Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Общая часть 9
1.1. Общие сведения о городе 9
1.2. Климатические условия 10
1.3. Геоморфологическая характеристика 12
1.4. Геологическое строение 15
1.5. Мерзлотно-гидрогеологические условия 18
1.6. Геохимическая изученность территории г. Якутска. 30
Глава 2. Методика
2.1. Полевые работы 40
2.2. Аналитические исследования 41
2.3. Камеральная обработка 46
Глава 3. Геохимическая характеристика территории г. Якутска 48
3.1. Геохимия почв и атмосферных осадков 48
3.2. Геохимия аллювия и техногенных отложений .51
Глава 4. Геохимия техногенных отложений
4.1. Грунты техногенного сезонно-талого слоя 62
4.2. Грунты техногенного мерзлого слоя 66
4.3. Особенности техногенных геохимических аномалий 73
Глава 5. Инженерные свойства засоленных техногенных грунтов
5.1. Температуры начала замерзания засоленных поровых растворов 86
5.2. Агрессивность 95
Заключение 101
Библиографический список
- Климатические условия
- Аналитические исследования
- Геохимия аллювия и техногенных отложений
- Грунты техногенного мерзлого слоя
Введение к работе
Актуальность работы. Недостаток сведений о состоянии мерзлотных условий в урбанизированной среде может привести к возникновению опасных градостроительных и экологических проблем. Одной из них является процесс преобразования природного грунта в техногенный под влиянием хозяйственной деятельности человека. Геохимические особенности горных пород, находящихся на урбанизированных территориях, являются индикатором техногенного давления. Вещества, содержащиеся в поровых растворах, нередко обладают агрессивными свойст вами относительно материалов фундаментов, таких как бетон и металл. Это ведет к понижению надежности зданий и сооружений и приводит к деформациям. Породы, претерпевшие техногенные изменения в криолитозоне, по своим агрегатным свойствам нередко занимают переходное положение между мерзлыми и талыми породами. Переход мерзлых пород в пластично-мерзлое или талое состояния вызывает деформации и нередко приводит к разрушениям объектов городской инфраструктуры.
Город Якутск – крупнейший населенный пункт, который расположен на территории со сплошной криолитозоной. В отличие от других городов России, построенных на вечномерзлых грунтах (Норильск, Воркута, Магадан), население в Якутске продолжает расти. За последние 15 лет чис ленность населения возросла с 195,4 тыс. человек в 2000 г. до 302 тыс. человек в 2015 г., что стимулировало активное строительство. Жилищный фонд города вырос в 2000 – 2012 гг. от 3,9 до 5,4 млн кв. м.
Вместе с тем развитие городской инфраструктуры в течение 385 лет необратимым образом изменило естественную экосистему долины Туй-маада, и на сегодняшний день территория города Якутска представляет собой природно-техногенную среду. Основными проблемами градостроительства в г. Якутске являются: изменение мерзлотных условий, интенсивное засоление грунтов, высокая агрессивность грунтовых вод, повышение уровня и минерализации надмерзлотных вод, формирование криопэгов. Около 70 % проблемных территорий находится в пределах старой городской территории, существовавшей к началу ХХ в., где продолжительность антропогенного воздействия достигает 150 – 200, а мес тами и 300 лет.
Степень разработанности темы исследования. Результаты исследований, касающиеся классификации, причин и условий формирования, а также распространения и физико-химических свойств засоленных
мерз лых и талых грунтов, отражены в трудах Э. Д. Ершова, С. М. Фоти-ева, И. А. Комарова, П. А. Соловьева, А. А. Карпуниной, Ю. Я. Велли, В. И. Аксенова, В. М. Карпова, В. В. Докучаева, Л. Т. Роман, А. Н. Яркина, В. Т. Трофимова, В. В. Куницкого.
Геохимические особенности почв, надмерзлотных вод и многолет-немерзлых пород в селитебных районах криолитозоны представлены в работах: А. Г. Еловской, Н. П. Анисимовой, В. Н. Макарова, Н. А. Павловой, А. В. Брушкова, В. З. Хилимонюк, В. М. Пономаревой, Я. Б. Лего-стаевой, Н. Е. Сивцевой.
Цель работы. Выявить геохимические особенности грунтов криоли-тозоны в условиях техногенеза, а также дать оценку их влияния на городскую инфраструктуру на примере Якутска.
