Вплив вивітрювання на властивості скельних і напівскельних порід.
Гірські породи, виходячи на поверхню землі або викриваючись гірничими виробками, котлованами та виїмками, рідко зберігають свою початкову свіжість та природний фізичний стан. У приповерхневій зоні в нових температурних, вологісних і фізико-хімічних умовах вони піддаються різним змінам – вивітрюванню, в результаті чого виникає й розвивається елювіальна зона – зона вивітрілих порід.
Слід мати на увазі, що руйнування порід часто розуміється як зміна їхнього фізичного стану, а в дійсності вивітрювання – процес складний, котрий полягає не лише в руйнуванні порід і зміні їхнього мінерального й хімічного складу, але й в утворенні нових, вторинних мінералів, стійких у зоні вивітрювання.
При вивітрюванні гірських порід змінюються:
зовнішній вигляд, забарвлення, відтінки, з’являються вицвітання, патьоки, нальоти солей тощо;
фізичний стан, тому що послаблюються або зникають внутрішні структурні зв’язки між кристалами мінералів або частками і агрегатами, що їх складають;
мінеральний і хімічний склад у тій чи іншій мірі залежно від вивітрілості порід;
властивості – вологоємність, водопроникність, водоносність, щільність, пористість, міцність, твердість, тривкість, стійкість і несуча здатність;
деформаційність, її характер, величина і неоднорідність на різних ділянках.
Все це необхідно враховувати при виборі ділянок для розташування споруд, при оцінці можливих змін стійкості порід в укосах, у стінках котлованів і підземних виробок, а також при визначенні будівельної категорії порід, потужності зони знімання, глибини врізання будівельних котлованів у гірські породи, глибини закладення фундаментів споруд, при організації виконання будівельних робіт тощо.
Вивітрювання гірських порід у приповерхневих горизонтах земної кори – це безперервний процес, інтенсивність якого залежить як від властивостей власне порід, їх мінерального складу, структури, текстури, так і від умов навколишнього середовища, тобто кліматичних – фізико-географічних.
Основні агенти вивітрювання порід – температура, вода і водні розчини, рослинні й живі організми. При цьому інтенсивність вивітрювання зростає зі збільшенням надходження тепла до поверхні землі або зі збільшенням різкості коливань температури порід, зі збільшенням частоти переходу температури через 0оС. Впливає також кількість вологи, що надходить, тобто чим більше випадає опадів, чим інтенсивніше відбувається водообмін у приповерхневих горизонтах порід, чим більше у воді міститься різних агресивних по відношенню до гірських порід речовин, тим інтенсивніше відбувається процес вивітрювання. Велике значення при цьому мають наявність і характер рослинного покриву, мікроорганізмів, вплив різних продуктів їхньої життєдіяльності і в цілому активність біохімічних процесів.
Всі ці агенти руйнування (вивітрювання) гірських порід діють одночасно, але напруженість і перевага того чи іншого цілком залежить від кліматичних умов даної місцевості. Тому може бути різним і характер руйнування порід, тобто тип вивітрювання. Так, наприклад, в умовах холодного вологого або сирого полярного гумідного клімату, тривалих морозів тундри і лісотундри панівну роль відіграє фізичне і особливо морозне вивітрювання. Тут кількість атмосферних опадів перевищує випаровування, але низькі температури повітря обумовлюють їхню акумуляцію у вигляді снігу й фірнового льоду, тому діяльність води у рідкій фазі стримується. На обширних просторах гірські породи у приповерхневих зонах промерзлими, тому породи в зоні вивітрювання промиваються порівняно слабко.
В умовах континентального помірно холодного надлишково вологого гумідного клімату тайги і змішаних лісів поряд із фізичним вивітрюванням помітну роль грає і хімічне. Кількість опадів тут перевищує випаровування, тому породи в зоні вивітрювання промиваються порівняно добре.
В поясі континентального помірно теплого посушливого гумідного клімату лісостепів і степів хімічне вивітрювання є ще інтенсивнішим. Опади переважають тут над випаровуванням, але незначно. Велике значення має поверхневий стік, бо опади випадають протягом року нерівномірно, часто у вигляді злив. Тому породи в зоні вивітрювання промиваються порівняно помірно.
