Микроструктура глинистых пород

Наряду с минеральным составом, исследование которого с помощью ПЭМ описано выше, другим важным фактором, определяющим многие свойства глинистых пород, является их микроструктура. Под микроструктурой будем понимать размер и форму глинистых частиц и микроагрегатов (совокупностей частиц), их взаимную ориентацию и тип структурных связей (то есть сил, действующих на контактах между твердыми структурными элементами). Микроструктура глинистых пород очень чувствительна к изменению условий накопления минерального осадка и его последующих геологических преобразований. С точки зрения одного из основоположников отечественной инженерной геологии И. В. Попова, микроструктура отражает влияние различных физико-химических факторов на процессы структурообразования. Таким образом, микроструктура является своеобразной «фотографией» тех условий, в которых сформировалась данная глинистая порода. В ней за счет специфического сочетания различных морфометрических (размер, форма, характер поверхности структурных элементов, их количественное соотношение), геометрических (пространственное расположение структурных элементов) и энергетических (структурные связи) признаков как бы заложена информация о прочности и деформационном поведении породы, о возможном характере изменения под действием тех или иных условий. Таким образом, решая обратную задачу и количественно определяя соответствующие микроструктурные параметры, можно не только предсказывать многие свойства глинистых пород, но и дать достоверный прогноз их изменения при различных воздействиях. Подобная информация чрезвычайно важна при изысканиях и строительстве различных инженерных сооружений, при решении многих природоохранных и экологических задач.

Изучение в РЭМ образцов глинистых пород позволило ученым рассмотреть тончайшие детали строения с размерами менее 1 мкм. Исследователи увидели многие особенности микроструктуры, которые до этого были неизвестны. Было установлено, что среди большого многообразия глинистых пород можно выделить пять основных типов микроструктур — ячеистую, скелетную, матричную, турбулентную и ламинарную. При этом убедительно показано, что особенности микроструктуры глинистых пород тесно связаны со многими их свойствами. Рассмотрим подробнее эти микроструктуры.

В качестве примера породы с ячеистой микроструктурой возьмем образец современного морского глинистого осадка (глинистого ила), отобранного со дна Черного моря. Это типичная ячеистая микроструктура, образовавшаяся после коагуляции и осаждения частиц глинистых минералов в морской воде. Ее главной морфологической особенностью является присутствие изометричных открытых ячеек. Стенки ячеек сложены листообразными микроагрегатами глинистых частиц, контактирующих между собой по типу плоскость — торец и торец — торец через водные пленки. Такие контакты называются коагуляционными.

Породы с ячеистой микроструктурой отличаются высокой пористостью (до 80%) и влажностью (до 300%). Естественно, что глинистые осадки со столь рыхлой микроструктурой обладают очень низкой прочностью и высокой сжимаемостью даже под очень малыми нагрузками. Они проявляют способность разжижаться даже при незначительных вибрациях и толчках, а в состоянии покоя восстанавливать свою структуру. Такое специфическое поведение молодых глинистых осадков и слабо уплотненных глин целиком определяется присутствием в них обратимых коагуляционных контактов, что уже отмечалось выше. При строительстве инженерных сооружений на подобных породах необходимо помнить об их коварных свойствах и принимать соответствующие меры по защите или упрочнению слабых пород основания.

В том случае, если в водных бассейнах накапливаются не глинистые, а песчано-пылевато-глинистые частицы, возможно формирование скелетной микроструктуры. Глинистые породы с такой микроструктурой сложены в основном зернами первичных минералов, таких, как кварц, полевой шпат и другие, формирующих однородный «скелет». Глинистый материал распределен неравномерно и не создает сплошной матрицы. Глинистые частицы обычно скапливаются на поверхности зерен в виде сплошных «рубашек» или на контактах песчаных и пылеватых зерен. Здесь в центре отчетливо видна пылеватая кварцевая частица, покрытая глинистой рубашкой и контактирующая с другими частицами через тонкие цепочки глинистых частиц — глинистые мостики, которые по своей природе также являются коагуляционными контактами. Такая специфическая особенность скелетной микроструктуры служит причиной чрезвычайно низкой динамической устойчивости: в условиях полного водонасыщения, после воздействия даже довольно слабой вибрации, возможно разрушение глинистых мостиков, связывающих пылеватые зерна, и разжижение всей породы. В таких случаях говорят, что глинистая порода (обычно это суглинки и супеси) проявляет плывунные свойства. Откосы, насыпи дорог, земляных плотин и дамб часто подвергаются подобным катастрофическим явлениям.

