Лессовые породы, условия образования, строительные свойства

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО  ПО ОБРАЗОВАНИЮ

 

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«Нижегородский  государственный архитектурно-строительный университет» 

 

Кафедра геоэкологии  и инженерной геологии

»

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

Лессовые породы, условия образования, строительные свойства

 

 

 

 

 

 

Выполнил: Иванова Е. В.

Группа: 3-09/вв

Проверил: Рыбникова И. Н.

 

 

 

Нижний Новгород

2009г

 

Содержание

Введение…………………………………………………………………………3

Основная часть

1. Происхождение лёссов…………………………………………………….4
2. Природа просадочности лёссовых пород………………………………8
3. Свойства лессовых пород………………………………………………...10
4. Способы борьбы с просадочностью лёссовых пород…………………13

Заключение……………………………………………………………………..16

Список литературы…………………………………………………………….17

 

Введение

Лёссовые породы встречаются на всех континентах, но наиболее широко они распространены в Европе, Азии и Америке. По подсчетам К. Кейльгака, при средней мощности лёсса 10 м общая площадь, занятая лёссовыми породами на земном шаре, составляет 19 млн. км². Северная граница распространения лёссов опускается в Европе до 60˚ с. ш., в Азии она проходит гораздо севернее, а южная граница достигает 28˚ с. ш. В тропических и субтропических областях лёссы не встречаются.

На территории стран СНГ площадь, покрытая лёссовыми породами, составляет около 34% континентальной части СНГ. Лёссы лежат сплошным покровом на большей части Украины (до 80%) и юге европейской части России. Большие площади покрыты лёссовыми породами в Средней Азии, Казахстане, Восточной, Южной и Западной Сибири. Довольно часто они встречаются в Белоруссии, Поволжье, Якутии и других районах. На рис. 1 показана карта распространения лёссовых пород на территории СНГ, составленная В.С. Быковой и С.А. Пастушковой ("Лёссовые породы СССР", 1986).  

Лёсс (нем. Löss) — осадочная горная порода, неслоистая, однородная известковистая, суглинисто-супесчаная, имеет светло-жёлтый или палевый цвет.

Лёсс залегает в виде покрова: от нескольких метров до 50—100 м — на водоразделах, склонах и древних террасах долин.

Дисперсный состав (гранулометрия): в лёссе преобладают частицы 0,005—0,05 мм (пылеватые частицы); глинистые частицы менее 0,005 мм присутствуют в количестве 5—30 %; некоторое количество частиц 0,01-0,05 мм представлено агрегатами, образовавшимися при коагуляции коллоидной части породы.

Пористость лёсса 40—55 %. Обычно он пронизан тонкими канальцами (макропорами, следами растительных остатков).

 

 

Рисунок 1 Карта развития лёссовых пород на территории СНГ ("Лёссовые породы", 1986, т. 1): 
1 - лёссы и лёссовые породы большой мощности (более 10 м), проявляющие просадку под собственным весом; 2 - лёссовые породы и лёссы мощные (более 5 м), проявляющие значительные просадочные деформации при дополнительных нагрузках; 3 - лёссовые породы средней мощности (5 - 10 м), проявляющие незначительные просадочные деформации при дополнительных нагрузках; 4 - лёссовые породы прерывистого распространения (3 - 5 м), непросадочные; 5 - лёссовые породы прерывистого и островного распространения изменчивой мощности, неоднородные по просадочности; 6 - лёссовидные и покровные глинистые породы островного и прерывистого распространения, маломощные, непросадочные; 7 - мерзлые покровные пылеватые глинистые породы, проявляющие термопросадки в результате оттаивания.

Лёссы – это  молодые отложения четвертичной системы, возникшие в недавнее геологическое время (не более 1,5 млн. лет тому назад), а в определенных физико-географических условиях они могут образовываться прямо на глазах человека, например, в результате пыльных бурь. По условиям залегания лёссы повсеместно располагаются в виде покровов (то есть не перекрыты другими отложениями). В северных районах, где лёссовые отложения развиты лишь на отдельных участках, их мощность составляет 5 - 10 м, а в районах сплошного распространения (на юге Украины, Северном Кавказе) она повышается до 30 - 50 м и более. Самые мощные разрезы лёссовых пород (до 100 - 200 м) обнаружены в межгорных впадинах на территории Средней Азии. 

 

Происхождение лёссов

Вопрос о происхождении лёсса ещё не получил общепринятого решения. Его образование связывали с различными геологическими процессами (на суше — с деятельностью ветра, дождевых и талых снеговых вод, почвообразованием и выветриванием, вулканизмом, осаждением космической пыли, осадкообразованием в озёрах и морях) и стадиями породообразования.

