Файл: Воронкевич, С. Д. Газовая силикатизация песчаных пород.pdf

Пленка, состоящая из окристаллизованпого вещества, оказывается весьма прочной в случае, если она образовалась в результате перерождения коллоидов непосредственно на поверхности зерен, нередко с участием вещества последних. Если же кристаллическое вещество поступало извне в виде отдельных частиц, то такая пленка легко разрушается при физическом воздействии. Нередко повышенная прочность ее объясняется повышенным содержанием поглощенного каль­ ция. В связи с изложенным в настоящее время считается, что наибольшей механической устойчивостью обладает железис­ тая пленка, затем пленки кристаллического строения: каолинитовая, гидрослюдистая и смешанного состава. Для пленок, имеющих большое количество неокристаллизоваиного ве­ щества, такой порядок нарушается. Следует отметить, что силикатные пленки, содержащие одинаковые минералы, ока­ зываются более прочными по мере увеличения в них количе­ ства свободных гидроокислов железа и окиси кальция.

Пленка возникает в различные периоды развития песков,

в виде частиц минералов, преимущественно глинистых. Мине­ ральный тип и строение пленки зависят от состава атмосфе­ ры, участия органического вещества, тектонических движений, климата, состава горных пород в районе питания, микро­ рельефа, характера растительности и других факторов, опре­ деляющих своеобразие геохимической обстановки и имеющих место процессов. По времени образования различают два вида пленок: 1) возникающие в период транспортировки и отложения песчаного материала; 2) после отложения песков в период их диагенеза и эпигенеза, включая выветривание и почвообразование. В первом случае чаще всего возникают силикатные пленки. Минеральный тип определяется общими физико-географическими условиями и характером среды; для морских песков характерен гидрослюдистый, реже монтмориллонитовый состав вещества пленок, для аллювиальных — каолинит-гидрослюдистый, для ледниковых — гидрослюдис­ тый. На второй стадии формируются силикатные, железистые и смешанные пленки. Среди силикатных пленок наиболее распространена гидрослюдистая, особенно типичная для сред­ них широт. Каолинитовая пленка типична для жаркого гумидного климата. Нередко присутствует свободный крем­ незем.

На основании экспериментальных исследований естест­ венных и искусственных пленок на различных минералах механизм закрепления пленок на поверхности песчаных зерен представляется следующим образом. На отрицательной по­ верхности кварца адсорбируются золи гидроокислов метал­

14

лов или многовалентные катионы. Оми в свою очередь спо­ собны адсорбировать гель кремнезема, органическое вещество- и мельчайшие частицы силикатных минералов. В зависимости от геохимической обстановки может формироваться простая или комплексная пленка, будут идти процессы физической или химической адсорбции. Последнее обычно сопровождает­ ся коррозией песчаных зерен. После того как процессы акти­ вации поверхности песчинок по отношению к природным адсорбтивам и собственно адсорбция этих веществ заверши­ лись, начинаются процессы, приводящие к упрочнению плен­ ки и закреплению ее на поверхности зерен. Силикатнуюпленку делают прочной и закрепляют грубодисперсные час­ тицы геля Fe(O H )3. Особенно существенное значение имеют коллоиды гидроокиси железа в том случае, если она адсорби­ руется в виде легкорастворимых закисных солей с последую­ щим их окислением в составе пленки. На прочность закреп­ ления большое влияние оказывает старение коллоидов, их окристаллизации. Этому, в частности, способствует нагрева­ ние вещества пленки. Значительная роль принадлежит также

минералами. При катафорезе наблюдается движение к аноду, а при насыщении натрием — набухание, пептизация и отде­ ление пленки от песчаных зерен. Эти пленки связаны через ионы кальция. Второй тип пленок (железистые) характери­ зуется низким поглощением катионов и пониженным отноше­

нием -^ а . Железистые пленки сочленяются с поверхностью

частиц посредством необменно адсорбированного гидроокис­ ла железа.

Третий тип пленок занимает промежуточное положение и характеризуется как переходный. Вещество оболочек с невы­

соким отношением Si° a- ,p H около 7. Кроме того, могут обраRo03

зоваться пленки четвертого, смешанного, типа с двойной и большей оболочкой, представленной пленками первого и вто­ рого типов.

ПЛОТНОСТЬ СЛОЖЕНИЯ ПЕСЧАНЫХ ПОРОД

При оценке песчаных пород в целях их закрепления изу­ чение плотности как одной из важнейших характеристик строения массива имеет большое значение, поскольку ее ве­

15

личина и характер определяют многие параметры инъекцион­ ного процесса (расход реагентов, скорость движения раство­ ра, условия его распределения и др.).