В областях помірно холодного сухого різко континентального арідного клімату пустель і напівпустель, позбавлених рослинності або з бідною рослинністю, різко переважає фізичне вивітрювання. Тут випаровування значно перевищує кількість опадів, і породи в зоні вивітрювання промиваються дуже слабко.
Нарешті, в умовах теплого, жаркого й надлишково вологого гумідного клімату тропіків і субтропіків, в умовах багатої і різноманітної рослинності та активних біохімічних процесів, панівний розвиток має хімічне вивітрювання. Тут опади значно переважають над випаровуванням, і породи в зоні вивітрювання добре і глибоко промиваються.
Окрім клімату, на інтенсивність і характер вивітрювання гірських порід великий вплив справляє також рельєф місцевості. Так, наприклад, в умовах гірського пересіченого рельєфу процеси площинного змивання посилюються. Інколи темпи змивання випереджають темпи вивітрювання порід, тому потужність зони вивітрювання тут мізерна, частіше ж породи невивітрілі, свіжі виступають на поверхню землі або зачеплені вивітрюванням у незначній мірі.
В умовах рівнинного рельєфу, де темпи площинного змивання послаблені або малі, вивітрювання гірських порід поширюється на велику глибину. Тут встигає сформуватися, за інших однакових умов, більш потужна зона вивітрювання. Породи в ній більше змінені, причому часто в неоднаковій мірі на різних глибинах. В результаті встановлюється диференціація зони вивітрювання на підзони.
Отже, із зовнішніх чинників, що обумовлюють темпи і характер вивітрювання гірських порід тієї чи іншої місцевості, першорядне значення мають клімат і тектонічний режим, діючий через рельєф. У більшості випадків фізичне й хімічне вивітрювання розвиваються одночасно, але залежно від кліматичних умов, умов рельєфу те чи інше з них переважає.
При фізичному вивітрюванні відбуваються механічне подрібнення породи, її дезінтеграція на складові компоненти без помітної зміни мінерального й хімічного складу. Воно пов’язане головним чином із різкими коливаннями температури, котрі викликають нерівномірне об’ємне й лінійне розширення і стискання мінеральних компонентів і в цілому об’єму всієї породи. В умовах холодного клімату фізичне руйнування порід інтенсивно розвивається при замерзанні води, що проникає в пори, тріщини й пустоти. При замерзанні води й перетворенні її на лід об’єм її збільшується приблизно на 9%. Це викликає тиск на стінки тріщин і пор до 90-100 МПа і обумовлює розколювання і розривання порід навіть дуже міцних. У посушливих районах при інтенсивному випаровуванні вологи руйнування гірських порід відбувається внаслідок кристалізації солей із водних розчинів у тріщинах і пустотах. При цьому кристалізаційний тиск на стінки пор і тріщин може досягати величезної сили, розривати й розколювати породи також дуже міцні.
Руйнівним чином діє на гірські породи коренева система дерев, що розвивається по тріщинах. Коріння, яке розростається, з великою силою давить на стінки тріщин, розсуває їх і викликає ще більше розколювання порід на окремі брили і уламки.
Таким чином, фізичне вивітрювання спочатку обумовлює розтріскування порід або відшарування з їхньої поверхні окремих плиток, пластинок, шарів, потім розколювання й розділення на великі, зазвичай кутасті уламки, котрі в подальшому кришаться, подрібнюються й перетворюються на щебінь, жорству і пісок.
Інтенсивність фізичного вивітрювання залежить у значній мірі від забарвлення порід, їхнього мінерального складу, структурних і текстурних особливостей, теплоємності й теплопровідності, коефіцієнтів лінійного і об’ємного розширення мінералів і породи в цілому.
При хімічному вивітрюванні відбувається хімічне розкладення породи зі зміною мінерального й хімічного складу, з утворенням нових, стійкіших мінералів і накопиченням мінеральної речовини в тонкодисперсному – колоїдному – стані. Основними агентами хімічного вивітрювання є вода і розчинені в ній вуглекислота, кисень, органічні та інші кислоти, що утворюються в результаті розкладення різних мінералів, рослинних залишків і життєдіяльності організмів.