Задачи исследования:
– выявить закономерности распределения химических веществ в почвах, в техногенных грунтах деятельного слоя и многолетне-мерзлой толще;
– установить геохимические особенности в зависимости от литоло-гической разности грунтов;
– определить влияние засоленных грунтовых растворов на температуру начала замерзания грунта и их агрессивное воздействие на материалы фундаментов оснований.
Методы исследования. Для решения поставленных задач необходим комплексный подход, который включает в себя: анализ опубликованных и фондовых литературных источников, полевые работы, выявление физических свойств и химического состава грунтов, применение методов статистической и графической обработки фактического материала.
Степень достоверности результатов исследования обоснована гео химическим площадным опробованием грунтов на территории г. Якутска по поверхности и на глубину до 10 – 15 м и химическими анализами в сертифицированных лабораториях (аттестаты аккредитации № РОСС RU. 0001.518584 и РОСС RU. 0001.511039).
Работа выполнена в ходе исследований: по проекту НИР VIII.69.2.х. Комплексные исследования эволюции криогенных ландшафтов Восточной Сибири в позднем плейстоцене и голоцене. Раздел 3. Геохимическая оценка современного состояния природных и техногенных криогенных ландшафтов Восточной Сибири; муниципальному контракту № 04-2010 «Организация и проведение геокриологического мониторинга на
территории г. Якутска» (2010 – 2012 гг.); при выполнении работ по Гранту РФФИ № 15-45-05050 р_восток_а «Экспериментальные исследования формирования и эволюции техногенных криопэгов на урбанизированной территории криолитозоны в Центральной Якутии» (2015 – 2016 гг.).
Научная новизна. В результате проведенной работы впервые было установлено следующее.
-
Специфическая мерзлотная обстановка на территории г. Якутска обусловила формирование двухслойного «техногенного слоя»: в верхней части ежегодно проявляются процессы сезонного промерзания и оттаивания грунтов, в нижней части грунты мерзлые. Эти слои отличаются по своим геохимическим свойствам.
-
Мощность грунтов, подверженных техногенному влиянию, в среднем составляет 4 – 6 м, в отдельных случаях – 8 – 14 м. Техногенное воздействие привело к загрязнению городских почв. В них резко повысилось содержание Hg, Zn, Sn, Pb, Cr, P, Mn, Mo и Cu.
-
Максимальная контрастность техногенных геохимических аномалий по отношению к химическому составу аллювиальных отложений свойственна ионам – макрокомпонентам солевого состава: Cl-, NO3-, K+, Na+, NO2-, SO42-, а также Hg. Содержание микроэлементов в сезонно-талых техногенных отложениях примерно в 1,5 раза выше, чем в нижезалегающих мерзлых.
Положения, выносимые на защиту:
I. Формирование химического состава сезонно-протаивающих и мерзлых техногенных грунтов г. Якутска в процессе гипергенного перераспределения вещества определяется климатическими условиями, температурным режимом грунтов, продолжительностью и интенсивностью техногенеза. Техногенное влияние, по геохимическим данным, наблюдается на глубинах более 10 м, с ярко выраженными аномалиями на границе сезонного протаивания, и переходе от техногенных грунтов к естественным. II. Выделяются два геохимически специализированных техногенных слоя: техногенный сезонно-талый слой и техногенный мерзлый слой. Контрастность техногенных геохимических аномалий в се-зонно-талых техногенных отложениях примерно в 1,5 раза выше, чем в нижезалегающих мерзлых. Для техногенных отложений характерна слабощелочная реакция среды, повышенная засоленность, за счет накопления хлоридов, сульфатов, нитратов и концентрирования тяжелых металлов.
III. Засоленные техногенные грунты, распространенные на территории старой части г. Якутска, являются наиболее проблемными для строительства. Их поровые растворы насыщены солями сульфатов и хлоридов, которые агрессивно воздействуют на материалы инже нерных сооружений, а низкая температура начала замерзания ухудшает прочностные характеристики грунтов.
Практическая значимость работы. Полученные результаты могут быть использованы при планировании строительства зданий и сооружений на территории города, а также при решении экологических задач.
Апробация результатов. Результаты исследований были представлены на 6 международных (Мирный, 2011; Харбин, 2014; Пущино, 2013, 2017; Томск, 2016; Магадан, 2017) и 5 всероссийских конференциях (Санкт-Петербург, 2015; Иркутск, 2015; Якутск, 2010, 2013, 2015). Защищаемые положения опубликованы в 12 печатных работах, в том числе в двух статьях в журналах, входящих в перечень ВАК, а также в одной статье на английском языке.
