microbik.ru
1
С.Д. Воронкевич, Н.А. Ларионова1

Московский государственный университет

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ТЕХНОГЕННОЙ ЭВОЛЮЦИИ ГРУНТОВ

Большинство событий в техногенезе сопровождается формированием техногенных геохимических аномалий. Значительные участки геологической среды поражаются химически активными веществами, растворами электролитов различного состава и концентрации, подвергаются воздействию физических полей (тепловые, электрические и др.). Происходит переформирование вещества гипергенной оболочки в виде появления у грунтов новых признаков в составе, свойствах, изменений структуры, массы, плотности, прочности, проницаемости, сорбционной способности и т.п. Физико-химические слагаемые техногенной эволюции грунтов представлены, главным образом, следующими процессами: растворение твердофазовых компонентов грунтов в растворах кислот и щелочей; гидратация и гидролиз природных и искусственных силикатов и алюмосиликатов и сопутствующие процессы.

Сернокислое выветривание связано с такими формами техногенеза, как: добыча и переработка сульфидных руд, угля, нефти и газа; подтопление кислыми водами вследствие утечек технологических вод; выпадение кислых метеоосадков и другие. Образующаяся серная кислота оказывает энергичное растворяющее действие на большинство породообразующих минералов. Сернокислые потоки наряду с ухудшением состояния окружающей среды активно взаимодействуют с водовмещающими породами, изменяя их физико-механические свойства. В карбонатных скальных массивах происходит нейтрализация избытка серной кислоты с последующим гидролизом основных солей железа и алюминия в обстановке щелочного химического барьера. Вторичные твердые, гелеобразные и газообразные продукты сернокислого выветривания карбонатных пород при определенных геолого-литологических условиях могут повлиять на напряженное состояние и фильтрационную способность участков геологической среды. Выделение образующейся углекислоты в условиях затрудненности газообмена с окружающей средой приводит к увеличению внутрипорового давления газовой фазы, а гидратированные осадки гидроксидов кольматируют породы и уменьшают их водопроницаемость.

При воздействии сернокислых вод на глинистые грунты интенсивность и последовательность протекающих процессов в значительной степени зависит от их состава. В карбонатных грунтах на первом этапе происходит разрушение кальцита с выносом подвижных соединений железа и алюминия. Уменьшается плотность и прочность грунтов, а скорость фильтрации повышается. На отдельных участках в результате нейтрализации кислых растворов происходят формирование и осаждение вторичного гипса и гидроокисей железа и алюминия. Уплотненные этими соединениями зоны отличаются низкими значениями коэффициента фильтрации. Изменяется состав поглощенного комплекса. Происходит вытеснение катионов натрия кальцием с последующим его замещением ионами водорода. Существенная роль принадлежит кислому гидролизу. Результаты и продукты растворения, гидролиза, осаждения определяют направление и интенсивность преобразований грунтов. При повышении концентрации серной кислоты начинается разрушение и вынос гипса, подвижных соединений железа и алюминия. Разрушению подвергаются глинистые минералы. Комплекс протекающих процессов способствует значительному ухудшению прочностных и деформационных свойств грунтов.

Щелочной гидролиз глинистых минералов и грунтов развивается при подтоплении щелочными водами вследствие эксплуатации предприятий химической, нефтеперерабатывающей и горно-химической промышленности. Интенсивность и направленность процессов, характер и степень их трансформации при щелочном гидролизе зависят от концентрации щелочи. Воздействие растворов с концентрацией гидроксида натрия менее 2 н носит физико-химический характер. Такие растворы воздействуют на ионно-солевой комплекс, толщину диффузионной оболочки минеральных частиц на прочность структурных связей и, соответственно, на прочностные и фильтрационные свойства пород. При длительном воздействии щелочных растворов на глинистые грунты активизируются обменные процессы. Изменяется состав поглощенного комплекса. Катионы кальция и магния вытесняются натрием, содержание которого может составлять 60-90% от величины емкости обмена. Совокупность протекающих в системах процессов способствует диспергации агрегатов глинистых частиц, увеличению набухаемости грунтов в 2-3 раза по сравнению с величинами этого показателя в водной среде, уменьшению их плотности и прочности. Коэффициент фильтрации грунтов снижается при увеличивающейся пористости. При низких концентрациях щелочных растворов глинистые минералы не претерпевают значительных преобразований, и в грунтовых системах не создаются условия для формирования новообразований, способствующих их уплотнению и упрочнению.

При воздействии щелочных растворов высоких концентраций (2,5 н и более) активизируется процесс взаимодействия с породами, повышается способность к растворению силикатов и алюмосиликатов, увеличению количества растворимых компонентов. При гидролизе каолинита в щелочной среде образуются метастабильная фаза (алюмосиликатный гель) и гидросодалит.

Степень изменения физических свойств системы находится в соответствии с составом и соотношением минеральных новообразований. По мере увеличения количества новообразованных фаз наблюдается значительное улучшение физико-механических свойств грунтов. С ростом концентрации происходит агрегация частиц, уменьшается число пластичности, структура глинистых грунтов из коагуляционной

переходит в конденсационно-кристаллизационную, повышаются прочностные и деформационные свойства пород.

Процессы инженерно-геохимического преобразования пород протекают во времени медленно, но неизбежно влияют на состояние, свойства и инженерное поведение участков геологической среды в пределах техногенно-геохимических аномалий.



1 С.Д. Воронкевич, Н.А. Ларионова, 2000