В ходе геологического развития, когда молодые глинистые осадки погружаются в более глубокие горизонты земной коры и уплотняются, происходят существенные изменения в микроструктуре глинистых пород. Так, например, морской ил с текуче-пластичной консистенцией трансформируется в более плотную пластичную глину с матричной микроструктурой. Она характеризуется присутствием сплошной неориентированной глинистой массы (матрицы), в которой содержатся беспорядочно расположенные пылеватые и песчаные зерна, не контактирующие между собой. Как правило, глинистые породы с матричной микроструктурой (например, ледниковые отложения — плотные моренные суглинки), имеют достаточную прочность и не вызывают каких-либо проблем у строителей.

Если глинистые породы попадают на большие глубины, где подвергаются воздействию высокого уплотняющего давления и температуры, то начинается интенсивная перестройка микроструктуры, заключающаяся прежде всего в переориентации глинистых частиц в направлении, перпендикулярном прикладываемой нагрузке. Как правило, в результате этого процесса частицы и микроагрегаты в породе уплощаются, существенно сближаются друг с другом и приобретают высокую степень ориентации. Выделяют два вида таких высокоориентированных микроструктур — турбулентная и ламинарная. Свое название эти микроструктуры получили из-за удивительного сходства расположения листообразных микроагрегатов глинистых частиц с картиной течения жидкости в турбулентном (с завихрениями) и ламинарном (прямолинейном) потоках. Как правило, глинистые породы с такой микроструктурой очень плотные и прочные.

Пористость таких пород обычно не превышает 20%, а их прочность может составлять сотни и даже тысячи килограммов на 1 см². Столь высокая прочность у пород с турбулентной и ламинарной микроструктурами обусловлена присутствием в них очень прочных фазовых контактов кристаллизационной или цементационной природы. Иными словами, находясь в условиях высоких давлений и температур, а также подвергаясь воздействию различных химических растворов, отдельные минеральные частицы как бы свариваются друг с другом по контактирующим внешним поверхностям или цементируются различными химическими веществами (карбонатами, железом и т. д.). Прочность таких пород становится соизмеримой с прочностью самих минералов. Казалось бы, такие породы являются наилучшим основанием для строительства — прочным и несжимаемым. Однако это не совсем так. Во-первых, присутствие высокой ориентации частиц по напластованию часто приводит к расслаиванию породы, в результате чего в сильно уплотненных глинах, аргиллитах, глинистых сланцах существует большая анизотропия свойств, то есть прочность перпендикулярно микрослоям может быть во много раз выше, чем вдоль слоев. Безусловно, это надо знать строителям и учитывать в расчетах анизотропию прочности. Ведь в случае наклонного залегания таких пород в основании какого-нибудь тяжелого сооружения, например высотной арочной плотины, перегораживающей в горах узкое и глубокое ущелье, возникающие тангенциальные (боковые) напряжения могут оказаться во много раз большими, чем прочность вдоль микрослоистости. В этом случае может произойти разрушение основания плотины, что повлечет за собой страшную катастрофу. Во-вторых, несмотря на высокую прочность и твердость в сухом состоянии, высокоуплотненные глины, аргиллиты и сланцы при длительном взаимодействии с водой могут существенно терять свою прочность в связи с возникновением эффекта расклинивающего действия воды (эффект Ребиндера).

Суть этого явления заключается в том, что молекулы воды, проникая в узкие зазоры и щели, а именно такую форму имеют промежутки (микропоры и микротрещины) между параллельно ориентированными глинистыми частицами и микроагрегатами, интенсивно раздвигают стенки (то есть частицы), в результате чего химические связи (фазовые контакты) существенно ослабляются. Например, глинистые сланцы могут многократно терять свою прочность от нескольких тысяч до нескольких сотен килограммов на 1 см². Этот процесс усугубляется, если вода имеет повышенную агрессивность (например, повышенную кислотность) и при ее фильтрации через породу происходит растворение и размягчение связей, увеличение пористости и интенсивный вынос вещества породы. Если не учитывать подобные особенности таких, казалось бы, прочных и вечных пород, это может привести к тяжелейшим последствиям. История строительства содержит множество описаний тяжелых аварий плотин.

Из сказанного можно сделать вывод, что знание и учет особенностей минерального состава и микроструктуры глинистых пород, а также понимание сложных природных процессов, влияющих на свойства глин, являются непременным условием при проектировании инженерных сооружений, возводимых на этих специфических породах. Необходимо помнить, что неверная оценка этих особенностей может привести к непредсказуемому поведению глинистых пород и вызвать катастрофические последствия.