Личный вклад. Автором работы составлено обобщение опубликованной и фондовой литературы. Проведено литохимическое опробование на территории города в 2011 и 2015 гг., произведена пробоподготовка к химическому анализу образцов грунтов с поверхности и из скважин, сделана статистическая и графическая обработка данных. Построены разрезы и схематичные карты. Выполнена интерпретация результатов гео химических исследований лаборатории геохимии криолитозоны ИМЗ СО РАН на территории города за 1982 – 2016 гг.
Благодарность. Автор выражает благодарность научному руководителю д.г.-м.н., профессору В. Н. Макарову за помощь в выборе темы исследования, а также научным сотрудникам ИМЗ СО РАН – д.г.н. В. В. Ку-ницкому, д.х.н. В. И. Федосеевой, к.г.-м.н. Н. А. Павловой за консультации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, 42 графических иллюстраций, 38 таблиц; библиографический список содержит 123 литературных источников, из них 15 иностранных. Объем рукописи составляет 114 страниц.
Климатические условия
Геологические исследования районе г. Якутска, были начаты ещ в конце XIX века А.Г. Ржонсницким (1918), который впервые выделил Лено-Вилюйскую впадину как крупный структурный элемент Сибирской платформы и провел расчленение слагающих е мезозойских отложений.
Последние обобщающие геологические съмки проведены в районе в конце ХХ – начале ХХI веков [Алексеев, Камалетдинов и др., 1984, 1999; Подъячев и др., 2004], по результатам которых автор приводит описание геологического строения Якутска.
Район Якутска в тектоническом плане находится в зоне сочленения двух крупных тектонических структур Сибирской платформы: юго-восточного борта Вилюйской синеклизы и северного склона Алданской антеклизы. На левобережье р. Лены по геофизическим данным проходит зона Якутского глубинного разлома субмеридионального простирания (рис. 1.4.1). Рис. 1.4.1. Схема сейсмотектоники и современной геодинамики (на основе дешифрирования космоснимка Метеор, [Петров и др., 2013]). 1 - активные разломы: а - установленные, б - предполагаемые; 2 - кинематика разломов: а - сдвиги, б - сбросы, в - взбросы и надвиги, г - неустановленной кинематики; 3 - а) землетрясения с К 11 и К 10, (год их возникновения); б) сейсмотектонические деформации; в) фокальный механизм Сетте-Дабанского землетрясения 1951 г. Направление регионального сжатия. Цифрами (мм/год) показаны скорости современных вертикальных движений. Из структур второго порядка в пределах северного склона Алданской антеклизы выделяют Якутское сводовое поднятие, вытянутое в широтном направлении. Ширина свода оценивается в 80-90 км. В поперечном профиле это крупное асимметрическое погребенное под осадочным чехлом поднятие, с широким плоским сводом и крупным северным крылом.
Отложения, слагающие осадочный чехол имеют пологое (до 1-3) моноклинальное залегание слоев, с падением в северно-западном направлении.
Долина р. Лена - Туймаада в районе Якутска находится в зоне глубинного разлома древнего заложения неоднократно подновляемого, вследствие чего отдельные блоки более молодых пород погружены или приподняты. На некоторых участках к ней приурочены таликовые зоны и выходы на поверхность подземных вод - район крытого рынка «Сайсары», стадион «Туймаада».
В геологическом строении территории города Якутска выделяются следующие комплексы [Гриненко и др., 1995]: I. Комплекс поверхностных отложений –четвертичные образования, несогласно залегающие на отложениях юры и среднего мела. Различия в составе и в строении этих образований определяют их подразделение на следующие геологические комплексы поверхностных отложений. 1) Аллювиальные отложения А) отложения низких террас (aQIII3-4). Якутский горизонт, который состоит из песков, супесей, суглинков, галечников. Мощность 17-20 м. Породы слабо-льдистые, температура в подошве слоя сезонного протаивания 0,8-1,5С. На территории встречаются техногенные термокарстовые образования, бугры пучения, полигональные образования, связанные с ледяными и грунтовыми жилами, территория местами заболочена, наблюдается участок с речной термоэрозией. Б) отложения поймы реки Лена (aQIV). Сложены суглинками, супесями, песками. Мощность 7-24 м. На правом берегу наблюдается: термокарст, бугры пучения, речная термоэрозия. II. Терригенный континентальный комплекс. 1) Морские отложения нижнеюрского (J1) возраста. Представлен песками, песчаниками, алевролитами и алевритами. 2) Морские среднеюрские (J2) отложения: песчаники с прослоями алевролитов. 3) Терригенные угленосные отложения верхнеюрского возраста (J3): пески, песчаники, алевролиты, глины, бурые угли.
