Опасные инженерно - геологические процессы и явления
К опасным геологическим явлениям и процессам относятся землетрясения, активный вулканизм, наводнения, цунами, смерчи, карст, оползни, обвалы, многолетняя мерзлота, сейсмичность, сели, геохимические аномалии. В инженерно-геологической практике в первую очередь следует учитывать карст, оползни, обвалы, сели, изменения многолетней мерзлоты, промерзание, повышенную сейсмичность. Необходимо не только выявить и полно описать эти природные явления, но обязательно проанализировать их взаимовлияние при строительстве и во время эксплуатации дорог, зданий и сооружений.
Карст - это совокупность геологических процессов и созданных ими явлений в земной коре и на ее поверхности, вызванных растворением горных пород. Он обуславливает образование пустот, разрушение, изменение структуры и состояния пород, возникновение особого вида движения подземных вод, типичных депрессионных форм рельефа (воронки, провалы, поноры) и режиму рек (сухие части русел, сифоны и пр.). Карст наиболее неприемлем при возведении плотин, создании водохранилищ, каналов и туннелей. Защита от опасных последствий карста достигается созданием противофильтрационных завес, экранированием, искусственными кольматажами или приспособлением конструкции сооружений к природным условиям. Карстованию наиболее подвержены распространенные карбонатные породы и залежи каменных солей (соляной карст).
Несущая способность закарстованных пород в массиве определяется общими для скальных грунтов параметрами и наличием кавернозных пустот, включая прослои и трещины, содержащие рыхлый заполнитель. Расчетные показатели сжимаемости, сопротивления сдвигу и допустимой нагрузки определяются по степени заполнения трещин и полостей, составом, состоянием и текстурой заполнителя. При этом учитываются два типа передачи нагрузки веса сооружения на основания:
- блоки породы опираются на нижележащие породы и нагрузка от гидротехнических сооружений на заполнитель не передается;
- блоки пород разделены заполнителем, полностью воспринимающим передаваемые нагрузки.
Получение количественных характеристик сжимаемости и сопротивления сдвигу заполнителя пустот и трещин очень сложно вследствие неоднородности его состава и мощности. Лабораторные методы исследований дают искаженные модели. Поэтому применяют методы опытных нагрузок на штампы, в расчетные показатели вносятся необходимые поправки.
Водопроницаемость закарстованных пород зависит от гидравлической связи между кавернами и трещинами, выделяют пористо - ячеистую и трещинную водопроницаемость. На степень и характер развития карста оказывает влияние интенсивность движения воды по трещинам. Распространенные в бортах долин трещины бортового отпора часто оказываются наиболее закарстованными.
Оползни и обвалы связаныс гравитационной устойчивостью склонов. Особенно это следует учитывать при строительстве дорог и сооружений в расчлененном рельефе в долинах рек, котловинах озер и прибрежных зонах. При строительстве гидротехнических сооружений плотин, туннелей, мостов, путепроводов существующие оползни и обвалы нередко активизируются или возникают новые деформации склонов.
В естественных условиях формирование склонов происходит под воздействием ряда геологических процессов, из которых наибольшую роль играют смещение пород под влиянием силы тяжести. Для платформенных районов наиболее характерны оползни, развивающиеся преимущественно в глинистых породах или породах, содержащих глинистые прослои. Для горно-складчатых районов, сложенных в основном скальными породами, гравитационные деформации более разнообразны и представлены обвалами, оползнями, оползнями-обвалами, осыпями, каменными лавинами, селями.
Оползнем называется смещение горных пород, слагающих склон, представляющее собой скользящее движение вследствие механического разрушения ими течения пород склона или его основания. Оползни распространены практически повсеместно по берегам рек и оврагов, поэтому при проектировании и строительстве гидротехнических сооружений с ними почти всегда приходится считаться.
Значительные осложнения при проектировании гидротехнических сооружений вносят древние оползни, часто не выраженные в рельефе местности. Они не могут служить надежным основанием для дорог и сооружений. На участках древних оползней есть реальная опасность оживления деформаций при подрезке склона строительными выемками или при насыщении склона водой, а также при размыве берегов водохранилищ.
