Исследование возможности повышения агрессивности подземных вод при строительстве на пиритсодержащих глинистых грунтах // Инженерно — геологические проблемы урбанизированных территорий: материалы междунар. симпоз. (Екатеринбург, 30 июля – 2 августа 2001 г.). – Екатеринбург: Аква – Пресс, 2001. – Т. 2. – С. 545-551. — Лаборатория геологии техногенных процессов

Резюме: На примере западной части Курганской области рассмотрены литолого-минеральные и геохимические особенности сине-зеленых глин чеганской свиты палеогена содержащие в своем составе пирит. Приведены результаты экспериментов по окислению пирита с присутствующими в глинах тионовыми бактериями. Дана оценка возможности повышения агрессивности подземных вод при строительстве на пиритсодержащих глинистых грунтах. Рассмотрены предложения по защите подземных конструкций от агрессивных сред.

Основанием сооружений, планируемых к возведению в западной части Курганской области, являются сине-зеленые глины чеганской свиты палеогена. Глины, согласно данным инженерно-геологических изысканий, характеризуются агрессивными свойствами к стали, сульфатной агрессивностью к бетону нормальной проницаемости. Грунтовые воды на участках строительства обладают общекислотной и сульфатной агрессивностью к бетону.

Формирование агрессивности в значительной степени обусловлено особенностями минерального состава чеганских глин наличием в грунтах пирита (до 0,8 %). Как показывает практика, строительство и эксплуатация сооружений на таких грунтах сопровождается увеличением сульфатной и общекислотной агрессивности вод и грунтов. В связи с чем, проведена оценка возможности изменения химического состава и агрессивных свойств грунтовых вод и грунтов в период строительства и эксплуатации сооружений.

Чеганские глины сформированы за счет диагенетических преобразований осадков древнего морского бассейна. Морские условия шельфовой зоны существовали на рассматриваемой территории Зауралья примерно с туронского века мелового периода до раннеолигоценового времени /1/. Отложения чеганской свиты представляют собой осадки неглубокого морского бассейна с пониженной соленостью, умеренной температурой, слабощелочной средой. Застойный гидродинамический режим древнего морского бассейна способствовал повсеместной пиритизации осадков.

Отложения чеганской свиты имеют на территории Зауралья региональное распространение, за исключением участков эрозионного размыва. Литологический состав свиты однообразен на огромных площадях и в типичном виде представлен зеленовато-серыми глинами различных оттенков от грубо- до тонкослоистых за счет примазок и прослоев слюдисто-кварцевого алеврита и мелкозернистого песка, реже отмечаются галька и гравий. В толще глин встречаются желваки и линзы сидерита и фосфорита, реже выдержанные желваковые слои. Для глин характерно присутствие мелких стяжений пирита, кристаллов и сростков гипса. По минеральному составу глины относятся к монтмориллонитовой группе /1/.

На исследуемой территории чеганская свита согласно данным бурения представлена сине-зелеными глинами с листовато-слоистой текстурой за счет прослоек алеврита и мелкозернистого песка кварцево-слюдистого состава. Реже наблюдается присутствие прослоев средне- и крупнозернистого кварцево-слюдистого песка с галькой, как правило, хорошей окатанности. Пески и алевриты, как правило, имеют подчиненное значение. В глинах отмечено присутствие дресвы и щебня, образованного мергелем и органогенным известняком, кристаллы и стяжения гипса. Мощность чеганских отложений по данным исследований на рассматриваемой территории колеблется в пределах 27-39 м. Глубина залегания кровли на территории строительства согласно данным бурения 1,5-6,8 м (рис. 1).

По данным рентгеноструктурного анализа валовых проб чеганских глин, в их минеральном составе присутствуют кварц, полевые шпаты (альбит и микроклин). Глинистые минералы представлены монтмориллонитом (до 40 %), иллитом (до 24 %), каолинитом (до 18 %). Почти во всех пробах присутствует хлорит (1-18 %). В составе глин отмечены сидерит (до 17 %), гипс (до 15,3 %), ярозит (до 6 %) пирит (до 0,8 %).

Водная вытяжка глин чеганской свиты характеризуется выраженным сульфатным составом содержание сульфатов составляет 0,7-4,8 г/кг грунта. Среди катионов преобладают натрий и калий (содержание до 1,1 г/кг грунта), реже кальций (до 0,8 г/кг грунта). Общее содержание водорастворимых солей в водной вытяжке чеганских глин значительно и составляет 1,3-6,6 г/кг грунта. Преобладающее значение водородного показателя соответствует слабощелочной среде (pH 7-7,5). На отдельных участках территории исследований водная вытяжка чеганских глин характеризуется низкими значениями водородного показателя (pH до 4,3).

