Грунтоведение

 

Как разделяются грунты

 

 

 

Имеются и другие, более дробные подразделения, в которых грунты делятся либо по минеральному составу, либо по каким-нибудь свойствам, например: сжимаемости, влажности, уплотненности и т. д.

 

Так, все природное многообразие грунтов удалось разделить на классы, группы, типы, виды, разновидности. Если грунтовед определяет, что какой-то грунт: суглинок аллювиальны й, средний, гидрослюдистый, в пластичном состоянии, то этого достаточно для того, чтобы предположить, какими могут быть его свойства. Можно сказать, что классификационные определения являются своеобразной «визитной карточкой» грунта.

 

Наш рассказ не будет полным, если не упомянуть о роли возраста грунтов. В геологии известно, что с течением времени меняются рельеф, взаиморазмещение суши и морей, климат, вулканические процессы и многое другое, определяющее условия образования пород; Поэтому если говорят о морских глинах палеогенового возраста, то в определенной степени становятся ясны условия их образования.

 

В море глины образуются главным образом за счет взвешенных частиц, которые, оседая на дно, постепенно формируют слой или пласт. Образование таких слоев идет очень медленно: за год накапливается не более 1—2 мм осадка. Так как глины формируют толщи, мощность которых измеряется десятками и даже сотнями метров, для их накопления требуются десятки и сотни тысяч лет. За это время происходят изменения течений, возникают поднятия и опускания дна, меняется береговая линия, появляются и исчезают реки. В конечном счете такой пласт глины оказывается как бы летописью геологической истории эпохи его отложения. Вот почему пределах толщ любых осадочных пород меняются их состав, строение и свойства как по вертикали, так и по горизонтали.

 

Часто море отступает, и глина оказывается на континенте. Здесь ее ждут новые «враги» — колебания температуры, изменения влажности, микроорганизмы, корневые системы растений и др. Все они порождают процессы, которые получили название «выветривание грунтов». Под действием этих процессов глина может сильно изменяться.

 

Вот почему не во всех случаях генезис и возраст породы позволяют судить об ее современных свойствах.

Перед нами насыпаны на блюдце три белых порошка. По виду они одинаковы, но если попробовать их на вкус, то окажется, что один сладкий, другой соленый, а третий безвкусный. А если опустить их в воду, то первый и второй растворятся, а третий образует нерастворимый осадок на дне. Хотя их «внешность» одинакова, но составы — разные. Без особого труда можно определить, что первое вещество — сахар, второе — поваренная соль, а третье — гипсовый порошок. Таким образом, они состоят соответственно из кристаллов сахарозы, минерала галита и минерала гипса. Значит, и свойства этих порошков определяются их кристаллами — минералами.

 

А теперь на столе перед нами три кусочка грунта: первый (очень прочный) — гранит, второй (сравнительно мягкий) — тальковый сланец и третий — сухая глина. Первые два кусочка, брошенные в воду, не изменяются, не размокают, сохраняя твердость, зато, если увлажнить третий грунт, то он становится вначале вязким, а затем постепенно превращается в текучую массу. Сланец, в отличие от других двух образцов, на ощупь производит впечатление жирного и т. д. Опять оказывается: разные грунты — разные свойства. Теперь мы уже знаем главную причину такого отличия: грунты состоят из разных минералов. Гранит содержит кварц, полевой шпат и слюду, сланец сбСТойт главным образом из минерала, получившего название талька. Он известен тем, что, размолотый в порошок, употребляется как детская присыпка. Наконец, глина состоит из массы особых «глинистых» минералов, обладающих чаще всего очень малыми размерами.

 

Можно сказать, что разнообразие и многие свойства грунтов в определенной степени зависят от состава минералов. Зная его, можно предсказать и некоторые качества грунта.

 

Удивительный мир минералов очень богат и разнообразен. В земной коре известно более 7000 их разновидностей. Некоторые из минералов, такие, как топаз, алмаз, аквамарин, рубин и другие «благородные» камни, поражают своей красотой и считаются драгоценными. Вместе с тем их роль в природе крайне незначительна. Главное место в мире камней занимают породообразующие минералы. Их число не превышает 100 наименований. Среди них особенно распространены кварц, полевые шпаты, слюды, кальцит и другие «рядовые» минералы. Основная масса грунтов и слагается ими. Большинство таких минералов представляет собой кристаллы, имеющие разнообразные формы многогранников. Эти формы связаны с закономерным внутренним размещением молекул составляющих их веществ. Они образуют правильные кристаллические решетки разных типов, создающих многообразие внешних форм минералов. Любому человеку знакомы кристаллы слюды, представляющие собой плоские пластины, поразительные формы рубинов, горного хрусталя и других, встречающихся в повседневной жиз,ни минералов.

