого материала на образование повышенной пористости формирующихся эоловых лессовых псцэод.

• Изучено изменение микростроения образцов - аналогов эоловых- лессовых пород в ходе их образования при циклическом замачивании-высушивании пылеватош-материала^

• Впервые на экспериментальной основе (по абсолютным значениям) построены графические модели формирования просадочности эоловых лессовых пород в координатах пористость-давление. Предложен новый способ графического отображения процесса формирования недоуплотненности эолового осадка на треугольных диаграммах фазового состава Гиббса.

Основные защищаемые положения:

1. На основе обобщения данных отечественной и зарубежной литературы установлен набор характерных признаков эоловых лессовых пород и составлена схематическая карта распространения лессовых пород эолового генезиса на Земле.

2. Экспериментально доказана возможность формирования просадочных свойств в элементарном поверхностное слое пылеватого материала (аналога эолового осадка) при его гидратации-дегидратации в условиях аридного климата и положительных температурах, и сохранение просадочности при перекрытии этого слоя отложениями мощностью до 60 см (при нахождении этого слоя в зоне периодического воздействия атмосферных осадков).

3. Установлены зависимости величины формирующейся просадочности модельных пылеватых грунтов от их гранулометрического состава, циклического замачивания-высушивания, мощности элементарного слоя первичного осадка, степени его начального увлажнения.

4. Экспериментально показано, что в ходе моделирования из первичцого воздушно-сухого сыпучего несвязного осадка, формируются искусственные.грунты с микростроением, близким и микростроению природных лессовых пород.

5. Разработан новый графический способ построения моделей формирования недоуплотненности лессовых пород эолового генезиса с использованием треугольных дааграмм фазового состава Гиббса.

Наунная^знашшость.

Результаты дашюто исследования являются существенным, вкладом в разработку теории происхождения просадочности эоловых лессовых, пород, для которых определено влияние разнообразных факторов на величину их формирующейся недоуплотненности. Экспериментально подтверждены теоретические представления о возможности формирования просадочности

лессовых пород эолового генезиса в ходе многократного циклического замачивания-высушивания скоплений эоловой пыли (в аридных условиях). Впервые доказана возможность сохранения недоуплотненности лессовых пород при их перекрытии более молодыми отложениями мощностью до 0.6м.

Состав и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, изложенных на Ш страницах машинописного текста. Терсст сопровождается 19 таблицами и 47 рисунками. Список использованной литературы составляет 155 наименований.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались, на аспирантском семинаре кафедры инженерной геологии и охраны геологической среды Геологического факультета МГУ 25 декабря 1996 года, на Научной конференции "Новые идеи в инженерной геологии" (Москва, 12-13 сентября 1996 года), на Международной конференции "Новые идеи в науках о Земле" (Москва, МГГА, апрель 1997 года) и на Научной конференции аспирантов и молодых ученых "Проблемы инженерной и экологической геологии", посвященной 100-летию со дня рождения С.С.Морозова и 60-летию кафедрьгинженерной геологии и охраны геологической среды (Москва, МГУ, январь 1998 года).

По теме дассертащш опубликовано 6 ра^от.

Диссертационная работа выполнена, под руководствам доктора геол,-мщ1.

I

наук, профессора, академика РАЕН и МАН ВШ В.Т.Трофимова, которому автор выражает искреннюю благодарность. Автор также благодарит за помощь и консультации на различных этапах работы доктора геол.-мин. наук, профессора В.А.Королева, кандидатов геол.-мин. наук Н.А.Ларионову, С.Д.Балыкову, а также всех сотрудников кабинетов механики грунтов и грунтоведения и лаборатории региональной инженерной геологии, Автор благодарит за материалы доктора геол.-мин, наук Б.Ф.Га^ая.

Глава 1. Эоловые лессовые породы, закономерности их образования и

распространение

1.1. Эоловая гипотеза происхождения лессовых пород

Уже в течение более Шл дет идет дискуссия ш> вопросу образования лессовых пород, однако до настоящего времени общепризнанной теории их происхождения нет. За это время было предложено более 20 гипотез, пытающихся найти объяснения причин, механизма и условия накопления лессовых толщ. Многие гипотезы, возникшие на заре изучения лессовых осадков, оказались несостоятельными и их дальнейшее развитие прекратилось. К таким гипотезам можно отнести морскую, космическую, вулканическую и др. [55].

В настоящее время развиваются следующие гипотезы: эоловая,

тт£1птгчш10 ггт ттл^пт*\аггт/лг>1Ю ггт тто <т т»/~\ тттт/л_ тт<а тгтттхт.л/лт> о <т ггттт/~\т»т;ю ттт тто <т тт/лпптттго <Т TJ ^vjuvDndjiDnu ii^vjjiivdi'iajiDnd/i, du^nvjJiCдпнлиоал5 шииивпсиюпал, пию^ппал

комплексная.

Впервые предположение о ветровом происхождении лессовых пород было высказано в 1857 г. В.Аостом, однако большинство исследователей связывает эоловую гипотезу с именем Ф.Рихтгофена. Описанный им (дат. по pî j) в Китае лесс с хорошо сохранившимися тонкостенным» ^раковинами наземных моллюсков свидетельствовал о том, что они не перемещались геологическими силами, что толща лессов нарастала медленно, а сухость климата способствовала их сохранению на поверхности земли и в погребённом виде О том же свидетельствовали находка в лессе костей наземных млекопитающих и многочисленные вертикальные канальцы пустоты от корней растений. Накопление лесса происходило за счет намыва твердых частиц по склону, отложения пыли ветром и химического выделения солей, которые по корням поступают с глубин в растворенном виде. Эти

iO

факты опровергали гипотезы об отложении лесса в пресноводном бассейне или в море.

Однако^ описывая китайские лессы, Рихтгофен не отводил ветру ррль единственного фактора лессообразования. На это указал В.А.Обручев в 1911 г. По его словам, Рихтгофен "признавал за стру йками дождевой воды весьма существенную роль в процессе создания лессовых толщ" {85}. Обручев-так рисует картину лессовакопления по Рихтгофену: "Благодаря сухому климату при преобладании физического выветривания и интенсивной деятельности ветра продукты разрушения горных пород, слагающих кряжи и гряды холмов, сносятся с высот и постепенно накопляются в долинах и котловин