В 1877 немецкий учёный Ф. Рихтгоффен предложил гипотезу субаэрального (при ограниченной роли воды) происхождения китайского лёсса.

Популярны теории эолового (В. А. Обручев), водного (П.А. Кропоткина) и комплексного (эоловые, делювиальные и почвенно-элювиальные процессы в засушливом климате) происхождения лёсса.

Более чем за вековую историю изучения лёссов было предложено не менее двадцати различных гипотез их происхождения. Обобщение этих данных позволило объединить все гипотезы в несколько групп, объясняющих возникновение лёссов эоловым (ветровым) и водным путем.

Эоловая (ветровая) гипотеза (рис. 2). Ее основателем является Ф. Рихтгоффен (1877). Относя лёссы к эоловым отложениям, он не считал ветер единственным фактором образования лёссовых пород. После детального изучения лёссов Китая Ф. Рихтгоффен пришел к выводу, что лёссовый (пылеватый) материал переносился и откладывался в бессточных впадинах ветром и дождевой водой и удерживался там степной растительностью.

Рисунок 2 Эоловая гипотеза возникновения лессовых пород.

Эоловая гипотеза нашла много последователей среди  ученых России и других стран, которые развили и дополнили ее. Так, В.А. Обручев (1904) объяснял формирование сплошного лёссового покрова на высоких элементах рельефа за счет пыли, принесенной из отдаленных районов (экзотическая пыль). По мнению П.А. Тутковского (1899), ветры развевали ледниковые отложения и уносили пыль далеко от ледникового покрова, где она и образовывала лёсс. Американские ученые Ф. Леверетт (1899), Т. Чемберлин и др. (1909) основное значение придавали образованию пылеватых толщ за счет развевания речных и водно-ледниковых отложений близлежащих долин. Многие известные отечественные и зарубежные ученые, например, А.И. Москвитин, И.И. Трофимов, Н.И. Кригер были и до настоящего времени остаются горячими сторонниками эоловой гипотезы. Это связано с тем, что данная гипотеза хорошо объясняет покровное залегание лёссов на больших площадях и подкрепляется фактами быстрого накопления в засушливых областях довольно мощных слоев пылеватых осадков после прохождения сильных пыльных бурь.

Гипотезы водного происхождения (рис. 3). Среди сторонников, рассматривающих лёсс как породу, сформировавшуюся в водной среде, следует отметить выдающихся ученых П.А. Кропоткина (1876), В.В. Докучаева (1892), А.П. Павлова (1898), Ю.А. Скворцова (1948), Н.И. Толстихина (1928).

По мнению этих исследователей, образование толщи  пылеватых осадков происходило  в результате смыва и последующего переотложения склоновых пород, переноса и накопления минерального материала в речных долинах и  озерах, а также переноса и накопления лёссовых отложений водно-ледниковыми потоками. Существовала также точка зрения, что лёсс – это принесенная пыль, но переотложенная водными потоками. Все эти гипотезы рассматривают лишь процесс накопления пылеватых отложений, но не отвечают на главный вопрос: как пылеватый осадок превращается в лёсс с характерным набором признаков и свойств.

Почвенно-элювиальные, комплексные гипотезы. В соответствии с этими гипотезами пылеватые отложения могут накапливаться любым путем, а их превращение в лёсс со всеми специфическими признаками этой породы происходит в результате почвообразования и выветривания. К сторонникам этой гипотезы следует отнести Л.С. Берга (1916), Н.М. Симбирцева (1900), Б.Б. Полынова (1934), И.П. Герасимова (1939).

При рассмотрении данных гипотез, к сожалению, приходится констатировать, что они могут объяснить происхождения лишь отдельных лёссовых толщ.

Обобщение и анализ существующих в настоящее время гипотез  происхождения лёссов позволяет  сказать, что процесс формирования лёссовых пород состоит из двух этапов:

• накопление минерального пылеватого осадка, которое может происходить различными путями,
• превращение накопленного осадка в типичный лёсс, то есть в просадочную породу.

Безусловно, второй этап, характеризующийся появлением уникального явления – просадочности лёссов, имеет важнейшее значение. Ведь именно просадочность делает лёссы теми загадочными породами, над которыми уже более ста лет бьются ученые.

Природа просадочности  лёссовых пород

До сих пор нет  единого мнения о природе просадочности лёссовых пород. Различные исследователи выдвигали достаточно много предположений и гипотез по поводу возникновения этого специфического и неотъемлемого свойства лёссов (рис. 4). Анализ существующих мнений показывает, что все гипотезы, объясняющие просадочность лёссовых пород, можно разделить на две группы.