Вода є сильним хімічним реагентом завдяки тому, що завжди в тій чи іншій мірі дисоційована на іони Н+ і ОН–. Чим вищою є концентрація водневих іонів у воді, тим сильніша її хімічна дія на мінерали порід. Ступінь дисоціації води, а отже, і концентрація водневих іонів зростає з підвищенням температури. Так, наприклад, концентрація водневих іонів у грунтових водах тропіків приблизно в 6 разів вища, ніж у грунтових водах середніх широт, тому й хімічне вивітрювання там інтенсивніше. Значно зростає дисоціація води за наявності в ній вільної вуглекислоти. У воді, насиченій вуглекислотою, концентрація водневих іонів збільшується в 300 разів і більше.
Хімічне вивітрювання гірських порід характеризується великою складністю. У породі одночасно можуть відбуватися розчинення, окислення, гідратація, заміщення і гідроліз. Природно, що залежно від складу і властивосте власне породи, умов навколишнього середовища, тривалості вивітрювання, глибини залягання порід той чи інший процес може отримати переважаючий розвиток.
Безпосереднє розчинення й вилуговування властиві лише соленосним і засоленим породам, що утримують легко- і середньорозчинні солі. Розчинність різних силікатів у порівнянні з простими солями мізерна. Породи соленосні й засолені зустрічаються у при поверхневих горизонтах Землі лише в умовах недостатнього зволоження, тобто степових і головним чином напівпустельних і пустельних областях.
Процесам окислення піддається більшість порід і мінералів, що містять закисні форми заліза, марганцю, нікелю, кобальту, ванадію, сірки та інших елементів. Ці процеси полягають у перетворенні закисних сполук металів у окисні, в результаті чого кристалічна гратка мінералів починає руйнуватися. Зовнішньо цей процес виражається перш за все у зміні кольору породи, у появі жовтого (вохристого) забарвлення, у пігментації мінералів, у появі згустків і пластівців у формі натічних колоїдних утворень.
Одним із добре відомих прикладів подібних процесів є окислення сульфіду заліза (пірит). Сульфіди у присутності вільного кисню і води
стають нестійкими і, поступово окислюючись, перетворюються на сульфати, карбонати і окисли.
.
Із піриту отримується лимоніт, що являє собою сполуку заліза, найстійкішу в при поверхневих горизонтах земної кори. Процесами окислення піриту пояснюється присутність гіпсу в зоні вивітрювання деяких глинистих відкладів. Окисленню піддаються й органічні речовини, часто за допомогою мікроорганізмів. Зовні це також проявляється у зміні забарвлення породи. Так, наприклад, вуглисті й бітумінозні відклади чорного або сірого кольору світліють майже до білого.
Широко розповсюджений при вивітрюванні процес гідратації різних мінералів. Суть його полягає в тому, що багато мінералів за впливу на них води і водяної пари переходять у сполуки, збагачені на воду, хімічно зв’язують її, утворюючи кристалогідрати. Поряд із хімічно зв’язаною водою при гідратації мінералів з’являється також і фізично зв’язана вода, яка адсорбується поверхнею мінералів. Раніше від усіх починають гід ратуватися мінерали з добре вираженою спайністю, головним чином слюди і хлорити, котрі перетворюються на гідрослюди і гідро хлорити. Наприклад,
.
Процес гідратації мінералів зазвичай супроводжується явищами заміщення катіонів. При цьому виникають нові однотипні мінерали, що розрізняються частковим заміщенням основ. Помічено, що мінерали, наділені високою обмінною здатністю основ, особливо схильні до гідратації. Як приклад гідратації мінералів у зоні вивітрювання можна навести перехід ангідриту в гіпс (), гематиту в лимоніт () та ін.
Гідролітичне розкладення – основний процес хімічного руйнування таких широко розповсюджених мінералів, як силікати. Він полягає в тому, що гідратований іон водню (оксоній) витісняє із кристалічної гратки мінералів K, Na, Ca, Mg і, входячи в неї, послаблює внутрішні зв’язки, викликаючи перебудову каркасної гратки в шарувату, а в подальшому розпад її на окремі компоненти. Послідовність гідролітичного розкладення силікатів можна представити у вигляді наступних схем:
;
Ортоклаз Монтморилоніт
у кислішому середовищі
;
Ортоклаз Каолініт
у вуглекислому середовищі
.