Мелкодисперсные грунты приурочены к пониженным формам рельефа. В повышенной части преобладают более крупные фракции песков, встречаются отдельные включения гальки. Коренные породы (J2) сложенные песчаниками, алевролитами залегают на глубине 20-30 м от поверхности. Эти литологические комплексы распространены на всех геоморфологических уровнях.
К северу встречается увеличение крупности фракций, что характерно для всех геоморфологических уровней и объясняется формой долины р. Лены и скоростью водного потока, сформировавшего эти отложения на разных этапах развития. В пределах высокой поймы мелкозернистые пески к северу сменяются отложениями с преобладанием среднезернистых песков. В долине реки Лена поперечный профиль кровли коренных пород корытообразный, слабовогнутый. В пределах поймы р. Лены под водотоками отмечаются впадины глубиной до первых десятков метров.
На территории города значительно развит культурный слой. Который условно делят на «старый» и «новый». Для «старого» типичен пылевато-суглинистый, реже пылевато-супесчаный состав, большое содержание органических остатков, бытового мусора и строительных отбросов в виде древесной щепы, кусков досок и бревен [Салтыков, 1946]. «Новый» культурного слоя начал формироваться с 50-60-х годов XX в. В составе которого преобладают включения щебня, шлака и обломков кирпича. Подобным материалом при планировке местности обычно засыпали озерные котловины, заболоченные низины, выгребные ямы. По расчетам С.И. Серикова, за вторую XX века, на территорию г. Якутска было завезено около 80 млн. м3 различного грунта, что при равномерном распределении его по всей селитебной территории приподняло ее почти на 1,5 м [Сериков, 2010]. Но фактически, мощность культурного слоя не выдержана и изменяется от 1,5 до 4,0 м, порой достигая 10 м. Высокая водонасыщенность и уплотненность его являются причинами небольшой глубины (до 1,8 м) сезонного оттаивания пород на территории г. Якутска.
Аналитические исследования
Для выявления качественных и количественных особенностей макрокомпонентного и микроэлементного состава городских почв, слоя сезонного оттаивания и кровли многолетнемерзлой толщи, в 2011-2015 гг. была восстановлена созданная в 1982-2008 гг. сеть литохимического мониторинга интервал опробования грунтов 0,1-0,2 м ниже дневной поверхности, включающая 170 пунктов наблюдения. Пробы отбирались во второй половине июля.
Детальное комплексное изучение геокриологических и геохимических характеристик грунтов проведено в 2009-2012 гг. коллективом сотрудников Института мерзлотоведения на территории г. Якутска, когда был организован мониторинг для определения температурного режима городских грунтов, попутно определялись физические свойства и химический состав отложений. Коллегами из лаборатории общей геокриологии пробурено 65 скважин глубиной 10-26 м колонковым способом (с отбором керна) с продувкой.
Проведено криолитологическое описанием керна и отбором проб грунта для лабораторных исследований [Ершов, 1985]. Для геохимических целей образцы отбирались с разных литологических разностей с интервалом 1 м. В скважинах были установлены полипропиленовые трубки, для проведения геотермического мониторинга
Литохимические пробы направлялись на химический, приближенно-количественный спектральный и атомно-абсорбционный анализы. Для подготовки к приближенно-количественному спектральному анализу после высушивания при комнатной температуре литохимические пробы просеивались через сито диаметром 0,5 мм. Фракция пробы 0,5 мм, весом не менее 30 г, переносилась в бумажный пакет и передавалась с прилагаемой ведомостью в спектральную лабораторию ГУП «Центргеоаналитика». Схема обработки и анализа литохимических проб приведена на рис.2.2.1.