На склонах изменяется их устойчивость и напряженное состояние пород. В оползневом массиве и его основании значение напряжений и их распределение следует сопоставлять с прочностью пород. Если напряжения существенно ниже прочности пород, то это устойчивое состояние, а при превышении напряжений над прочностью неустойчивое. При примерном равенстве говорят об условно устойчивом состоянии оползневого массива.
Многолетняя мерзлота широко распространена на восточных и северных районах России, занимая около 70% территории. Закономерностям ее строения, распространения, истории формирования и условиям освоения посвящена наука мерзлотоведение. Переход мерзлых пород в талое состояние при строительстве и эксплуатации транспортных магистралей, жилых массивов и сооружений может существенно снизить несущие свойства грунтов или увеличить их водопроницаемость, а также вызвать ряд неблагоприятных физико-геологических процессов.
Многолетнемерзлыми (вечномерзлыми) называются любые породы, имеющие отрицательные или нулевую температуру и содержащие в своем составе лед, если они находятся в мерзлом состоянии более 3 лет. В распространении многолетнемерзлых толщ отчетливо выражена широтная зональность: на Крайнем Севере расположена зона их сплошного распространения, южнее она сменяется зоной прерывистого, еще южнее - островного развития мерзлых пород. Мощность мерзлых толщ изменяется от нескольких метров до нескольких сотен метров и зависит от общей климатической зональности территории, так и от местных физико-географических условий. В вертикальном разрезе многолетнемерзлых толщ выделяются слои суточных колебаний температур.
Если среди мерзлых пород встречаются прослои талых, то такие толщи называются слоистыми. Талые породы или талики существуют за счет отепляющего действия поверхностных водотоков и водоемов, интенсивной фильтрации воды, притока ее из глубины по тектоническим трещинам и воздействия солнечного тепла. Среди таликов различают сквозные и замкнутые. Толщи многолетнемерзлых пород подстилаются не мерзлыми и перекрываются либо талыми, либо сезонно-талыми породами. В зависимости от последнего обстоятельства многолетнемерзлые толщи называются не сливающимися и сливающимися.
Температура толщ многолетнемерзлых пород находится в зависимости от широтного положения территории и изменяется от минус 10°С в зоне сплошной мерзлоты до -0,1°С в зоне островной мерзлоты. В течение года колебания температуры происходят до глубины 15-20 м. Эта граница называется подошвой слоя годовых колебаний температуры. В многолетнемерзлых породах всегда присутствует льда в виде крупных мономинеральных тел, ледяных шлиров и жил различной формы или заполняет поры породы (лед-цемент).
Инженерно-геологические условия возведения и эксплуатации сооружений определяют свойства пород в период перехода из мерзлого состояния в талое и в протаявшем состоянии.
Изменение термического режима и влажности пород резко изменяет их физико-механические и фильтрационные свойства и приводит к возникновению и развитию неблагоприятных физико-геологических явлений: термокарста, морозного пучения, солифлюкции (оплыванию склонов, включая весьма пологие), образования наледей, заболачивания и др. Термокарстом называют процессы возникновения в толще многолетнемерзлых пород полостей, просадок и образования отрицательных форм рельефа (западин, воронок, котловин, ложбин), происходящих в результате вытаивания ледяных включений и залежей.
При проектировании сооружений учитывают два варианта поведения многолетнемерзлых грунтов:
- грунты основания сохраняются в мерзлом состоянии в течение всего периода эксплуатации сооружения;
- грунты находятся в оттаивающем и оттаявшем состояниях.
Наиболее важным показателем условием возведения сооружений является тепловая просадка пород при протаивании. Откосы выемок, проходимых зимой в мерзлых скальных породах, как правило, устойчивы. Деформации их начинаются при оттаивании пород и действии надмерзлотных вод, дренируемых выемками. Устойчивость скальных пород в откосах выемок значительно понижается при многократном их оттаивании и замерзании. Если склоны поражены солифлюкцией, то их рекомендуется углублять в устойчивые породы. Оттаивание супесчано-суглинистых пород, слагающих откосы, может сопровождаться оплыванием и обвалами; песчано-гравийных - осыпями; скальных пород - осыпями, обвалами, вывалами.
