6.4.Рельефы,Обусловленные деятельностью экзогенных сил.

Происходящие на Земле процессы и явления обычно являются звеньями единой сложной цепи процессов формирования рельефа местности с момента выхода ее из-под уровня моря.

Геологические процессы являются результатом геологической деятельности воды ,ветра ,температур и т.д. Появляются они в верхней части литосферы и оказывают определенное влияние на инженерные сооружения .Геологические процессы , возникновение и проявления которых связано с инженерной деятельностью человека ,наз. инженерно-геологическими. Природные геологические и инженерно-геологические процессы и явления тесно вязаны между собой и взаимно обусловлены.

При изучении этих процессов следует особое внимание уделять:

1. причинам их возникновения ,

2. динамики развития их во времени ,

3. количественной оценке их проявления ,

4. выбору предупреждающих мероприятий их проявления,

5. выбору инженерно-строительной деятельности человека на окружающую среду.

6.4.1.ПРОЦЕСС ВЫВЕТРИВАНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД.

В верхней части земной коры горные породы находятся в ус­ловиях взаимодействия с атмосферой, гидросферой и биосферой и претерпевают разрушения и изменения в своем составе и состо­янии. Большинство горных пород, слагающих земную кору, обра­зовалось на некоторой, иногда значительной глубине. Оказываясь в наружной части земной коры, они попадают в совершенно иные физико-химические условия и под влиянием различных факторов начинают разрушаться, подвергаться выветриванию — важному процессу внешней геодинамики.

Выветриванию способствует трещиноватость горных пород.

В магматических поро­дах развиты контракционные трещины, образующиеся при сокра­щении объема в результате остывания магмы. Это трещины от­дельности.

• Для базальтов характерна столбчатая отдельность,

• для гранатов — матрацевидная или плитчатая,

• для некоторых диаба­зов — шаровая.

Кроме того, в ряде областей щироко развиты тек­тонические трещины, возникающие в результате движений земной коры. Чем гуще сеть трещин, тем легче протекают процессы вы­ветривания.

Под выветриванием понимают совокупность сложных процес­сов физического разрущения, химического и биохимического раз­ложения минералов и горных пород. Эти процессы вызываются рядом факторов:

• суточными и сезонными колебаниями темпера­туры;

• механическим воздействием замерзающей поды,

• разрастаю­щейся корневой системы растений и т.п.;

• химическим воздействи­ем воды и газов — кислорода и углекислоты;

• биохимическим воздействием органических кислот и других продуктов, образую­щихся при жизни растений и животных, а также при их отмира­нии и разложении.

В зависимости от воздействующих факторов в одних случаях происходит физическая дезинтеграция (распад) гор­ных пород и образование обломков различной размерности, без изменения минерального и химического состава, в других — под влиянием химических и биохимических факторов происходит ко­ренное изменение состава минералов и замещение их новыми.

Физическое выветривание вызывается разнообразными факто­рами. В зависимости от природы воздействующего фактора харак­тер разрущения горных пород при физическом выветривании раз­личен. В одних случаях процесс разрущения происходит внутри самой горной породы без участия внещнего механически действу­ющего агента. Сюда относится изменение объема составных час­тей породы, вызываемое колебанием температуры, такое явление может быть названо температурным выветриванием. В других слу­чаях горные породы разрушаются под механическим воздействи­ем посторонних агентов. Такой процесс может быть условно на­зван механическим выветриванием.

Температурное выветривание происходит под воздействием суточных и сезонных колебании температуры, вызывающих нерав­номерное нагревание и охлаждение горных пород. При этом ми­неральные зерна, слагающие горные породы, испытывают то рас­ширение при повышении температуры, то сжатие при ее пониже­нии. Наибольшему разрушению в результате температурного выветривания подвержены полиминеральные горные породы, та­кие, как граниты, габбро, гнейсы и др.