Схема обработки и анализа литохимических проб При подготовке к химическим анализам литохимические пробы высушивались и направлялись на приготовление водной вытяжки. Полученная вытяжка разделялась на 3 части: одна направлялась на определение микрокомпонентов атомно-абсорбционным методом; в другой проводилось определение макрокомпонентов и биогенных составляющих (табл. 2.1); а в оставшейся части пробы определяли такие параметры, как рН, электропроводность, Еh, F-, Sr, Ba, Li, НPO42-, Na+ и K+. Все определения проводились по методикам, включенным в Государственный реестр методик количественного химического анализа (табл. 2.2.1). Аналитическая обработка геохимических проб проведена в лаборатории геохимии Института мерзлотоведения СО РАН (аттестат аккредитации № РОСС RU. 0001.518584, от 05.06.2011 г.), аналитики Л.Ю. Бойцова, Р.М. Петухова, О.В. Шепелева и в лабораториях ГУП «Центргеоаналитика» (аттестат аккредитации Госстандарта РФ № РОСС RU. 0001.511039).
Приближенно-количественный спектральный анализ микроэлементного состава литохимических пробна 35 элементов, химический анализ водной вытяжки (внешний контроль) и атомно-эмиссионный анализ проведены в Центральной геолого-аналитической лаборатории ГУП РС(Я) – «Центргеоаналитика»; (спектроаналитическая установка: генератор ДГ-2 (№280-69), спектрограф ДФС-8 (№760024), микроскоп МБС-9 (№854628). Из-за высокой летучести и недостаточной чувствительности приближенно-количественного спектрального анализа (ПКСА) определение ртути выполнено атомно-адсорбционным методом на приборе РА-915 с нижним пределом обнаружения 5,0 мг/т. Методы и чувствительность анализа геохимических проб в лабораториях ГУП «Центргеоаналитика» приведены в таблицах 2.2.2 и 2.2.3. Cd -«- ОД Жидкостная хроматография Контрольные химические анализы водных вытяжек из почв проведены также в лаборатории Якутского городского комитета охраны природы (аттестат аккредитации РОСС RU 0001.516624).
Относительное среднее квадратичное отклонение по большинству элементов равно25%, что свидетельствует о высоком качестве результатов анализов, близких к 3-ей категории точности [ОСТ 41-08-214-82].
Для объективного количественного анализа полученных данных были применены стандартные статистические методы (медиана, линейная регрессия, вариация).
Медиана в математической статистике - число, характеризующее выборку (например, набор чисел). Если все элементы выборки различны, то медиана -это такое число выборки, что ровно половина из элементов выборки больше него, а другая половина меньше него. Медиана, является основной альтернативой средней арифметической, так как устойчива к аномальным отклонениям.
Линейная регрессия хороша при моделировании характеристик, значения которых увеличиваются или убывают с постоянной скоростью. Это наиболее простая в построении модель исследуемого процесса. Она строится в соответствии с уравнением: y = mx + b (1) где m - тангенс угла наклона линейной регрессии к оси абсцисс; b -координата точки пересечения линейной регрессии с осью ординат. При подборе линии тренда Excel автоматически рассчитывает значение величины R2, которая характеризует достоверность аппроксимации: чем ближе значение R2 к единице, тем надежнее линия тренда аппроксимирует исследуемый процесс.
Достоинствами регрессионного анализа являются: -относительная легкость построения на диаграммах линии тренда без создания для нее таблицы данных; -возможность прогнозирования поведения исследуемого процесса на произвольное (в пределах здравого смысла) количество шагов вперед, а также назад; -возможность получения уравнения линии тренда в аналитическом виде; -возможность, при необходимости, получения оценки достоверности проведенной аппроксимации. Коэффициент вариации - мера относительного разброса случайной величины показывает, какую долю среднего значения этой величины составляет е средний разброс. При значении коэффициента вариации менее 33%, совокупность считается однородной, если больше 33% – неоднородной. Расчеты производились по различным выборкам: разнородным грунтам, продолжительность техногенеза, и характеру мерзлоты.
Для построения карт-схем распространения различных показателей химического состава грунтов (засоленность, рН, микроэлементы и др.) использовалось приложение ArcGIS-10.1, позволяющее выделять геохимические аномалии с точной географической привязкой и масштабом. Для построения литологических колонок и разрезов был применен графический редактор CorelDraw X6.
Применение современных графических методов позволяет наглядно показать распространение макро и микрокомпонентов как по площади (построение карт-схем), так и по глубине (построение колонок, разрезов).
Выводы. Комплексный подход, который включает в себя: анализ опубликованных и фондовых литературных источников, полевые работы с отбором проб почв и грунта, аналитические исследования (химический анализ водных вытяжек из грунта, приближенно-количественный спектральный анализ и атомно-адсорбционная спектрометрия) в аккредитованных лабораториях, определение физических свойств (влажность и гранулометрический состав грунта), статистическая и графическая обработки фактического материала, сравнительный анализ полученных результатов.