Ортоклаз Каолініт
Аналогічною є схема розкладення і залізисто-магнезіальних силікатів. Характерно, що в першу чергу із кристалічної гратки первинних мінералів витісняються основи, котрі утворюють істинні розчини, і виносяться. Кремнезем при розпаді частково переходить у розчин і виноситься, частково переходить у колоїдний стан, виноситься або випадає в осад у вигляді водного кремнезему – опалу, а частково витрачається на побудову нових, вторинних – глинистих – мінералів. Залізо, що входить до складу залізисто-магнезіальних силікатів, переходить із закисної форми в окисну, утворюючи вільні гідрати окису заліза (лимоніт), і накопичується в зоні вивітрювання.
Вторинні – глинисті – мінерали в умовах жаркого і вологого клімату тропіків і субтропіків при значній тривалості процесів вивітрювання можуть піддаватися подальшому розкладенню і переходити в кінцеві найпростіші продукти хімічного вивітрювання – окисли кремнію, алюмінію і заліза, що є найстійкішими у зоні вивітрювання. Таке розкладення можна представити у вигляді схеми
.
Складний процес гідролітичного розкладення силікатів не можна розглядати в ізольованому вигляді: зазвичай він супроводжується явищами гідратації, окислення, карбонатизації, заміщення і винесенням деяких елементів із зони вивітрювання. При цьому виникають нові – вторинні – мінерали й мінеральні утворення.
На сьогодні виділяють наступні чотири основні стадії вивітрювання гірських порід, встановлені Б.Б.Полиновим: 1) уламкову, 2) сіалітну лужну, 3) сіалітну кислу і 4) алітну.
Уламкова стадія характеризується переважанням фізичного вивітрювання над хімічним. На цій стадії відбувається механічне руйнування – подрібнення, дезінтеграція – гірської породи майже без
;
Ортоклаз Монтморилоніт
у кислішому середовищі
;
Ортоклаз Каолініт
у вуглекислому середовищі
.
Ортоклаз Каолініт
Аналогічною є схема розкладення і залізисто-магнезіальних силікатів. Характерно, що в першу чергу із кристалічної гратки первинних мінералів витісняються основи, котрі утворюють істинні розчини, і виносяться. Кремнезем при розпаді частково переходить у розчин і виноситься, частково переходить у колоїдний стан, виноситься або випадає в осад у вигляді водного кремнезему – опалу, а частково витрачається на побудову нових, вторинних – глинистих – мінералів. Залізо, що входить до складу залізисто-магнезіальних силікатів, переходить із закисної форми в окисну, утворюючи вільні гідрати окису заліза (лимоніт), і накопичується в зоні вивітрювання.
Вторинні – глинисті – мінерали в умовах жаркого і вологого клімату тропіків і субтропіків при значній тривалості процесів вивітрювання можуть піддаватися подальшому розкладенню і переходити в кінцеві найпростіші продукти хімічного вивітрювання – окисли кремнію, алюмінію і заліза, що є найстійкішими у зоні вивітрювання. Таке розкладення можна представити у вигляді схеми
.
Складний процес гідролітичного розкладення силікатів не можна розглядати в ізольованому вигляді: зазвичай він супроводжується явищами гідратації, окислення, карбонатизації, заміщення і винесенням деяких елементів із зони вивітрювання. При цьому виникають нові – вторинні – мінерали й мінеральні утворення.
На сьогодні виділяють наступні чотири основні стадії вивітрювання гірських порід, встановлені Б.Б.Полиновим: 1) уламкову, 2) сіалітну лужну, 3) сіалітну кислу і 4) алітну.
Уламкова стадія характеризується переважанням фізичного вивітрювання над хімічним. На цій стадії відбувається механічне руйнування – подрібнення, дезінтеграція – гірської породи майже без зміни її мінерального й хімічного складу. Залежно від тривалості уламкової стадії вивітрювання ступінь подрібнення породи може бути різним: від грубоуламкового (брилового) до дрібноуламкового (щебенистого і жорствяно-піщаного). В арідних областях, у полярних і холодних гірських країнах цією стадією в основному і завершується вивітрювання гірських порід.