в результате длительного воздействия колебаний температуры взаимное оцепление отдельных минеральных зерен в горной поро­де нарушается, она растрескивается и распадается на отдельные обломки. На интенсивность температурного выветривания влия­ют также окраска горной породы и размеры слагающих ее мине­ральных зерен. Под влиянием солнечных лучей значительно силь­ней нагреваются темноцветные минералы. Вследствие этого быст­рее разрушаются темноокрашенные, а также крупнозернистые горные породы. Температурное выветривание наиболее интенсив­но протекает в областях, характеризующихся резкими контрастами температур, особенно суточных, сухостью воздуха и отсутствием или слабым развитием растительного покрова, смягчающего тем­пературное воздействие на почвы и горные породы.

Механическое выветривание происходит под механическим воздействием посторонних агентов. Особенно большое разруши­тельное действие оказывает замерзание воды. Когда вода попада­ет в трещины и поры горных пород, а потом замерзает, она увели­чивается в объеме, производя при этом огромное давление. Такая сила преодолевает сопротивление горных пород на разрыв, и они раскалываются на отдельные обломки. Наиболее интенсивное расклинивающее действие производит замерзающая вода в трещи­нах горных пород. Но под влиянием замерзающей воды легко дро­бятся и породы с высокой пористостью, в которых перовое про­странство занимает 30% объема (песчаники и другие осадочные породы). Процессы, связанные с воздействием периодически за­мерзающей воды, часто называют морозным выветриванием. Оно наблюдается в высоких полярных и субполярных широтах, а так­же в горных районах выше снеговой линии, где в ряде случаев про­является и температурное выветривание. Здесь нередко встречают­ся огромные пространства, сплошь покрытые обломками горных пород, представляющие собой глыбовые и щебнистые развалы.

Механическое воздействие на горные породы оказывают кор­невая система деревьев и роющие животные. По мере разрастания деревьев увеличиваются в размерах их корни. Они давят с большой силой на стенки трещин и раздвигают их как клинья и тем самым вызывают раскалывание породы на отдельные глыбы и обломки. Часть таких глыб выталкивается вверх. Механическое воздействие оказывают и различные роющие животные, такие, как земляные черви, муравьи, грызуны и др.

Разрушение пород вызывает также рост кристаллов в капил­лярных трещинах и порах. Это хорошо проявляется в условиях су­хого климата, где днем при сильном нагревании капиллярная вода подтягивается к поверхности и испаряется, а соли, содержащиеся в ней, кристаллизуются. Под давлением растущих кристаллов капиллярные трещины расширяются, что и приводит к нарушению монолитности горной породы и ее разрушению.

Химическое выветривание обычно сопутствует физическому. Главными факторами химического выветривания являются вода, кислород, углекислота и органические кислоты, под влиянием ко­торых существенно изменяются структура и состав минералов и образуются новые минералы, соответствующие определенным физико-химическим условиям. Важнейший фактор химического выветривания — вода, которая в той или иной степени диссоци­ирована на положительно заряженные водородные ионы и отри­цательно заряженные годроксильные ионы. Особенно возрастает интенсивность химического выветривания, когда в водном раство­ре присутствуют кислород, углекислота и органические кислоты, которые обладают большой активностью и во много раз повыша­ют диссоциацию воды. В зависимости от реакции среды в процес­се выветривания возникают различные характерные ассоциации минералов.

Процессы, протекающие при химическом выветривании, за­ключаются в следующих основных химических реакциях: окисле­нии, гидратации, растворении, гидролизе.

Процессы окисления наиболее интенсивно протекают в мине­ралах, содержащих закисные соединения железа, марганца и дру­гих элементов. Например, сульфиды в кислой среде становятся неустойчивыми и постепенно замешаются сульфатами, окислами и гидроокислами. Этот процесс можно схематически изобразить следующим образом:

FeS₂ +nО₂ + mH₂->FeSo₄ -> Fe₂(SO₄)₃ -> Fe₂O₃ • n H₂O

Пирит сульфат сульфат бурый

закиси окиси железняк

железа железа (лимонит)

На первой стадии получаются сульфат закиси железа и серная кислота (H₂SO₄). Наличие серной кислоты значительно усиливает интенсивность выветривания, способствует дальнейшему разложе­нию минералов. На второй стадии сульфат закиси железа перехо­дит в сульфат окиси железа, который оказывается неустойчивым и под действием кислорода и воды переходит в водную окись же­леза — бурый железняк. Многие осадочные породы, такие, как пески, песчаники, глины, мергели, содержащие отдельные вклю­чения железистых минералов, бывают часто окрашены в бурый или охристый цвет, указывающий на окисление включений желе­зистых минералов.