Геохимия аллювия и техногенных отложений
Наблюдается разубоженность песчано-глинистых и существенно песчаных пород аллювия такими элементами, как V, Co, Ni, Cu и Hg, содержание которых фиксируется на уровне значений Кк 0,5.
Геохимический спектр четвертичных отложений в основном сохраняется и в техногенных грунтах (см. рис. 3.2.2). Максимальная геохимическая трансформация наблюдается в верхнем слое городских почв (0-0,2 м), где в процессе антропогенного воздействия существенно возросла контрастность, по сравнению с уровнем КЗК, группы халькофильных (Hg, Zn, Pb, Ag, Tl) и литофильных (B, Ti, Mn, Y) химических элементов (табл. 3.2.3). Таблица 3.2.3 Среднее содержание химических компонентов в техногенных отложениях
Сравнение засоленности, величины рН и среднегодовых температур грунтов в зависимости от продолжительности техногенеза в различных районах Якутска (рис. 3.2.2) показало, что величина засоленности и городских грунтов в старых районах города, где продолжительность техногенного воздействия более 200 лет, выше, чем грунтов испытавших менее длительное воздействие техногенеза. Повышенная щелочность городской среды в сезонно-талых грунтах техногенного слоя и особенно в городских почвах (повышение рН иногда до 9), создает возможности для образования слабощелочных и сильнощелочных (содовых) классов геохимических барьеров.
На территории старой городской застройки наблюдаются более резкие температурные перепады (3.2.3). В отложениях с возрастом застройки более 100 лет, слой сезонного протаивания может достигать 3 м, тогда как в грунтах с меньшей продолжительностью техногенного влияния, деятельный слой в среднем составляет около 2 м. сезоннопротаивающих и мерзлых грунтах различается: гидрокарбонат-ион и кальций-ион, как правило, накапливаются в грунтах деятельного слоя на глубине до 2 м, а ионы магния, натрия, калия, сульфата и особенно хлора имеют несколько пиков концентрирования: на глубине 4-5, а порой ниже 8 метров от земной поверхности (рис. 3.2.4). Рис. 3.2.4. Медианные значения изменения концентраций ионов в грунтах по глубине в зависимости от времени застройки. Кальций и магний поступают в грунты техногенного слоя обычно из различного строительного материала: известняка, строительного раствора, цемента, бетона. Биофильные элементы (калий и натрий) накапливаются вследствие разложения органического вещества, в основном древесины, а калий, кроме того, поступает из золы. Максимальное содержание калия приурочено к грунтам техногенного слоя в зоне распространения сезонно-талых грунтов с максимальной продолжительностью техногенного воздействия - более 200 лет.
Нитрат-ион и нитрит-ион интенсивно накапливаются на глубине 2-4 м в грунтах возраст застройки которых 100-350 лет (рис. 3.2.5). Рис. 3.2.5. Медианные значения концентраций соединений азота по глубине в зависимости от времени застройки. Высокие концентрации фосфора связаны в основном с разложением органического вещества, бытовых отходов. Концентрация фосфора в грунтах культурного слоя максимальна в его верхней части в пределах распространения сезонно-талых грунтов – 1210 мг/кг и понижается до 814 мг/кг в многолетнемерзлых слоях. В нижележащих многолетнемерзлых аллювиальных отложениях содержание фосфатов продолжает снижаться до 669 мг/кг, примерно на 1/5. На участках с возрастом городской застройки 100-350 лет распространение аномальных концентраций фосфора достигает глубины 6-7 м. На участках с относительно молодым возрастом городской застройки (70 лет) аномалии фосфора находятся на глубине 5-5,5 м. В местах современной застройки подобные аномалии были установлены на глубине не более 2 м (табл. 3.2.4).
Техногенный слой Аллювиальные отложения стс ММП ММП 850 775 625 813 625 Халькофильные элементы распределяются по глубине неравномерно (рис. 3.2.6). Аномалии ртути и серебра приурочены к глубине 1-3 м, особенно в торфяных горизонтах. Цинка больше всего на глубине 1 м в грунтах, где возраст застройки достигает около 100 лет. Олово концентрируется относительно равномерно по всему разрезу, но минимальные концентрации типичны для участков новой (длящейся менее 50 лет) застройки. Из общего ряда данной группы элементов очень сильно выбивается медь, максимальные концентрации, которой приходятся на участки современной застройки.