Выветривание породных массивов, как указано в гл. 4, представляет собой приповерхностный экзогенный процесс разрушения горных пород под воздействием воды, кислорода, солнечного излучения, колебаний температуры, животных организмов и пр. В инженерно-геологическом отношении результатом выветривания является снижение прочности и несущей способности грунтов, происходящее в физическом, а не геологическом времени. Интенсивность выветривания определяется климатом, составом исходных пород, условиями их залегания и тектонической нарушенностью, рельефом, гидрологическими и гидрогеологическими условиями. В условиях техногенеза выветривание может усиливаться и ускоряться. Для предотвращения этого в процессе строительства и эксплуатации применяются: покрытие пород непроницаемыми материалами; упрочнение пород путем пропитывания их различными веществами; искусственная нейтрализация агентов выветривания; планировка территории; отвод поверхностных вод; устройства ливнестоков и др.
Повышенная сейсмичность имеет природную тектоническую основу. Однако масштабные техногенные явления (откачка подземных вод, нефти, газа, деятельность крупных карьеров и шахт, эксплуатация водохранилищ) могут повысить сейсмоопасность территорий. При землетрясениях здания и сооружения испытывают общие колебания на упругом основании и частные пространственные и крутильные колебания отдельных элементов. Интенсивность сейсмических воздействий на сооружения зависит от колебаний грунта, динамических свойств сооружения и от условий его опоры на грунт. Колебания грунта в разных точках основания сооружения не синхронны.
Силы инерции, возникающие в сооружении при колебаниях, вызывают в грунте упругие деформации, и таким образом, колеблющееся сооружение является излучателем сейсмической энергии.
При проектировании крупных промышленных, транспортных и гидротехнических сооружений в сейсмических районах следует учитывать повышенную оползневую, селевую и лавинную опасности, возникающие в результате изменений режима поверхностных и подземных вод. Активные движения блоков земной коры вызывают изменения прочностных, деформационных и фильтрационных свойств пород в массиве.
Под действием сейсмических волн возникают различные деформации подпорных конструкций: опрокидываются устои, перекашиваются стенки из-за осадки грунта или сдвигаются относительно основания в результате бокового давления грунта, возникают трещины в теле подпорных стенок. Чтобы избежать этого, необходимо рассчитывать боковое динамическое давление грунта на подпорную стенку.
Подземные сооружения меньше подвержены разрушительному действию землетрясений, так как амплитуда колебаний на глубине меньше, чем на поверхности.
Основы почвоведения
Почвоведение - наука об органо-минеральных приповерхностных биологически активных образованиях - почвах, их составе, строении, распространении, продуктивности и происхождении. Она представляется базовой наукой географического цикла. Ее достижения успешно используются в агрономии и ландшафтоведении. Почвоведение как наука сформировано в результате работ русского геолога В.В.Докучаева в конце XIX века. Он впервые подошел к проблеме состава, строения и образования почв с геолого-исторических позиций. Классическими являются его исследования русского чернозема.
Состав почв
Почвы включают пять компонентов (рис. 7.1): минеральный скелет, представленный породообразующими минералами (кварц, полевые шпаты, слюды и пр.); органическая неживая составляющая; живые организмы - эдафон; почвенные растворы; почвенный воздух.
Рис. 7.1. Компоненты почв.
В минеральном скелете почв выделяется три группы минералов: реликтовые коренных пород, глинистые, которые развились по породообразующим минералам, и новообразования. Первая представляет собой остатки неизмененных пород - субстрата почв. Например, на севере Европы широко распространены кварц и полевые шпаты и имеют место слюды, составляющие исходные граниты, гнейсы и мигматиты. Размер их зерен преимущественно песчаный - 0,01-2 мм.
Вторая группа представлена глинистыми минералами, которые формируются в результате выветривания горных пород. Напомним, что глинистые минералы являются слоистыми гидроалюмосиликатами и имеют размеры менее 0,001 мм. В их кристаллической структуре слои тетраэдров (SiO4 -) и октаэдров (AlO4 -) соединяются между собой катионами калия, кальция, магния, либо гидроксония Н3О+. Расстояния между слоями составляют от единиц до сотен нанометров. Глинистые частицы почв обуславливают их пластичность и большую сорбционную ёмкость.
По соотношению песчаных и глинистых частиц почвы подразделяются на песчаные, супесчаные, суглинистые и глинистые. Глинистые и суглинистые почвы в силу их хемосорбционных свойств гораздо лучше для сельского хозяйства. Они способны долговременно удерживать влагу и биологически активные растворенные соединения.
