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

ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИСКУССТВЕННОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ ПОРОД КРЕМНЕЗЕМОМ

В настоящее время в среде ннжеиеров-геологов является общепринятым положение о том, что принципиальной основой представлений об искусственном улучшении пород в строи­ тельных целях является учение о литогенезе во всем его мно­ гообразии, включая катагенез и гипергенный литогенез.

Искусственная цементация пород, являясь в данном слу­ чае результатом инъекции в них химических растворов, со­ провождается следующими основными явлениями: а) пере­ движением истинных и коллоидных растворов различного состава в поровом пространстве пород; б) взаимодействием

полного водонасыщения; в) химическими реакциями, опреде­ ляющими внутреннюю термодинамическую неуравновешен­ ность нагнетаемых растворов и приводящими к образованию гелей.

Характерной особенностью инъекционного закрепления пород является то, что в большинстве случаев процессы, при­ водящие к цементации пород, протекают при сравнительно низких давлениях (первые десятки атмосфер), а температура обычно не превышает первых десятков градусов. В природе в подобных термодинамических условиях происходит миграция химических элементов в верхней части земной коры — зоне гипергенеза.

А. Е. Ферсман (1934), предложивший термин «гипергенез», относит к нему почвообразование, выветривание, осад­ кообразование, геохимическую деятельность подземных вод и другие поверхностные процессы. В большинстве случаев про­ цессы зоны гипергенеза являются по отношению к данной породе вторичными, наложенными и называются иногда эпигенетическими (Перельман, 1968).

Диагенетические процессы, протекающие при нормальном давлении и температуре, обычно не оказывают существенного влияния на песчаные осадки, 'которые, пройдя стадию диаге­ неза, оказываются мало литологически измененными и только

вотдельных случаях зерна покрываются налетами коллоид­ ного материала и иногда происходит некоторая их цемента­ ция. Более серьезная литификация песчаного осадка проис­ ходит на стадии катагенеза под влиянием: а) повышения давления от 70 до 2000 атм; б) повышения температуры с глубиной; в) постепенной замены свободно циркулирующих пресных или слабоминерализованных вод на сильноминера­ лизованные воды застойного характера. Кроме того, следует учитывать, что на всех этапах превращения осадка в породе

вкачестве главного условия происходящих изменений высту­

39

гХ

пает внутренняя неустойчивость его, в то время как искусст­ венная цементация в строительных целях чаще всего осу­ ществляется применительно к рыхлым горным породам, но не к осадкам.

Из сказанного видно, что процессы, происходящие при хи­ мическом инъекционном закреплении песчаных пород, по своей природе в наибольшей степени сопоставимы с определенными элементами эпигенетических процессов зоны гипергенеза — почвообразования, выветривания и геохимической деятель­ ности подземных вод. Многообразие явлений и геохимических условий, действующих на различных стадиях разнообразных эпигенетических процессов, с одной стороны, и сравнительная ограниченность условий протекания процессов при искусст­ венной цементации пород, с другой стороны, показывают, что не все в учении об эпигенетических процессах имеет одина­ ковое значение для теоретического анализа в области инъек­ ционного закрепления пород. Наиболее ценными кажутся представления об условиях и формах миграции и накопления элементов с высокими кларками, потенциально способных образовывать устойчивые соединения в условиях зоны гипер­ генеза.

Из табл. 11 и 12 видно, что к.числу таких элементов сле­

40

кальций. Причем кремний по своей распространенности среди различных природных образований занимает исключительное положение, что свидетельствует о многообразии форм его миграции и накопления.

Искусственная цементация пород кремнеземом в строи­ тельных целях (силикатизация грунтов) производится обычно в зоне интенсивного водообмена (а иногда и воздухообмена) при использовании сравнительно высококонцентрированных щелочных растворов относительно высокомодульного силика­ та натрия. Поэтому химизм происходящих явлений характе­ ризуется рядом специфических особенностей, среди которых важнейшими являются: а) присутствие молекулярного кисло­ рода, определяющего окислительную направленность про­ цессов; б) щелочная реакция инъекционных растворов с во­ дородным показателем обычно больше 9; в) снижение ще­ лочности среды, нередко в пределах щелочного плеча, в ходе образования и твердения геля кремнекислоты.

В геохимии зоны гипергенеза различают ряд обстановок водной миграции элементов, каждая из которых характери­ зуется несколькими типоморфными ионами и соединениями. Типоморфные элементы водной миграции в значительной сте­ пени определяют щелочно-кислотные условия природных вод и степень их концентрации.

Главнейшими типами обстановок водной миграции явля­ ются (Перельман, 1968):

1. Сильнокислая (р Н < Ч ); типоморфные ионы: Н + , местами

SOli~, Fe3+, A l3+, Cu2+ и др.

На основании длительных опытов Ж- Педре (1971) выде­ ляет три экспериментальных геохимических Типа фильтратов выветривания кристаллических пород и соответственно три типа экспериментальных осадков (табл. 13).

Сопоставление основных типов обстановок миграции и на­ копления элементов с важнейшими особенностями химизма силикатизации пород показывают, что среди существующих эпигенетических процессов наиболее близким природным ана­

41

логом искусственной цементации пород кремнеземом является содовый процесс.

Образование содовых вод в конкретных обстановках зоны гипергенеза может быть обусловлено различными причинами; они могут образовываться в результате различных реакций.

гидрокарбонатно-натриевый состав и щелочную реакцию, т. е. характер содовых вод. Б. А. Ковда (1965) отмечает, что наи­ более энергично содообразование протекает в молодых вул­ канических породах (базальтах, туфах и т. д.), которые легко выветриваются. В районах засушливого климата в та­

интенсивную миграцию кремнезема. Поэтому поверхностные горизонты горных почв в Танзании окремнены. Раньше это окремнение объяснялось гидротермальными процессами.

42