• В первой группе просадочность лёссов рассматривается как их первичное свойство, то есть когда просадочность формируется непосредственно в ходе накопления и начальной стадии преобразования минерального пылеватого осадка. Одну из причин возникновения просадочности Н.Я. Денисов (1953) видел в формировании недоуплотненных лёссовых толщ вследствие захоронения рыхлой, сцементированной легкорастворимыми веществами, массы пылеватых частиц под постепенно накапливаемыми слоями вышележащих пород. Слабыми местами этой гипотезы было то, что она не могла объяснить сохранение просадочных свойств в течение длительного времени, не давала объяснений фактам увеличения просадочности под горизонтами погребенных почв и скачкообразному изменению просадочности лёссовых пород по разрезу каждого накопленного слоя.

• Гипотезы второй группы характеризуют просадочность как новообразованное свойство породы, то есть когда просадочность приобретается после накопления пылеватого осадка. Наибольшее распространение здесь получила гипотеза мерзлотного выветривания. По мнению Е.М. Сергеева и А.В. Минервина (1960), формирование просадочности происходит в результате циклического сезонного промерзания-оттаивания исходных пылеватых пород и удаления из них льда посредством сублимации (испарения льда минуя жидкое состояние). В ходе промерзания поровая вода превращается в лед, разуплотняет породу и способствует дроблению более крупных песчаных зерен до размера пылеватых частиц. Данная гипотеза формирования просадочности подтверждается лабораторным и натурным моделированием. Она хорошо объясняет распространение и характер залегания лёссов в пространстве и разрезе, скачкообразное изменение просадочности лёссовых пород по разрезу, увеличение просадочности под горизонтами погребенных почв, появление просадочности в условиях сурового климата плейстоценовой эпохи развития Земли (приблизительно от 10 до 800 тысяч лет тому назад) - периода времени, когда наблюдалось наиболее интенсивное накопление лёссовых толщ.

Свойства  лессовых пород

Многолетний опыт исследований лёссов показывает, что  одним из основных факторов, определяющих просадочность этих пород, является их специфическая структура, то есть размер и форма твердых (минеральных) структурных элементов, строение порового пространства и особый характер структурных связей (взаимодействий между частицами) (рис. 5).

Как уже отмечалось, лёссы – это пылеватые породы, которые не менее чем на 50% состоят из пылеватых частиц с размерами 0,005 – 0,05 мм. Для большинства лёссов характерно высокое, иногда до 15 – 20%, содержание карбонатов, преимущественно кальцита (CaCO3), и присутствие до 3 – 5% растворимых солей (сульфаты, хлориды).

Важной особенностью структуры лёссовых пород является ее высокая агрегированность (объединение, укрупнение показателей по какому-либо признаку), когда пылеватые и глинистые частицы образуют изометричные агрегаты с размерами 0,01 – 0,25 мм. Специфическое строение имеют песчаные и крупные пылеватые зерна, названные глобулами. Как показали наблюдения в РЭМ, в центре глобулы размещается ядро, состоящее из отдельных кварцевых микроблоков. Поверх ядра располагается дырчатая оболочка кальцита, которая в свою очередь перекрывается глинистой "рубашкой" (непрерывной пленкой частиц глинистых минералов), пропитанной оксидами железа и аморфным кремнеземом (SiO2). Специфический характер твердых структурных элементов в лёссах обусловливает формирование в них так называемых агрегативных, или зернистых, микроструктур.

Пористость  просадочных лёссов обычно изменяется от 42 до 46%. При этом поровое пространство лёссовых пород характеризуется  присутствием трех типов пор: макропор, межзерновых и межагрегатных  микропор, внутриагрегатных микропор.

Наиболее крупными являются макропоры, имеющие трубчатую форму с диаметром 0,05 – 0,5 мм. Они обычно хорошо видны невооруженным глазом и пронизывают лёссовую породу в вертикальном направлении. Макропоры являются одним из важнейших диагностических признаков структуры просадочных лёссов. Некоторые ученые считают, что макропоры – следы корней растений. Однако сейчас существует мнение, что большая часть макропор представляет собой своеобразные магистральные каналы, образовавшиеся в результате преимущественно вертикальной миграции воды и газов. Об этом свидетельствует наличие значительных выделений солей на стенках макропор.

Наиболее важными  в структуре лёссовых пород являются межагрегатные и межзерновые микропоры. Эти микропоры обычно имеют изометричную форму, а их размер изменяется от 0,008 до 0,05 мм (рис. 6).