Гидратация — это процесс присоединения воды к первичным минералам горных пород и образование новых минералов.

Можно привести следующие примеры гидратации: переход ангидрита в гипс по реакции

СаSO₄ + 2Н₂О —>Са SO₄• 2Н₂O реакция обра­тима при изменении условий. При гидратации объем породы уве­личивается и покрывающие отложения деформируются.

Под влиянием воды, содержащей углекислоту, происходит ра­створение горных пород. Растворение особенно интенсивно про­является в осадочных гордых породах - хлоридных, сульфатных и карбонатных. Наибольшей растворимостью отличаются хлориды: соли натрия, калия и др. За хлоридами по степени растворимости стоят сульфаты, п частности гипс, за которыми следуют карбонат­ные породы: известняки, доломиты, мергели. В результате раство­ряющей деятельности поверхностных и подземных вод на поверх­ности растворимых пород образуются специфические формы рельефа: борозды, воронки, котловины, а в глубине каналы и пе­щеры. Этот процесс называется карстом.

Сложный процесс гидролиза особенно большое значение име­ет при выветривании силикатов и алюмосиликатов. Он заключа­ется в разложении минералов, выносе отдельных элементов, а так­же в присоединении гидроксильных ионов и гидратации. В ходе гидролиза первичная кристаллическая структура минерала нару­шается и перестраивается и может оказаться полностью разрушен­ной и заменена новой, существенно отличной от первоначальной и соответствующей вновь образованным гипергенным минералам. В ряде случаев гипергенное преобразование силикатов и алюмоси­ликатов под влиянием воды, углекислоты и органических кислот протекает стадийно с образованием различных глинистых минера­лов

Биохимическое выветривание на горные породы начинается уже с появления на скальных поверхностях горных пород различных микроорганизмов, лишайников и мхов. В результате такого воз­действия на скальной поверхности породы после их отмирания появляются углубления, заполненные сухим органическим веще­ством. Все это подготавливает условия для последующего заселения скал высшими растениями и сопутствующей им фауной. Роль организмов в биохимическом выветривании определяется тем, что они поглащают из разрушае­мой породы химические элементы в соответствии со своими био­логическими потребностями (как питательные вещества).

Следует отметить, что организмы участвуют не только в раз­ложении первичных минералов и усвоении их элементов, но и в построении из этих элементов, которые после отмирания и ми­нерализации органического вещества сохраняются в виде особых биогенных соединений. Таким образом, биологический кругово­рот веществ, свойственный верхней части коры выветривания и

особенно почвенного покрова, характеризуется определенной цикличностью и направленностью развития — от поглащения живыми организмами элементов из разрушаемых пород до отми­рания организмов, минерализации органических веществ и воз­врата элементов в окружающую среду в новом качестве.

Большое значение в процессах биохимического выветривания имеют:

1) выделение при фотосинтезе кислорода;

2) образование органических кислот и СO₂ при отмирании растений и при разло­жении органической массы, переработке ее микроорганизмами.

Наличие органических кислот и СО₂ значительно усиливает ра­створение и гидролиз первичных и вторичных минералов. Таким образом, воздействие органического мира на горные породы сво­дится или к физическому (механическому) разрушению их, или к химическому разложению. Следует еще раз подчеркнуть услов­ность подразделения процессов выветривания на физические, химические и биохимические. Это единые сложно взаимосвязан­ные процессы, действующие одновременно, особенно в верхнем слое почвы и материнских пород.