Третий минеральный компонент почв представлен вторичными карбонатами (CaCO3, MgCO3 и др.), сульфатами (гипс, ангидрит), оксидами и гидроксидами кремния, алюминия, железа и титана. Эти соединения во многом определяют кислотно-щелочную реакцию почв. Cреди относительно растворимых минеральных новообразований (солей) по степени токсичности почв выделяют: нетоксичные СaSO4 и CaCO3; слабо токсичные MgSO4 и Na2SO4; средне токсичные Mg(HCO3) и Na(HCO3); сильно токсичные NaCl, CaCl2 и MgCl2; очень сильно токсичные Na2CO3 и MgCO3.
Сумма минеральных, «неживых» веществ в почве составляет их зольность, что аналогично зольности углей и горючих сланцев.
Мёртвое органическое вещество (перегной) в почвах включает разнообразные органические кислоты, воск, смолы, углеводороды, белки, лигнин и другие соединения (рис. 7.2).
Рис. 7.2. Компоненты мертвого органического вещества почв.
В целом органическое вещество представлено гумусовым и сапропелевым типами. Гумусовое вещество преобладает в торфяных почвах. Сапропелевое - в почвах, которые развиваются по осадочным породам, а также накапливается в иловых впадинах озер и морей. Ил рассматривается в качестве аналога почв.
Живое вещество в почвах (эдафон) представлено микро- и макроорганизмами. Среди микроорганизмов в почвах преобладают грибы. В 1 см3 почв может быть до 2 км нитей грибов. Бактерий, водорослей и актиномицетов ненамного меньше. Подсчитано, что в 33 см3 почв обитает до триллиона микроорганизмов. Бактерии бывают аэробные, которые живут в воздушной среде и продуцируют СО2, анаэробные, живущие в среде, где кислород находится в растворённой либо связанной формах. Эти бактерии продуцируют метан, водород или сероводород. Деятельность хемотрофных бактерий происходит за счёт энергетики химических окислительно-восстановительных реакций. Автотрофные, гетеротрофные и другие бактерии производят биомассу, гуминовые и фульвиевые кислоты и другие органические соединения, используя органическое вещество.
В почвах преобладают гуминовые кислоты. Органические кислоты представляют собой сложные углеводородные соединения, у которых много отрицательно заряженных радикалов. Эти радикалы дают возможность удерживать ферментативные элементы (железо, медь, молибден и др.). Содержание органических кислот в почвах должно быть оптимальным.
К макроорганизмам почв (макроэдофону) относятся черви, личинки, жуки, землеройки, мыши, суслики и сурки. Они перемешивают почву, перерабатывают органическое вещество, оставляя продукты своей жизнедеятельности.
Имеют место ещё два важных компонента почв – воздух и вода. Воздушные компоненты почв (O2, СО2, N2 и др.) такие же, как в приземном слое атмосферы, но находятся в разных соотношениях (табл. 7.1.).
Таблица 7.1
Соотношение газового состава почв и атмосферы (объемные %)
| Газы | Азот | Кислород | Углекислый | Радон |
| Атмосфера | 78,1 | 20,9 | 0,03 | 0,07 |
| Почвы | 78,1 | 19-21 | 0,1-1,0 | <0,01 |
Содержание почвенного кислорода и азота сопоставимы с атмосферным, а углекислого газа больше на порядок. Очевидно, это обусловлено активностью грибов и микроорганизмов.
Вода в почвах является чрезвычайно важным компонентом, поскольку она растворитель многих компонентов и среда обитания микроорганизмов. Почвы обладают влагоёмкостью – возможностью удерживать влагу. Этот показатель зависит от количества глинистых частиц и гумусового органического вещества, грибов и бактерий. Они могут удерживать воду в сухие периоды и обеспечивать бесперебойное снабжение растений почвенными растворами.
Ещё один компонент почв – содержание радиоактивных изотопов, которое в основном определяется калием сороковым. 40К – гамма-излучатель. На Земле более 60% общей радиоактивности обусловлено этим изотопом. Остальная часть определяется главным образом концентрациями урана, тория и продуктами их распада (радием, радоном и др.) и в минимальной степени радиоизотопами, получаемыми за счет космической активации. Начиная со второй половины XX века, особенно после ядерных испытаний в атмосфере и в районах ядерных катастроф (Чернобыль, Кыштым и др.) в почвах накапливались искусственные радионуклиды цезия, стронция, трансурановых элементов.