В песчаных породах пористость образуется главным образом при накоплении осадков и их диагенетическом преоб­ разовании, т. е. она является первичной (сингенетической). Она складывается главным образом из пустот между облом­ ками и агрегатами, слагающими породы. В песках и супесях поры, как правило, открытые и эффективные для движения воды, жидкостей и газов, пропускаемых под давлением от О до 4—5 атм.

Различные пески и супеси имеют общую пористость обыч­

Пористость песчаных пород изменяется в довольно широ­ ких пределах в зависимости от дисперсности, степени отсор­ тированное™, плотности сложения, степени и характера це­ ментации, а также условий отложения терригенного материа­ ла. Она обычно меньше у неоднородных по гранулометриче­ скому составу песков, чем у хорошо отсортированных, так как в неоднородных породах более мелкие частицы распола­ гаются среди более крупных и общая плотность упаковки их повышается. Некоторое влияние на пористость оказывает и форма частиц. Неправильная форма, угловатость частиц создают большую изменчивость пористости и, как правило, увеличивают ее.

16

Существенное влияние на величину пористости пород ока­ зывает система укладки зерен. В зависимости от плотности укладки равновеликих частиц шарообразной формы независи­ мо от их размера пористость может изменяться от 26 до 48%, а коэффициент пористости соответственно от 0,35 (при самом плотном сложении) до 0,92 (при самом рыхлом).

При изучении плотности сложения песчаных пород необ­ ходимо учитывать, что пески и особенно супеси могут обла­ дать известной структурной связностью. Например, много­ численные полевые исследования способом динамического зондирования аллювиальных песков р. Волги (Дуранте, Воропкевич, 1955) показали, что песок с нарушенным сложе­ нием, уплотненный до естественного объемного веса скелета, оказывает меньшее сопротивление внедрению зонда, чем песок с естественным сложением при том же объемном весе скелета. Повышенное сопротивление внедрению зонда в пес­ ки с естественным сложением свидетельствует о наличии в них структурной связности, которая повышает их сопротив­ ление силовым воздействиям. Нарушение естественного сло­ жения песка приводит к потере структурной связности. Спе­ циальные полевые исследования показали, что при встряхи­ вании песка камуфлетным взрывом структурная связность теряется частично, при перелопачивании же песка с после­ дующим его уплотнением до естественного объемного веса скелета происходит полная потеря структурной связности.

ОСНОВНЫЕ ВОДНО-ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЕСЧАНЫХ ПОРОД

Главнейшими свойствами, определяющими отношение пес­ чаных пород к воде, являются влажность, влагоемкость, ка­ пиллярность, водопроницаемость. Эти же свойства в известной мере обусловливают отношение песчаных пород к водным растворам химических реагентов, используемых для целей их искусственного закрепления, и определяют условия проекти­ рования и осуществления инъекционного процесса.

В л а ж н о с т ь . Количество влаги в песках и супесях в первую очередь зависит от гидрогеологических условий тол­ щи пород. В зоне насыщения количество воды постоянно и определяется объемом пор породы. В зоне аэрации оно силь­ но колеблется. Кроме литологических особенностей (наличие суглинистых прослоев, линз галечника и т. д.) на влажность песчаных пород в зоне аэрации влияют атмосферные осадки, растительность и другие природные факторы.

Распределение влаги в капиллярной кайме, сложенной однородными песками или супесями, носит вполне законо­ мерный характер: с глубиной. влажность увеличивается, до-

2 Зак. 256

носятся к категории иевлагоемких, тогда как пески мелко- и тонкозернистые и супеси являются породами средневлагоем­ кими по сравнению с суглинками и глинами, обладающими высокой влагоемкостыо (табл. 5).

часть воды удаляется под действием силы тяжести. Эта спо­ собность отдавать воду путем свободного стекаиия характе­ ризует водоотдачу пород. Численное значение водоотдачи пород примерно равно разности между полной их влагоем­ костыо и максимальной молекулярной (табл. 6).

Водоотдача зависит от состава пород, продолжительности дренирования и температуры воды, определяющей ее вяз­ кость, поэтому данные табл. 6 следует рассматривать как примерные.

К а п и л л я р н о с т ь . В песчаных породах при определен­ ной влажности наблюдается особое напряженное состояние

18