В процессе физического и химического разрушения горных пород накапливаются продукты выветривания — остаточные, ко­торые остаются на месте горных пород. Эти остаточные, несме­щенные продукты выветривания, представляющие собой один из важных генетических типов континентальных отложений, называ­ются элювием. Всю совокупность различных элювиальных обра­зований верхней части литосферы называют корой выветривания. Формирование кор выветривания протекает сложно и зависит от комплекса природных факторов — состава горных пород, рельефа, климата, грунтовых вод, биоса и движений земной коры.

Состав элювиальных образований, слагающих коры выветри­вания, и их мощность изменяются в зависимости от сочетания раз­личных факторов. Наиболее благоприятны для формирования мощных кор выветривания сочетание высокой температуры и большой влажности, относительно выровненный рельеф — выров­ненные площади на месте древних горных сооружений, обширные уплощенные водоразделы материковых равнин, высокие плато и плоскогорья в областях так называемых возрожденных гор, обилие растительного покрова и большая величина его отпада, полимине­ральные магматические и метаморфические исходные горные по­роды и длительности периода выветривания.

Под элювиальными грунтами понимают грунты, являющиеся продуктами выветривания скальных пород, оставшимися на мес­те своего образования и сохранившими в той или иной степени в коре выветривания структуру и текстуру исходных пород, а также характер их залегания.

к специфическим особенностям элювиальных грунтов отно­сятся: пониженная несущая способность по сравнению с исходны­ми породами, большая изменчивость степени выветрелости по площади и глубине, резкая неоднородность их свойств, невыдер­жанность отдельных слоев по мощности, резкая изменчивость глу­бин залегания подошвы выветрелых грунтов, возможность прояв­ления плывунных свойств и пучинистости, резкое снижение проч­ностных свойств грунтов при замачивании, наличие реликтовой структуры и текстуры коренных пород.

По структуре коры выветривания подразделяются на площад­ную и линейную. Площадная кора выветривания имеет вертикаль­ную зональность, близкое к горизонтальному залегание границы коры со скальными породами, сравнительно небольшую глубину выветривания. Линейная кора выветривания имеет горизонталь­ную зональность, т.е. смену зон выветривания, характеризуется большой глубиной выветривания и вытянутостью в плане.

Различают древние коры выветривания и современные (чет­вертичные), в формировании которых, а следовательно, и в строе­нии существуют значительные различия.

Древние элювиальные грунты распространены, как правило, в пределах плоских водораздельных равнин, на щитах и связаны с мезозойскими и кайнозойскими отложениями. Они могут залегать с поверхности или располагаться на любых глубинах, под покро­вом четвертичных и более древних по возрасту грунтов. В горно­складчатых областях они располагаются в пределах тектонических опускании, где погребены покровом более молодых отложений.

Современные элювиальные грунты сформировались преиму­щественно под воздействием процессов физического выветрива­ния и выщелачивания и связаны в основном с выходами на повер­хность осадочных, магматических и метаморфических пород.

Распространение элювиальных грунтов по площади, мощ­ность, степень их изменения в плане и по глубине зависят как от климатических, так и от геологических факторов.

В осадочных породах арктических и пустынных районов пре­обладает физическое выветривание, для магматических пород в тропических областях характерно химическое выветривание. В платформенных областях коры выветривания распространены на значительных площадках, а в складчатых областях развивается линейный тип коры выветривания. В первом случае элювиальные грунты имеют площадное распространение, площадь их практи­чески не изменяется в плане, во втором — формируются «карма­ны», «гнезда» и прослойки выветрелых грунтов, которые связаны с определенными литологическими разностями пород и зонами тектонических нарушений.

в вертикальном разрезе (или профиле) коры выветривания выделяют несколько зон выветривания, каждая из которых харак­теризуется совершенно с определенными инженерно-геологичес­кими свойствами. Е.М. Сергеев (1978) предлагает выделять три зоны коры выветривания: дисперсную, обломочную и трещинова­тую (рис. 22).