Происхождение и распространение глинистых пород

Если рассматривать осадочный чехол в целом, то подавляющее большинство глинистых пород в нем имеет морское происхождение. Морские глинистые породы чаще всего бывают представлены именно глинами, реже — суглинками или супесями. В платформенных условиях они образуют крупные пласты мощностью в десятки и сотни метров и протяженностью в десятки и сотни километров. Когда эти пласты залегают на поверхности или вблизи нее, они бывают хорошо известны и изучены на площади своего распространения. Такие пласты часто получают краткое наименование, обычно производное от возраста и внешнего вида, позволяющее сразу понять, о чем идет речь. На Русской равнине это оксфордские и парамоновские глины Подмосковья, синие кембрийские глины района Санкт-Петербурга, майкопские и сарматские глины Предкавказья, хвалынские глины Прикаспийской впадины.
Среди континентальных глинистых пород Русской равнины имеются отложения как водного, так и неводного происхождения. Континентальные глинистые породы, сформированные в водной среде, — это речные, озерные, пролювиальные, делювиальные и водно-ледниковые отложения. Среди этих пород преобладают суглинки. Глины и супеси имеют подчиненное значение. Размеры пластов значительно меньше, чем у пород морского происхождения — преимущественно несколько метров по мощности и десятки-сотни метров по простиранию. В разрезе часто переслаиваются с песчаными и крупнообломочными породами.
Речные (аллювиальные) отложения встречаются повсеместно и имеют наиболее широкое распространение. Глинистые породы в составе аллювия встречаются не реже, чем песчаные отложения, могут слагать такие же геологические тела — поймы, надпойменные террасы, залегать в переуглублениях рек.
Делювиальные отложения имеются везде и покрывают все склоны и практически всю поверхность земли. Преимущественный состав делювиальных отложений — суглинки. Горный делювий — щебнистые суглинки с крупными камнями и глыбами.
Широчайшее распространение в природе имеют делювиально-элювиальные отложения. Особенно заметны они на склонах в пределах площадей с низкогорным и глубоко расчлененным равнинным рельефом

Чехол элювиально-делювиальных отложений el-dQ

Продукты выветривания, сохраняя во многом свой состав и свойства, постепенно перемещаются вниз по склону, образуя чехол мощностью в несколько метров. Состав целиком соответствует составу коренной породы, преобладают глинистые породы, часто с каменными включениями. Отложения данного типа превалируют на поверхности земли в западном и юго-восточном Приуралье, на юге Западной Сибири и в Северном Казахстане.
Пролювиальные глинистые отложения распространены в предгорьях, образуют отдельные конусы выноса, сплошные предгорные шлейфы и отложения межгорных впадин. В разрезе пролювия обычно наблюдается закономерность — в верховьях залегают круп­нообломочные породы — галечники, гравий, а по мере удаления к периферии материал становится все мельче — пески, лёссы, гли­нистые породы.

Разрез конуса выноса

Снос вниз обломочного материала может происходить довольно равномерно вдоль всего склона. В этом случае материал соседних конусов выноса сливается и образуется единый пролювиальный шлейф (рис.ниже).

Пролювиальный шлейф (вид сверху)

Размеры конусов выноса могут составлять многие километры от верховьев к периферии. Мощность может достигать десятков метров. В межгорных впадинах (таких много в Средней Азии и За­байкалье) пролювиальные шлейфы, обрамляющие впадину, часто сливаются с аллювиальными отложениями рек, протекающими по впадине, и образуют так называемые аллювиально-пролювиальные отложения. Их значительная часть — тоже глинистый мате­риал.

Межгорная впадина. Разрез

На глинистых породах конусов выноса и межгорных впадин формируются ценные плодородные земли, они имеют хорошую естественную обводнённость, на них проживают миллионы людей, в то время как заселенность сопредельных территорий гор и сухих степей значительно меньше. В отдельных редких случаях с перио­дичностью в несколько десятков лет пролювиальные отложения могут пополняться за счет селей — мощных грязе-каменных по­токов. Подробнее о них сообщается в разд.