 

Часть из них представлена очень крупными кристаллами-великанами. Так, слюды могут образовывать пласты площадью несколько квадратных метров, кварц встречается в виде кристаллов длиной до 2,7 м ( 5). Но в природе многочисленны и очень тонкие кристаллики размером от 0,0005 до 0,00001 мм и даже меньше.

 

Среди минералов есть и такие, кристаллическое строение которых трудно обнаружить, поэтому говорят, что они аморфны. Таковы, например, известные разновидности кварца: кремень, агат, опал.

Минералы изучаются одной из геологических наук — минералогией, а данные, полученные учеными-минералогами, широко используются в грунтоведении.

 

Скальные грунты, образовавшиеся путем кристаллизации глубинных расплавов (магмы) или метаморфических процессов, такие, как граниты, диориты, габбро, базальты, гнейсы, сланцы, диабазы и многие другие, состоят в основном из солей кремневых кислот— «силикатов». К ним относятся: кварц, полевые шпаты, слюды, роговые обманки и др. Химический состав силикатов достаточно сложен. Например, разновидность полевого шпата — ортоклаз имеет формулу K[AlSi308]. Сочетание силикатов и создает высокую прочность скальных пород.

 

Помимо этого, в ряде скальных грунтов осадочного происхождения (известняки, каменная соль, гипс), а также в некоторых метаморфических породах (например, мрамор) основу составляют минералы — простые соли. К ним относятся галоиды (галит), карбонаты (кальцит, доломит), сульфаты (гипс, ангидрит). Одни из них быстро растворяются в воде (например, галит, сильвин), другие медленнее (кальцит, гипс). Их химический состав несложен. Так, весьма распространенный кальцит имеет формулу СаСОз, а другой минерал — галит, известный в быту как поваренная соль, — NaCl; гипс, образующий породу того же наименования, — CaS04-2H20. Прочность этих минералов уступает силикатам.

Рыхлые грунты часто имеют пестрый минеральный состав (хотя такая порода, как песок, состоит в основном из кварца). Среди грунтов этого типа есть чемпионы по количеству составляющих их видов минералов. Так, лёссовые грунты содержат до 60—70 минералов.

 

В составе ряда осадочных грунтов: глин, суглинков, супесей — большую роль играет особая группа силикатов, образующих очень тонкие кристаллы — глинистые минералы. Их размеры оказываются меньше 0,001—0,0001 мм. О них мы расскажем дальше.

 

Легко заметить, что различное сочетание минералов разных видов является одной из причин разнообразия грунтов по их характеру и свойствам. Это делает необходимым широкое использование минералогических методов для выявления состава грунтов.

 

Первыми были изучены минералы крупные (>1—2 мм) и «великаны». Это легко можно понять: ведь они видны невооруженным глазом. В XVII в. голландским ученым А. Левенгуком был создан первый микроскоп. Однако долгое время он использовался только для биологических и ботанических исследований. С течением времени микроскоп совершенствовался, и в XIX в. его стали использовать для исследования песчано-пылеватых минеральных частиц размером более 5 мкм (0,005 мм).

 

Минералогический микроскоп открыл целый мир минералов «средних» размеров — от 1—2 до 0,005 мм. Его использование позволило изучить особенности тонкопесчаных и пылеватых частиц. Микроскоп и сейчас является важным оружием грунтоведа. С его помощью можно увидеть и определить состав агрегатов и частиц размером более 0,002 мм. Он позволяет исследовать многие детали строения грунта: поры, трещины, взаимоотношение агрегатов и частиц и другие элементы структуры. Более тонкие детали строения грунтов при помощи оптического микроскопа увидеть не удается. Это связано с тем, что длина световой волны меньше 0,8 мкм. Частицы, приближающиеся к этому размеру, как бы обтекаются лучами света и становятся практически невидимы в оптический микроскоп. Только в середине XX в., призвав на помощь современные физические методы, ученые раскрыли существование целого мира «невидимых» карликовых минералов. Идею об их существовании впервые высказал еще в XVIII в. М. В. Ломоносов. Однако эти гениальные догадки нельзя было в то время экспериментально подтвердить.

Эти замечательные карлики широко распространены вокруг нас. В одном кубическом сантиметре самого чистого воздуха содержится более 1000 пылинок, которые в основном являются микрочастицами тонких минералов.