Во всех компонентах почв присутствуют различные химические соединения. Геохимические характеристики почв включают макро- и микроэлементы, которые могут иметь биофильные и токсичные свойства (табл. 7.2).
Таблица 7.2
Геохимические составляющие почв
| Группа | Типы элементов | Элементы (в скобках – ПДК, мг/кг) |
| Биофильные макрокомпоненты | K, P, N | |
| Биофильные микрокомпоненты | B, Mn, Mo, Co, Cu, Zn | |
| Токсичные I класса опасности | Hg (2), As (2-20), Pb (20), Zn (300), Cd (5), Se (70), F (200) | |
| Токсичные II класса опасности | Cr (6), Ni (4), B (100-1000), Cu (3), Co (5), Mo (<1,5 и >4), Sb (4,5) |
Состав почв определяет их свойства (рис. 7.3). С практической стороны важнейшим их них является плодородие. Оно определяет возможность выращивания различных сельскохозяйственных культур в тех или иных объемах. Плодородие природных почв усиливается за счет внесения удобрений и мелиорантов, улучшения структуры почв и грамотного севооборота. При оценке биологической продуктивности почв производят их бонитировку (bonitas – доброкачественность, лат.). Это означаетколичественную многокомпонентную статистическую факторную оценку качества почв. Сюда входят такие показатели как: мощность почвенного разреза, количество (запасы) гумусового вещества, содержания азота, калия и Р2О5; рН почв; ее структура и механический состав, урожайность зерновых культур.
Рис. 7.3. Свойства почв.
Гомеостазисом почв считается их свойство поддерживать относительно постоянный состав температуру и влажность. Почвы, как и другие организмы, способны не изменять свои свойства при значительных внешних воздействиях. Важное следствие гомеостазиса поддержание температурного режима в почвах. Конечно, в зависимости от сезонов года он изменяется. Однако, остается более или менее одинаковым в вегетативный весенне-летний период. Для каждой сельскохозяйственной культуры благоприятными оказываются свои температуры почв (см. рис. 7.3).
Плотность и структура почв включают такие показатели как количество пор – порозность. При этом почвоведы различают порозность общую, капиллярную и некапиллярную. В в верхних горизонтах почв общая порозность колеблется от 55 до 70%, в нижележащем горизонте – 35-60%. Капиллярная порозность определяет изменения суточные и сезонные изменения влажности почв. За счет сил поверхностного притяжения в капиллярах влага может поднимать до первых метров. Некапиллярная порозность почв обуславливает их водопроницаемость. Благодаря этому, сильные дожди не переувлажняют почвы.
Влагоемкость почв определяется наличием в них сорбентов. Сорбционные свойства имеют коллоидные частицы почв (глинистые, гидроксиды железа и алюминия, фосфаты, цеолиты, кремнегели, гумус). Их концентрация отражается в поглотительной способности почв. Влагоемкость, плотность и структура почв определяют их пластичность, что аналогично текучести грунтов.
Механизм хемосорбции и физико-химические процессы обмена между почвенным раствором и твердой фазой обуславливают содержание в почвах обменных йонов. Особенно важны концентрации катионов. При последовательном росте содержаний катионов в ряду: Ca2+ - Mg2+ - Na+ - H+ - Al3+ - K+ - NH3+ продуктивность почв ухудшается. Соотношение катионов и анионов в почвенной влаге определяет ее кислотно-щелочные свойства. Так в кислых почвах среди катионов преобладают H+ и Al3+, в щелочных - Ca2+, Mg2+ и Na+, а в анионах – HCO3-.
Строение почв
В почвенном разрезе сверху вниз выделяются горизонты А, В и С (рис.7.4). Горизонт А включает корневую систему почвенно-растительного слоя. Он насыщен грибами, водорослями и аэробной микрофлорой. В нем находится наибольшее количество живого и окисленного отмершего органического вещества. Преобладают корни многолетних трав, в меньшей мере распространены корни кустарников и деревьев. Это зона вымывания. Здесь формируются органические кислоты, которые растворяют и перерабатывают минеральные компоненты почв.
