Перенос и отложение осадочного материала

Осадочный материал, образовавшийся в результате выветривания пород различного состава и генезиса, в большей своей части перемещается затем по поверхности земли. При таком переносе, осуществленном текучими водами, ветром, льдом, под влиянием силы тяжести происходит дифференциация материала, его сортировка, изменяется форма минеральных частиц. Кроме того, при переносе текучими водами значительное количество вещества пе­реносится в виде растворов. Интенсивность переработки материала в процессе его транспортировки зависит не только от способа его переноса, но и от минерального состава, прочности связей между зернами, скоростей, с кото­рыми перемещаются обломки, и многих других факторов. Под их влиянием в областях седиментации накапливаются отложения различного генезиса, стро­ения, состава. Эти различия во многом предопределяют свойства грунтов и настолько существенны, что последующие преобразования осадка лишь под­черкивают их. Так, обломочный материал, который переносится дождевыми и талыми водами, преимущественно мелкозернистый, плохо сортированный. В горных реках донные и взвешенные наносы представлены галечниками и песками, а на равнинных реках во взвешенном состоянии находятся преиму­щественно частицы мельче 0,1 мм. В горных реках интенсивно идет процесс раздробления частиц, особенно галек, тогда как воды равнинных рек лишь истирают песчаные зерна.

При транспортировке обломочного материала ледников отсутствует сор­тировка, в составе морены можно встретить обломки различных размеров — от валунов до глинистых частиц.

При коагуляции растворов, особенно характерной для случая смешива­ния речных и морских вод, образуются гели, которые в дальнейшем при ста­рении превращаются в осадочные породы. Особенно типичен этот процесс для образования глин. Такие соединения, как карбонаты и сульфаты кальция, хлориты натрия и магния, не образуют коллоидных систем и осаждаются из истинных растворов. В современных условиях многие соединения (например, кремнезем) накапливаются в осадке биогенным путем.

В процессе образования осадка под влиянием молекулярных, электроста­тических и магнитных сил, возникающих между отдельными частицами, фор­мируются структурные связи, которые обусловливают первичное сцепление в грунтах. Его величина в молодых глинистых осадках, залегающих в припо­верхностном слое, имеет небольшую величину: 0,002—0,004 МПа в зависи­мости от минерального состава глинистых пород и характера процессов осадконакопления.

Инженерно-геологические свойства осадков, сформировавшихся под вли­янием различных процессов и имеющих, в силу этого, различное микростро­ение, неодинаковы. Достаточно указать на то, что связность осадка будет больше при ячеисто-хлопьевидной микроструктуре, а водопроницаемость выше при неоднородно-ячеистой.

Необходимо отметить, что при осаждении отдельных частиц и хлопьев на дне водоема в начале формируется рыхлый объемистый осадок, у которого частицы отделены друг от друга значительными промежутками, занятыми водой. В результате трения и сцепления, противодействующих силе тяжести, многие частицы могут находиться в неустойчивом положении, из которого они переходят в более устойчивое при возрастании давления.

Уплотнение осадка, происходящее в процессе диагенеза, происходит, по представлению Н.Я.Денисова (1948), вследствие перемещения частиц отно­сительно друг друга, при котором осуществляется взаимное проникновение частиц в промежутки между ними.

Уплотнение вновь образовавшегося осадка и, следовательно, изменение его микростроения в водной среде происходит до тех пор, пока трение между частицами и вязкость воды не уравновесят силы тяжести. При этом первона­чальное строение осадка и характер его структурных связей и прочность могут значительно измениться, однако вновь образующееся при этом микрострое­ние все же сохраняет известные черты микростроения осадка.

Преобразование осадка в породу (диагенез)

Осадки, отложившиеся в морях, океанах, озерах и других водоемах, пре­терпевают существенные преобразования, скорость и интенсивность которых зависят от минерального состава осадков, их дисперсности, химического со­става воды, деятельности бактерий и других факторов. Превращение осадка в осадочную горную породу является важнейшим процессом, формирующим ее инженерно-геологический облик. Этот процесс принято называть диагене­зом. Он протекает благодаря энергетическим ресурсам самого осадка; давле­ние и температура при этом не играют существенной роли.

Явления, происходящие на первом этапе диагенеза, в самой верхней тол­ще осадков, некоторые исследователи выделяют в самостоятельную стадию сингенеза. Мощность зоны сингенеза не превышает 10—15 см, чаще всего для нее характерна окислительная или нейтральная среда. Именно на этой стадии в карбонатно-глинистых осадках образуется глауконит. Во время сингенеза в результате коагуляции различных коллоидных растворов происходит синтез минералов. Активное участие в процессах сингенеза принимают бактерии, которые преобразуют органическое вещество осадка, окисляют сульфиды и т.д. Влажность осадка очень велика и может достигать 80—90%.

По мере захоронения осадка физико-химические условия среды суще­ственно изменяются, она имеет восстановительный характер. Диагенетичес-кие явления охватывают всю толщу осадка, мощность этой зоны 10—15 м. Изменение среды, понижение окислительно-восстановительного потенциа­ла приводят к резкому изменению минералогического состава осадков, осо­бенно тонкодисперсных. Окисные соединения железа и марганца переходят в закисные, образуется пирит, появляется углекислый газ и сероводород.

В дальнейшем происходит перераспределение вещества внутри осадка, цементация отдельных его участков в результате выпадения карбонатов и кремнекислоты, образование конкреций.

Помимо изменения минерального состава осадок уплотняется, теряет зна­чительное количество воды, связи между частицами увеличивают прочность. Механическая прочность пород постепенно повышается. Цементация галеч­ников и песков, переход карбонатных осадков в известняки или мергели, превращение кремнистых осадков в опоки и трепела сообщают горным поро­дам значительную прочность.

Главнейшими факторами литификации глинистых осадков на этой стадии являются дегидратация, цементация и уплотнение. В глинистых осадках с мо­мента их аккумуляции начинают формироваться структурные связи преиму­щественно за счет молекулярных и электростатических сил и в меньшей сте­пени под влиянием магнитных сил. В илах происходит самопроизвольный кол­лоидно-химический процесс формирования структурной сетки (застудневание). На глубине первых метров осадок активно дегидратируется и уплотняется с отделением больших количеств свободной воды. Состояние и свойства осад­ков, по мнению И.М.Горьковой, определяются процессами старения и синерезиса коллоидов; гравитационное уплотнение имеет подчиненное значение. Эти цементы, а также ста­рение коллоидов в осадке обусловливают формирование дополнительного сцепления, которое часто называют сцеплением упрочнения.