Континентальные глинистые породы других типов происхож­дения — это ледниковые, водно-ледниковые, аллювиальные, лёс­совые, элювиальные (коры выветривания) и покровные отложения .

Покровные (проблематичные) глинистые отложения распростра­нены в центральных областях России. Представлены примерно в равном количестве неслоистыми глинами и суглин­ками без крупнообломочных включений. Мощность — несколько метров. По поводу их происхождения споры у геологов продолжа­ются уже давно, единого мнения пока нет.

Аллювиальные, а также ледниковые глинистые породы (мо­рены) и водно-ледниковые пески являются главными геологичес­кими образованиями, занимающими поверхность центральной и северной частей Русской равнины. Преобладающими среди морен являются суглинки. В южной части Русской равнины от Ук­раины до Заволжья главными на поверхности земли являются лёс­совые и аллювиальные отложения.

Происхождение и распространение большинства континен­тальных глинистых пород на Русской равнине связано с оледене­нием. Это последнее крупное геологическое событие, происшедшее здесь в четвертичный период. Ледник, подобный современному ан­тарктическому, находился на территории Европы. Центром оледе­нения была Скандинавия — современные горы высотой до 1,5 км. Мощность ледяного панциря составляла предположительно еще 3—4 км. Лед стекал на юг наподобие очень вязкой жидкости, пере­нося, перетирая и перемешивая обломки скандинавских пород, кор выветривания и прочего подстилающего материала. После распада ледника на поверхности остались морены — глинистые породы с полуокатанными крупнообломочными включениями и воднолед­никовые песчаные равнины. Чем дальше на север, тем больше по количеству и тем крупнее обломки в составе морены и водно­ледниковых отложений.

По одной из теорий сильные ветры, направленные с севера на юг, перевевали водно-ледниковые песчаные накопления, вы­дували из них пылеватую и агрегированную глинистую фракции, переносили на юг и откладывали на территории современной Ук­раины, нижнего Поволжья и Северного Кавказа. Так сформиро­вались лёссовые отложения. Возможно, их северным аналогом и являются покровные (проблематичные) отложения.

Структура и текстура.

При макроскопическом рассмотрении в соответствии с гранулометрическим составом глинистых пород их структура определяется как смешанная или редко как чисто гли­нистая. При изучении глинистых пород под микроскопом выделя­ются разные типы структур, недоступные для визуального рассмот­рения. То же можно сказать и о текстурах.

Глинистые породы принято называть рыхлыми и связными, имея ввиду то, что они могут быть текучими, пластичными или твердыми — в зависимости от содержания воды (влажности). Все глинистые грунты являются микропористыми. Внешне это обычно совершенно незаметно из-за малых размеров глинистых и пыле­ватых частиц, слагающих эти породы, тогда как лабораторное изме­рение пористости дает величины в десятки процентов. Макропо­ристостью, как уже отмечалось, обладают лёссы. Сланцеватые глины твердой консистенции могут иметь тонкую трещиноватость. Во всех глинистых породах с поверхности могут образовываться трещины усыхания, быстро сходящие на нет на глубинах в не­сколько десятое сантиметров.

Внутренней слоистостью обладают глинистые породы водного происхождения, неслоисты лёсс, ледниковые морены, покровные отложения.

Гидрогеологические и инженерно-геологические свойства.

Гли­нистые породы обладают рядом характерных «глинистых свойств», среди которых наиболее известное — пластичность — способность изменять и сохранять новую форму после снятия нагрузки (соб­ственно поэтому из глины можно лепить). Источником глинистых свойств являются водно-коллоидные свойства частиц глинистой, пылеватой и отчасти тонкопесчанистой фракции, возникающие за счет большой удельной поверхности. Объясним, что это значит. Вокруг любой частицы грунта (любого предмета) по ее поверхности обязательно формируются тонкая водная оболочка и некоторый электростатический заряд. Водная оболочка может уменьшаться при высыхании, увеличиваться при увлажнении, но всегда тесно связана с частицей грунта и в обычных природных условиях его не покидает.