Анализ изменения содержания сульфат-ионов в водной вытяжке чеганских глин с глубиной позволяет выделить общую тенденцию увеличения их концентрации в поверхностной части свиты. Здесь содержание сульфат-ионов, как правило, на 1,1-1,4 раза (для отдельных проб более чем в 2 раза) выше, чем в глинах, отобранных в забое скважин в интервале глубин 7-20 м (рис. 2).

В водной вытяжки присутствуют значительные количества водорастворимых форм микроэлементов (мг/кг грунта): Mn (до 38), Sr и Ni (до 5), Zn (до 4), Ba и Co (до 3), Сu (до 0,9), Li (до 0,5).

Грунтовые воды исследуемой территории залегают на глубине 0,0-1,85 м и характеризуются преимущественно гидрокарбонатно-сульфатно-натриевым и гидрокарбонатно-натриево-сульфатным составом. Минерализация в основном варьирует в пределах 0,5-1,2 г/л. Водородный показатель имеет значения 6,4-8,0. Содержание макрокомпонентов изменятся в пределах (мг/л): HCO₃^— 128-702, SO₄^2- 76-352, Cl^— 4-234, Ca²⁺ 12-391, Mg²⁺ 12-431, Na⁺+K⁺ 23-403. Концентрация соединений азота не превышает (мг/л): NO₃^— 4,8, NO₂^— 2,3, NH₄⁺ 3,2. Cодержание общего железа составляет не более 0,1 г/л, алюминия 0,6 мг/л.

В микрокомпонентном составе грунтовых вод отмечаются высокие содержания марганца до 4,4 мг/л. Содержание остальных микроэлементов не превышает (мг/л): Sr — 1,9; Ti — 0,7; Ва — 0,3; Ni — 0,2; Li и Ge, — 0,1; Ce — 0,09; Zn — 0,08; Cr — 0,04; La — 0,03; Со, V и Cu — 0,02; Y — 0,01; Nb — 0,008; Mo — 0,006; Sc, Pb и Ga — 0,002.

Согласно проведенным литолого-минералогическим исследованиям глины на всем исследуемом интервале содержат стяжения пирита, которые ранее по материалам инженерно-геологических изысканий диагностировались как кремнистые. Стяжения пирита чаще имеют округлую уплощенную форму, реже неправильную угловатую, листоватую форму. Наиболее крупные из встреченных образцы достигают 5 см в диаметре и массы более 70 г (рис. 3). Образования приурочены к прослоям темно-серого алеврита, окраска которого обусловлена присутствием пирита глобулярной структуры. Согласно результатам отмучивания глинистой фракции отдельных образцов керна чеганской свиты, содержание пиритовых стяжений составляет около 3 г/кг грунта.

Анализ литолого-минеральных и геохимических особенностей чеганских глин позволяет говорить о развитие в настоящее время на отдельных участках процессов окисления пирита. Признаками окисления являются:

увеличение содержания сульфат-ионов в кровле свиты;
кислая реакция среды водной вытяжки;
присутствие в минеральном составе глин комплекса минералов, характерного для сернокислотного процесса гипса, ярозита, сидерита;
присутствие в глинах на участках с низкими значениями водородного показателя среды водной вытяжки тионовых бактерий.

Тионовые бактерии являются важным фактором сернокислотного процесса. Основная роль в окислении широкого круга соединений серы до сульфатов принадлежит представителям рода Thiobacillus. Обладая мощным ферментативным аппаратом, тионовые бактерии по своей окислительной активности могут конкурировать с процессами химического окисления сульфидов металлов, элементарной серы, сульфата двухвалентного железа. Известно, что скорость бактериального окисления сульфата двухвалентного железа в условиях кислой среды в сотни тысяч миллионы раз выше скорости химического окисления.

Наиболее важным видом данного рода бактерий в отношении окисления пирита является Thiobacillus ferrooxidans /2/. Оптимум развития этого вида находится при значении рН 1,8-3,5, пределы существования 1,5-4,8. В природных условиях эти бактерии встречаются и в нейтральных и слабощелочных водах, но находятся в малоактивной форме /2/. В подземных водах рудных месторождений тионовые бактерии распространены и активны не только в водах зоны окисления, но и на значительно больших глубинах (до 400 м) /3/. Т. ferrooxidans, как правило, встречается в ассоциации с другими представителями этого рода, чаще всего с Т.thiooxidans.

На различных стадиях окисления пирита возникает сложная серия разнообразных соединений, главнейшими из которых являются серная кислота, сульфаты двух- и трехвалентного железа. По мере продолжения окисления среда насыщается серной кислотой, резко возрастает содержание сульфатов. Продукты окисления, воздействуя на окружающие породы и минералы, приводят к образованию новых минеральных видов.