Литофильные элементы Mn, Ti, Li и V как и большинство металлов концентрируются в грунтах деятельного слоя на глубинах 1-3 м, преимущественно на территории старой застройки (рис. 3.2.7). .
Группа сидерофильных элементов включает Ni, Co и Mo, как и большинство элементов концентрируются в грунтах деятельного слоя на глубинах до 4 м. Иначе ведет себя молибден для которого характерно накопление на глубине 2, 4, 8 и 10 м от дневной поверхности (рис. 3.2.8).
Накопление микроэлементов в техногенных городских отложениях может быть связано не только с деятельностью человека, но и с высоким содержанием элементов в естественных горных породах, на которых сформировался техногенный слой.
Выводы. На территории г. Якутска засоленные грунты распространены локально. Грунты подверженные засолению в среднем достигают глубин 4-6 м, в отдельных случаях 8-14 м. Весьма неблагоприятная ситуация сложилась с загрязнением городских почв. На химический состав почв в значительной степени влияют атмосферные осадки. Техногенное давление привело к резкому повышению в городских почвах содержания Hg, Zn, Sn, Pb, Cr, P, Mn, Mo, Cu.
Охарактеризован макро- и микрокомпонентный состав голоценовых аллювиальных отложений, которые являются исходным поставщиком продуктов гипергенного выветривания в районе города, по химическому составу слабокислые сульфатно-гидрокарбонатные смешанные по составу катионов, с примерно равными концентрациями аммония и хлоридов (0,045-0,050 мг-экв/100г) и низкой величиной солености 0,025%/100г. Аллювиальные четвертичные отложения в районе города геохимически специализированы на группу лито- и халькофильных элементов – В, W, Pb, Тi, Sn, Mo и Ag, содержание которых превышает кларковые значения в 1,2- 2 раза. Наблюдается разубоженность песчано-глинистых и песчаных пород аллювия V, Co, Ni, Cu и Hg.
Итог исследований, изложенных в главе 3 обосновывает первое защищаемое положение: Формирование химического состава сезонно-протаивающих и мерзлых техногенных грунтов г. Якутска в процессе гипергенного перераспределения вещества, определяется климатическими условиями, температурным режимом грунтов, продолжительностью и интенсивностью техногенеза. Техногенное влияние, по геохимическим данным, наблюдается на глубинах более 10 м, с ярко выраженными аномалиями на границе сезонного протаивания, и переходе от техногенных грунтов к естественным.
Грунты техногенного мерзлого слоя
Известно [Аксенов, 1978, Вотяков,1961, 1975], что мерзлые грунты могут содержать небольшое количество жидкой воды, количество которой варьируется в зависимости от температуры, давления, площади поверхности частиц грунта или донных отложений, минералогического и химического состава, плотности грунта, а также концентрации, плотности и состава незамерзшей влаги. Эта влага адсорбируется на поверхности грунта или его частиц и пребывает в жидком состоянии даже в том случае, когда температура значительно ниже начальной точки замерзания [Biggar, Sego, 1993, 1995]. Процесс отжатия солей во время замораживания подробно описан в работах [Вотяков,1961, 1975, Terwilliger, Dizio, 1970], где проводилось теоретическое моделирование и лабораторные эксперименты для изучения насыщенного Na-Cl пограничного слоя на границе раздела твердой и жидкой фаз и изучения процесса перераспределения растворенного вещества в течение замораживания, что показано на рис. 5.1.1.
Экспериментальные исследования [Anderson, Morgenstern, 1973] показали, что во время замораживания образуются границы между льдом и водой и, вероятно, тонкая жидкая пленка на контактных поверхностях, поскольку лед не сильно связывается с почвой. Кристаллы льда растут от поверхности частицы в поровое пространство и отжимают растворенные вещества, которые затем концентрируются в пустотном пространстве как «острова» рассола (рис.5.1.2.) [Hivon, Sego, 1995].