В горизонте В преобладает анаэробная микрофлора. Его пересекают глубокие корни растений и норы крупных роющих животных. Мертвое органическое вещество очень мало окислено. Он является зоной вмывания. Здесь развивается глеевая восстановительная обстановка. Глей – это сизый с голубоватым оттенком горизонт почв. Еh здесь меньше нуля
Горизонт С представляет собой неизменённые горные породы. Здесь мало органических веществ. По-существу, это физически дезинтегрированная коренная горная порода. Этот горизонт является зоной осаждения компонентов, вымываемых из верхних уровней почв.
Рис. 7.4. Горизонты почвенного разреза /Соколов и др.,2002/.
При анализе конкретных разрезов почв выделяют различные подгоризонты, как это видно на примере подзолистой почвы (рис. 7.5).
Рис. 7.5. Строение лесной суглинистой подзолистой почвы /Качинский, 1975/.
Типы почв
Существует ряд факторов, по которым выделяются типы почв: климатический; состава коренных пород (горизонта С); гидрогеологический; сообщества развивающихся растений; исторический (рис. 7.6).
Рис. 7.6. Факторы, определяющие типизацию почв.
Основные характеристики почв, прежде всего, определяются, климатом. Напомним, что при положительной среднегодовой температуре и превышении количества выпадающих осадков (дождь, снег) над испаряемыми климат считается гумидным. Это климат тайги, тропических лесов и влажных саванн. При высокой температуре и превышении испаряемой влаги над осаждаемой, климат считается аридным. В ледовом климате осадки при отрицательных температурах преимущественно находятся в твердой фазе. Согласно климатическим зонам и типизируются почвы. Особые почвы развиваются в прибрежных полосах и областях активного вулканизма.
Важный фактор - состав коренных пород, на которых развивается почва. Если они карбонатные, то почвы будут щелочные. Если они силикатные и алюмосиликатные, то почвы будут кислые. Весьма важна структура почв, которая во многом определяется их субстратом и степенью выветрелости коренных пород. По этому показателю выделяются различные песчаные и глинистые почвы (табл. 7.3).
Таблица 7.3
Типы почв по механическому составу (по Н.А.Качинскому,1975)
| Таежные | (лесные) | Степные, пустынные, | полупустынные, желтоземы и красноземы | Солонцы | и сильно солонцеватые |
| Глины (<0,01мм), % | Тип почвы | Глины (<0,01мм), % | Тип почвы | Глины (<0,01мм), % | Тип почвы |
| >80 | Глина тяжелая | >80 | Глина тяжелая | >65 | Глина тяжелая |
| 80-50 | Глина средняя и легкая | 80-60 | Глина средняя и легкая | 65-40 | Глина средняя и легкая |
| 50-40 | Сугли-нок тяжелый | 60-45 | Суглинок тяжелый | 40-30 | Суглинок тяжелый |
| 40-30 | Сугли-нок средний | 45-30 | Суглинок средний | 30-20 | Суглинок средний |
| 30-20 | Сугли-нок легкий | 30-20 | Суглинок легкий | 20-15 | Суглинок легкий |
| 20-10 | Супесь | 20-10 | Супесь | 15-10 | Супесь |
| 10-5 | Песок связный | 10-5 | Песок связный | 10-5 | Песок связный |
| <5 | Песок рыхлый | <5 | Песок рыхлый | <5 | Песок рыхлый |
По механическому составу выделяются следующие типы почв: песчаные и супесчаные, глинистые и суглинистые. Много глинистого вещества в почвах – это хорошо, т.к. в них удерживается влага и сорбируются биогенные компоненты. Песчаные и супесчаные почвы бедны органическими веществами, поскольку хорошо дренируются и из них легко выщелачиваются биологически активные азотные, фосфорные и калийные соединения. Песчаные и супесчаные типы почв встречаются в двух типах обстановках. Либо это речные долины и дельты, либо флювиогляциальные отложения (осадки водных потоков от тающих ледников). Суглинистые и глинистые почвы развиты на морских и озёрных глинистых отложениях, на карбонатных породах.
На карбонатно-глинистых отложениях широко распространены почвы на Русской равнине. Здесь же почвы развиваются на покровных суглинках. Площади покровных суглинков начинаются южнее широты Москвы. Севернее был постоянный бронирующий слой ледников. Южнее в ледниковый период, когда чередовались этапы сильного промерзания и сильной жары, породы испытывали измельчение. Если взять породу и подвергнуть её этим перепадам температуры, произойдёт её механическое разрушение за счёт поровых вод. Морозное выветривание любых пород приводит к образованию покровных суглинков.