Стадія сіалітна лужна є початковою стадією хімічного вивітрювання гірських порід. На цій стадії із порід, що вивітрюються, виносяться всі прості розчинні солі – хлориди, сульфати і карбонати лужних і лужноземельних металів. Починається гідратація мінералів і гідролітичне розкладення силікатів із винесенням основ (K, Na, Mg, Ca). Лужні й лужноземельні метали, що переходять у розчин, обумовлюють лужну або нейтральну реакцію середовища і переводять у рухомий стан частину кремнезему, бо він є розчинним у лужних водах. Те ж саме відбувається з Mn, котрий виноситься. Полуторні окисли (Fe2O3, Al2O3, TiO2 та ін.), надходячи в розчин із материнських порід, коагулюють і осаджуються. Двовалентне залізо, швидко окислюючись до тривалентного, також осаджується. Починається утворення глинистих мінералів (гідрослюд, гідрохлоритів, монтморилоніту, нонтроніту, бейделіту). Накопичується слаборозчинний карбонат кальцію, відбувається звапнювання породи, через що цю стадію називають також сіалітною звапнювання.
Сіалітна кисла стадія характеризується тривалим вимиванням основ і SiO2 із силікатів, що руйнуються. Внаслідок цього лужні умови поступово змінюються на кислі, розпочинається міграція важкорозчинних сполук Al2O3, Fe2O3, MnO2 та ін. Чим кислішим є середовище, тим інтенсивніше розкладаються силікати. Винесення магнію і калію, яке продовжується, призводить до руйнування глинистих мінералів, що утворилися на попередній стадії. Кисле середовище сприяє збереженню й утворенню глинистих мінералів, позбавлених основ (каолініт, галуазит та ін.).
Алітна стадія характеризується подальшим розкладенням і спрощенням сполук. Силікати розпадаються на найпростіші окисли кремнію, алюмінію і заліза. Переважаюче значення у продуктах вивітрювання, що утворюються, отримують полуторні окисли алюмінію і заліза. Цей процес призводить до формування латеритів – залишкових відкладів, збагачених на гідрати окислів заліза і вільний глинозем. Ця стадія розвинена головним чином в умовах жаркого і вологого клімату тропіків і субтропіків.
Добре сформована зона хімічно вивітрілих порід наділена ясною мінливістю у вертикальному напрямку, причому донизу зустрічаються все менше й менше змінені породи. Умови їхнього руйнування на різній глибині є різними, бо донизу послаблюється температурний вплив; води, які просочуються, стають все більше мінералізованими і їхня агресивність знижується; вміст кисню з глибиною зменшується. Середовище стає більш лужним. Над рівнем грунтових вод, у зоні аерації, панують окислювальні умови, нижче – нейтральні і відновні.
Загальна потужність зони хімічного вивітрювання порід може сягати десятків і навіть сотень метрів.
Відповідно до «Будівельних норм і правил…» рекомендується визначати показник ступеня вивітрілості порід як відношення щільності вивітрілої породи до щільності тієї ж невивітрілої породи .
Залежно від величини вивітрілі породи можуть розділятися на наступні групи:
Невивітрілі (монолітні). . Породи залягають у вигляді суцільного моноліту.
Слабко вивітрілі (тріщинуваті). . Породи залягають у вигляді незміщених окремостей.
Вивітрілі. . Породи залягають у вигляді накопичення шматків, яке переходить у тріщинуваті різновиди.
Сильно вивітрілі (рухляки). . Породи залягають у вигляді окремих уламків.
Для захисту споруд від шкідливого і небезпечного впливу процесів вивітрювання на їхню стійкість застосовують різноманітні інженерні заходи (зрізання порід; залишення вивітрілих порід в основах за умови дотримання певних обмежень; захист порід від агентів вивітрювання шляхом влаштування різного покриття; штучне покращення властивостей порід різними розчинами; застосування штучних основ шляхом заміни вивітрілих порід подушками з інших).
Запитання для самоконтролю..
1. На яких характеристиках порід позначаються процеси вивітрювання?
2. Чому і як саме кліматичні умови впливають на вивітрювання гірських порід?
3. В чому полягає суть фізичного вивітрювання?
4. Поясніть механізм хімічного вивітрювання.
5. Охарактеризуйте стадії вивітрювання порід (за Б.Б.Полиновим).
6. Як визначається показник ступеня вивітрілості порід?