Схема распределения незамерзшей воды в мерзлом грунте: а) слабозасоленный поровый раствор в хорошо сортированном мерзлом грунте, б) сильнозасоленный поровый раствор в хорошо сортированном мерзлом грунте, c) сильнозасоленный поровый раствор в грубо сортированном мерзлом грунте [Hivon, Sego, 1995] В зависимости от размера зерен отложений эти рассолы могут затем мигрировать от фронта промерзания, вызванной плотностью и капиллярными силами, и сливаться, образуя отдельные, и порой обширные области соленой воды (криопеги). Известно, что в процессе охлаждения водоносных пород при более высокой отрицательной температуре в первую очередь кристаллизуются карбонаты. Затем при температуре минус 3,5 … минус 8С – сульфаты натрия и магния, а при минус 17С – сульфаты кальция [Общая химия, 1976]. Однако температура кристаллизации этих солей в каждом конкретном случае может несколько изменяться под влиянием других веществ и ионов, содержащихся в растворе. Так, в присутствии органических коллоидов в воде задерживается кристаллизация карбоната кальция. В высокоминерализованном растворе в присутствии других ионов, кристаллизация происходит при температуре минус 7,6С, а не при минус 3,5С, как это должно быть в чистом растворе этой соли [Анисимова, Павлова, 2014]. Наиболее низкую температуру кристаллизации имеют хлориды: при температуре минус 23С начинает выпадать в осадок хлористый натрий (гидрогалит), при минус 36С – хлористый магний (бишофит), а при минус 55С – хлористый кальций [Краткий справочник химика, 1955]. Но при вымораживании растворов сложного состава эвтектическая температура этих солей понижается. Например при вымораживании морской воды почти на 10С ниже становится эвтектическая температура у хлористого калия и хлористого магния [Доронин, Хейсин, 1975].
Для определения температуры начала замерзания грунтов техногенного слоя, было принято решение воспользоваться двумя расчетными методами: уравнение Рауля-Вант-Гоффа (1), и уравнение (2), принятое в официальном издании СП 25.13330.2012. Основания и фундаменты на вечномерзлых грунтах. В первом случае установление температуры начала замерзания грунтовых растворов подчиняются химическим законам Рауля и Вант-Гоффа. Эти законы устанавливают закономерность понижения давления насыщенного пара воды в зависимости от концентрации соли [Глинка, 1976]. Уравнение, выражающее связь между температурой замерзания (плавления) водных растворов солей и их содержанием в соответствии с указанными законами, имеет вид: Т= 1,86ЦІ№І+ТЬ/ (1) где 1,86 - криоскопическая постоянная воды, которая показывает снижение температуры замерзания раствора полностью неассоциированного вещества в результате диссоциации; / - изотонический коэффициент, показывающий, во сколько раз увеличивается число частиц в растворе в результате диссоциации, Tbf - температура начала замерзания незасоленной супеси - минус 0,2 С.
По Вант-Гоффу [Глинка, 1976], для слабонасыщенных растворов параметр / представляет целые числа. Для солей представленных одновалентными и одноосновными кислотами, при малых концентрациях / приближается к 2; для солей, образованных двухвалентными металлами и одноосновными кислотами, - к 3. Значения / для характерных солей, содержащихся в грунтовом растворе, приведены в табл. 5.1.1.
Основные характеристики солей, встречающихся в грунтовых растворах Соль Молекулярный вес, М Коэффициен т i Соль Молекулярный вес, М Коэффициен т i СаС12 111 3 CaS04 138 2 MgCl2 95.2 3 MgS04 120.4 2 NaCl 58 2 Na2S04 142 3 NaHC02 142 3 Mg(HC03)2 146,3 3 Са(НС03)2 162 3 Л.Т. Роман, было установлено, что температуры начала замерзания грунтовой влаги засоленного грунта, определенные по уравнению Рауля-Вант 90 Гоффа, хорошо согласуются с экспериментальными данными (в пределах засоленности 0,1-1,5%) [Роман и др., 1994].
Во втором случае, согласно общепринятым нормативам [СП 25.13330.2012], температуру начала замерзания незасоленных, засоленных и заторфованных грунтов следует определять опытным путем, а в случае отсутствия экспериментальных данных, допускается рассчитывать по формуле (2), где необходимо учитывать вида грунта, концентрацию порового раствора и тип засоленности. Tbf = A-B (53Cps + 40Cps2) (2) А - коэффициент, характеризующий температуру начала замерзания незасоленного грунта , В - коэффициент, зависящий от типа засоления грунта; B = 0 для незасоленных грунтов; В = 1 для грунтов морского типа засоления; В = 0,85 для грунтов с континентальным типом засоления, Cps – концентрация порового раствора. Значения А приведены в табл. 5.1.2.