Водные оболочки и электростатические заряды формируют по­верхностные силы, способствующие соединению, слипанию между собой соседних частиц. Если частицы крупны, то гравитационные силы, разъединяющие частицы, например как у песка, превышают поверхностные силы и песок рассыпается. Если частицы малы, как у глины и кварцевой пыли, то соединяющие силы скрепляют их между собой достаточно крепко.

Коллоидные силы в глинах многократно усиливаются за счет плоской формы кристаллов и способности глинистых минералов хорошо адсорбировать воду.

Помимо пластичности к глинистым свойствам относятся водо­упорность, влагоемкость, липкость, водостойкость (водопроч- ность), капиллярость, огнеупорность, тиксотропия, способность к релаксации напряжений, набухание, усадка, просадочность, раз- мокание, сжимаемость, осадка под сооружениями и консолидация, разуплотнение и др. Чем больше грунт содержит глинистой фрак­ции, тем сильнее проявляются глинистые свойства. Рассмотрим наиболее важные глинистые свойства.

Водонепроницаемость (водоупорность)

Водонепроницаемость (водоупорность) — неспособность быть проницаемой для воды. Она оценивается по очень малым значе­ниям коэффициента фильтрации. Известна за­кономерность: чем больше содержание глинистой фракции, тем слабее водопроницаемость. Свойство водоупорности широко ис­пользуется, когда надо создать водонепроницаемое земляное со­оружение — насыпь, экран или завесу.

Влагоемкость

Влагоемкость — способность поглощать и удерживать в себе некоторое количество воды. Различают несколько типов влагоем- кости — гигроскопическую, молекулярную, капиллярную, пол­ную и др. Запас воды, находящийся в составе грунта, используют растения в периоды между дождями. Отметим, что свойства влаго- емкости и водонепроницаемости нисколько не противоречат друг другу — глина может содержать в себе воду, даже много воды, но движения этой воды в ней нет.

Сжимаемость

Сжимаемость — способность под нагрузкой уменьшаться в объеме. С ней связана осадка глинистых пород под сооруже­ниями — обстоятельство, которое значительно меньше проявляется у песков и практически не проявляется у скальных, полускальных и крупнообломочных пород. Под сооружениями осадка глинистых грунтов происходит в два этапа. Сначала грунт довольно быстро сжимается, а потом в течение многих лет происходит консоли­дация—доуплотнение за счет уменьшения пористости, отжима свободной и связанной воды.

При возведении сооружений реальная осадка на глинистых по­родах может составлять от нескольких до десятков сантиметров — все зависит от площади и конструкции фундамента и геологических условий. Наиболее опасной считается неравномерная осадка, когда одна часть сооружения опускается больше, чем соседняя, что грозит появлением в стенах трещин и нарушением работоспособности всего сооружения. Равномерной осадки, которая не навредила бы сооружению, не бывает, и рассчитывать на нее нельзя.

Выпор

Выпор — предельный, катастрофический вариант осадки. Когда нагрузка под сооружением превышает допустимую нагрузку, в гли­нистых и песчаных грунтах начинают происходить деформации сдвигающего и текучего характера. Снаружи от сооружения на по­верхности земли вырастают бугристые выступы грунта, а соору­жение наклоняется недопустимым образом и приходит в аварийное состояние.

Схема выпора грунта под сооружением

На практике выпор — редчайшее событие, так как его просто не допускают, а вот деформации сдвигающего.типа на склонах, сложенных глинами, — часто явление, называемое оползнями и оплывинами.

Схема оползня

Задачей геологов-изыскателей является доскональное изучение свойств глинистых пород с тем, чтобы можно было правильно ре­шать любые задачи, связанные с работой на их поверхности. Для оценки свойств глинистых (и песчаных) грунтов разработана целая система лабораторных показателей, количество которых уже пере­валило за сотню. Показателей свойств скальных и обломочных грунтов значительно меньше.
В проектно-изыскательских учреждениях при геологических от­делах созданы лаборатории геотехники и свойств грунтов. Мини­мальный набор анализов включает гранулометрический состав, ес­тественную влажность, влажность на пределе пластичности и рас­катывания, пористость, плотности скелета, влажного и сухого грунта, показатель консистенции. Для наиболее точной оценки осадки глин под сооружениями измеряются модуль сжатия и со­противление сдвигу.