В минеральном комплексе сернокислотного процесса значительную роль играют сульфатные минералы. Большинство сульфатных минералов железа крайне неустойчивы. Среди сульфатов железа наибольшей устойчивостью характеризуется минералы группы ярозита и сам ярозит. Минерал этот плохо растворим в воде и устойчив в сравнительно слабокислых растворах. Образуется он в результате многообразных реакций серной кислоты и железистых сульфатов с различными минералами зоны окисления, в частности согласно данным /4/ с иллитом. Решающую роль в формировании ярозитов в природе играют бактерии Т.ferrooxidans, согласно опубликованным данным /5/.

Взаимодействие сульфатов и серной кислоты с карбонатными породами, прежде всего с известняком и доломитом, создает наиболее благоприятными условиями для осаждения сульфатов за счет резкого снижения кислотности среды. При встрече с карбонатами кислых сульфатных растворов в первую очередь происходит нейтрализация серной кислоты. Результатом такого взаимодействия являются присутствующие в чеганских глинах гипс (водный сульфат кальция) и сидерит (карбонат железа).

Для изучения причин формирования агрессивности чеганских глин был поставлен эксперимент по изучению развития окислительных процессов в условиях водно-кислородной среды. Учитывая значительную роль в окислительном процессе пирита биологического фактора была из реальных условий толщи чеганских глин была получена культура тионовых бактерий. Для этого на элективную питательную среду для тионовых бактерий и вида Thiobacillus ferrooxidans были внесены сине-зеленые глины чеганской свиты, из проб характеризующихся кислой средой водной вытяжки. О развитии бактерий в питательной среде судили по образованию пленки или помутнению раствора, падению водородного показателя и присутствию в нем сульфатов.

Согласно проведенным экспериментальным исследованиям, сине-зеленые глины в условиях водно-воздушной среды и действия бактерий повышают кислотность контактирующих с ними водных сред, являются источником поступления в раствор сульфат-ионов. Так, в водно-глинистом растворе отдельных проб в течение 30 суток снижение величины водородного показателя составило 1 (соответствует десятикратному увеличению содержания ионов водорода в растворе); отмечено более чем двукратное увеличение содержания сульфат-ионов (рис. 4).

Строительные работы, сопровождаемые вскрытием толщи котлованами, выемкой и складированием грунтов в поверхностных условиях, осушением толщи дренажом, будут способствовать усилению окислительных процессов за счет облегченного доступа кислорода к породам. Развитие процессов окисления пирита повлечет за собой снижение водородного показателя среды, поступление в грунтовые воды сульфатов, что приведет к повышению сульфатной и общекислотной агрессивности грунтов и грунтовых вод.

Учитывая указанные процессы и ответственность сооружения, подземные воды и грунты (согласно СНиП 2.03.11-85 /6/) следует относить к сильноагрессивным к бетону нормальной проницаемости на портландцементе по содержанию сульфатов и общекислотной агрессивности. Для ориентировочного прогноза изменения агрессивности и химического состава грунтовых вод и грунтов можно использовать величины, отмеченные в настоящее время на участках активного развития рассмотренных геохимических процессов.

Учитывая высокую стоимость защиты подземных конструкций от сильноагрессивных сред, возможным методом снижения агрессивности подземных вод и грунтов, вызванной окислением пирита, является создание геохимических барьеров /7/. Нейтрализация продуктов окисления возможна путем добавки известняка в грунты при обратной засыпке в строительные котлованы.

Список использованных источников

Умова Л.А., Цаур Г.И., Шатров В.П. Палеогеография Восточного склона Урала и Зауралья в меловое и палеоценовое время. — Свердловск, 1968.
Крамаренко Л.Е. Геохимическое и поисковое значение микроорганизмов подземных вод. — Л.: Недра, 1983.
Крамаренко Л.Е. Бактериальные биоценозы в подземных водах месторождений полезных ископаемых и их геологическое значение /Микробиология, 1962. — Т.ХХХI. — Вып.4. — 694-701.
Hawkins A.B., Pinches G.M. Cause and significance of heave at Llandough hospital, cardiff case history of ground floor heave to gypsum growth // Quarterly Journal of Engineering Geology. — London, 1987. — Vol. 20. — P.41-57.
Чухров Ф.В., Ляликова Н.Н., Горшков А.И. О роли микроорганизмов в образовании ярозитов //Докл. АН СССР, 1978. — Т.241. — № 4. — С.929-932.
СНиП 2.03.11-85 Защита строительных конструкций от коррозии. Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1985.
Мaximovich N.G., Blinov S.M. The use of geochemical methods for neutralization of surroundings aggressive to underground structures // Proceeding 7 Int. Congress Ass. of Engineering Geology.-V.5.-Portugal, Lisboa,1994.-P.3159-3164.