Чтобы убедиться в их «невидимости», возьмите маленький кусот чек глины и положите его в стакан чистой дистиллированной воды. Подождите немного и взболтайте воду. Взгляните: в стакане опять почти прозрачная вода. Глина распалась на отдельные тонкие кристаллы, которые исчезли из поля нашей видимости.

 

Первым обнаружил глинистые минералы в 1926 г. советский ученый Л. Б. Струтинский, применивший для этой цели рентгеновский аппарат. Затем В. И. Вернадский использовал метод снятия кривых нагревания глин и также обнаружил кристаллическое строение тонкого глинистого вещества. Но увидеть «карликов» удалось только в 40-х годах при помощи просвечивающего электронного микроскопа, созданного О. О. Лебедевым. Об этом мы поговорим » следующем разделе книги.

При помощи рентгеноструктурного анализа открылись весьма сложные особенности строения кристаллов. Оказалось, что каждый из микроминералов обладает своей неповторимой кристаллической решеткой.

 

Исследователи очень удивились, обнаружив, что среди изученных глинистых минералов обнаружились до того не встречавшиеся подвижные кристаллические решетки. Они чем-то напоминали баян. Только этот музыкальный инструмент раздвигается силой рук артиста, а решетка — в результате сложного физико-химического процесса.

Первые такие глины, состоящие из минерала с подвижной структурой, были обнаружены около французского города Монтморилло- на. Этот удивительный микроминерал и получил название «монтмориллонит». Если его начать насыщать водой, то ее молекулы, проникая внутрь подвижной решетки, начнут раздвигать последнюю.

 

Как проявляется этот процесс внешне? Монтмориллонит с большой силой начнет расширяться. Возникнет явление набухания. Если глина целиком состоит из этого микроминерала, то увеличение ее объема может составить десятикратную величину. Если начать высушивать эту глину, то возникнет обратный процесс — усадка.

В отличие от монтмориллонита другой минерал, каолин, имеет неподвижную кристаллическую решетку, которая не меняет своих размеров под воздействием молекул воды. Распределение молекул в структуре обоих минералов довольно сложное, но специалистам- рентгенографам удалось получить о нем точное представление. На  6 показаны крис!аллические решетки монтмориллонита и каолинита.

 

Глинистые минералы образуются в результате процессов выветривания, протекающих на поверхности земли. Сейчас известно около 200 таких минералов. Особое значение в грунтах имеют: каолинит, монтмориллонит, гидрослюда и так называемые смешаннослой- ные минералы. Последние состоят из пакетов, в которых чередуются слои с разными кристаллическими решетками. Встречаются комбинации каолинита с гидрослюдой, гидрослюды с монтмориллонитом.

Если приходится изучать глинистый грунт, то грунтоведа весьма интересует, из каких тонких минералов он состоит. Это позволяет ему заранее получить представление о ряде свойств такого грунта. Данные о составе минералов являются своеобразной путеводной звездой для исследователей.

 

В завершение нашего разговора о минералах-карликах, необходимо сказать, что они играют существенную роль в повседневной жизни людей. Многие из этих удивительных природных образований разрабатываются как полезные ископаемые. Примером могут служить бокситы — важнейший поставщик алюминия. Нередко с микроминералами связаны месторождения железа, марганца, кобальта, золота, никеля и других металлов.

 

Глинистые минералы находят широкое применение в народном хозяйстве. Так, они используются для выработки сукна, шерсти, резины, огнеупоров, кирпича, керамических изделий. Их применяют в радиопромышленности, мыловаренной, парфюмерной, иефтеобра- батывающей, фармацевтической и ряде других отраслей народного хозяйства.

 

Наконец, глинистые минералы имеют большое значение в образовании почв и формировании их урожайности.

Вот как велика роль в жизни человечества этих малых минералов-карликов. Как говорят: «Мал, да удал».

 

 

 Смотрите также:

 

Строительные свойства грунтов. Свойства пылевато-глинистых...

Свойства пылевато-глинистых грунтов находятся в большой зависимости от влажности.
По трудности погружения свай молотами грунты разделяют на две группы

 

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ, показатели физических...

По своей природе они разделяются на водно-коллоидные (эластичные и вязко-пластичные) и кристаллизационные (жесткие). Способность нек-рых грунтов с водно-коллоидными связями...

 

Строительные грунты, основания, водоудаление...

Строительные грунты — это естественным образом образовавшиеся грунты, на которых возводятся строительные сооружения.