Фактор растительности также важен. Например, степные растения имеют наиболее развитую коренную систему, и она, отмирая, образует большое количество органических веществ, как, например, на лугах (рис. 7.7) Поэтому именно в степях распространены наиболее богатые гумусом черноземы.
Рис. 7.7. Строение дерново-луговых почв (по Качинскому, 1975)
Исторический фактор выражается временем, которое живёт почва. Наземная растительность существует последние 350 – 380 млн лет. Интенсивный и повсеместный почвенный процесс начался с карбона, т.е. примерно 320 – 330 млн лет назад. Конкретные почвы живут от десятков и сотен лет до сотен тысяч лет. Напомним, что гуминовая кислота в почвах может функционировать первые сотни тысяч лет. Существуют захоронённые почвы, которые залегают под покровными рыхлыми отложениями четвертичного возраста. Известны палеопочвы кайнозойского, мезозойского и позднепалеозойского возрастов.
Гидрогеологический фактор заключается во влиянии грунтовых вод. При этом важно положение уровня грунтовых вод. Например, в горизонтах торфяников сосредоточено отмершее гумифицированное органическое вещество. Торф получается, если уровень грунтовых вод практически совпадает с уровнем поверхностных вод, Тогда в почве создаются анаэробные условия, при которых происходит замедленное окисление и неполное разложение органического вещества. Если имеется такой режим подземных вод, то получаются сильнокислые торфяные почвы, они также называются глеевыми.
Согласно климатическим условиям выделяют семь типов почв /Геннадиев,Глазовская,2008, Качинский,1975/ (табл. 7.4).
1. Тундровые подзолисто-глеевые и торфяно-глеевые почвы. Подзол – это белое вещество каолинито-кварцевого состава, которое получается в верхних горизонтах почв за счёт их выщелачивания. В тундровых почвах от 1-2 до 15% гумуса, много фульвокислоты, минимальное количество калия, фосфора и азота.
2. Болотные почвы, в которых содержание гумуса достигает 80 %, сильно и умеренно кислые. Зольность почв достигнает 20 %. В них есть торф. Здесь много органических веществ, но они ультракислые, поэтому на них растут только травы.
3. Таёжно-лесные подзолистые почвы кислые за счёт органических кислот. Для них характерно содержание гидроксидов алюминия, большое количество коллоидных частиц. Таёжно-лесные почвы достаточно урожайные, но рентабельно на них выращивать только травы и лён. Серые лесные почвы слабокислые. Здесь можно сажать зерновые, картофель.
4. Чернозёмы, в которых отмечается высокое содержание гумусового вещества от 4-6 до 20%. Горизонт А самый значительный от 35-40 см до 1,7 м. Они имеют нейтральный рН и обладают высоким плодородием. Но есть яды в виде хлорида натрия, сульфата натрия, карбонатов. Причины возникновения русского чернозёма: наличие покровных суглинков, распространение многолетних трав. Разнотравье и дало большое количество гумусового вещества в черноземах.
5. Каштановые почвы сухих степей. Для них характерно содержание небольшого количества гумусового вещества – до 5 %, мощность горизонтов А и В составляет 40 – 50 см. Почвы слабощелочные. Здесь имеет место большая жёсткость почвенных вод, вызванная ионами кальция, магния. Растут на этих почвах ковыль, степчак и полынь.
6. Бурые полупустынные почвы и солончаки, содержат выделения галита. Гумусового вещества в них минимум (десятые доли, до 3%). Горизонт А очень маломощный – 10-30 см. Это весьма щелочные, содовые почвы, поэтому они слабо пригодны для большинства растений.
7. Краснозёмы субтропиков содержат органического вещества 5-10 %. Это кислые почвы. Здесь много ионов водорода, алюминия и мало кальция и магния. Зато много гидроксидов железа, алюминия, марганца и кремнезёма.
Таблица 7.4
Деградация почв
Почвы, как и другие природные образования, когда-то зарождались, развивались и исчезали. Однако, на современном этапе развития Земли в условиях активного техногенеза, включая интенсификацию сельского хозяйства, почвы деградируют особенно быстро.
Можно выделить три группы природных факторов деградации почв. Во-первых, это аридизация климата, которая определяет осушение и засолонение почв. В этой связи следует отметить и наступление песчаных пустынь, при котором происходит замещение почвенно-растительного слоя песчаным материалом. Также важна ветровая эрозия почв.
Во-вторых, надо отметить водно-эрозионную деятельность, в результате которой происходит размыв почв. Особенно масштабно это происходит во время весенних половодий и осенних паводков.
В третьих, это активный вулканизм, при котором пеплопады уничтожают почвы, загрязняя их тяжёлыми металлами. Вместе с тем, на туфогенных богатых минеральными компонентами почвах в условиях гумидного климата почвы развиваются интенсивно.
Существует три группы техногеннных факторов, способствующих деградации почв. Первая включает неграмотную сельскохозяйственную эксплуатацию почв. Например, когда не вносится достаточное количество удобрений, используется неверный севооборот или допускается интенсивный выпас скота. Во-вторых, это карьерная добыча полезных ископаемых, при которой за счет осушения открытых горных выработок происходит в одних местах резкое снижение уровня грунтовых вод, а в других - искусственное заболачивание прилегающих территорий. Третья группа факторов связана с развитием промышленных и селитебных комплексов. При этом почвы либо полностью уничтожаются, либо формируются урбанозёмы - городские почвы и почвы садово-огородных хозяйств.
Заключение
В приведенном пособии изложены основные положения по геологии, гидрогеологии и почвоведению. Сделан обзор по всем наукам геолого-геофизического профиля.
Рассмотрены основы кристаллографии, минералогии и петрографии с описанием породообразующих и рудных минералов и распространенных горных пород. Приведены сведения по геохимии.
Охарактеризованы эндогенные и экзогенные геологические процессы и явления. Сделан акцент на опасные в экологическом смысле явления.
Описаны основные положения по гидрогеологии, гидродинамике, гидрогеохимии и инженерной геологии. Подчеркнуто геоэкологическое значение гидрогеологии и инженерной геологии, в том числе при проектировании и эксплуатации железных дорог.
Отражены главные понятия почвоведения. Рассмотрен состав и строение почв и факторы их деградации.
Литература
Авдонин В.В., Кругляков В.В., Пономарева И.Н., Титова Е.В. Полезные ископаемые мирового океана. М. Изд МГУ. 2000. 160 с.
Белоусова А.П., Гавич И.К., Лисенков А.Б., Попов Е.В. Экологическая гидрогеология. М. ИКИ «Академкнига». 2006. 397 c.
Бондарик Е., Ярг Л.А. Инженерно-геологические изыскания. Учебник. М. КДУ. 2007. 636 c.
Бондарик Е., Пендин В.В., Ярг Л.А. Инженерная геодинамика. Учебник. М. КДУ. 2007. 440 c.
Бондаренко В.М., Демура Г.В., Савенко Е.И. Общий курс разведочной геофизики. М. Norma. 1998.304 c.
Войткевич Г.В., Кокин А.В., Мирошников А.Е., Прохоров В.Г. Справочник по геохимии. М. Недра. 1990. 480 с.
Гарелс Р.М., Крайст Ч.Л. Растворы, минералы, равновесия. Пер. с англ. М., Мир, 1968, 368 с.
Геннадиев А.И., Глазовская М.А. География почв с основами почвоведения. М. Высшая школа. 2008. 462 с.
Завьялов Е.Н. Основные представления о крситаллах, кристаллических веществах и методах их изучения. М. РГГРУ. 2007,97 с.
Зверев В.Л. Основы экологии. М. ООО «Геоинформцентр». 2003. 376 с.
Зинченко В.С., Козак Н.М. Основы геофизических методов исследований. Учебное пособие. М. ЩИТ-М. 2005. 144 с.
Качинский Н.А. Почва, ее свойства и жизнь. М. Наука. 1975. 291 с.
Короновский Н.В., Ясаманов Н.А. Геология. Учебник для экологических специальностей вузов. М. Издательский центр «Академия». 2003. 448 с.
Крайнов С.Р., Рыженко Б.Н., Швец В.М. Геохимия подземных вод. М. Наука. 2004. 677 с.