Микростроение лёссовых пород

Научная мысль

Московский государственный университет 
имени М.В. Ломоносова

Геологический факультет

И.Ю. ГРИГОРЬЕВА

МИКРОСТРОЕНИЕ 
ЛЁССОВЫХ ПОРОД

Монография

Москва

ИНФРА-М

2020

Г83

G83

УДК 624.1:55(075.4)
ББК 38.78:26.3 
Г83

Издание осуществлено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований

по проекту № 01-05-78017

Ответственные редакторы:

В.Т. Трофимов, доктор геолого-минералогических наук;
В.Н. Соколов, доктор геолого-минералогических наук

Р е ц е н з е н т :

Г.Л. Кофф, доктор гео лого-минералогических наук 

Григорьева И.Ю.

Микростроение лёссовых пород : монография / И.Ю. Григорьева ; отв. ред. В.Т. 
Трофимов, В.Н. Соколов. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 147 с. — (Научная мысль).

ISBN 978-5-16-109244-6 (online)

В монографии на основе литературного материала и экспериментальных исследований автора 
критически проанализированы спорные аспекты современных представлений о микростроении 
лёссовых пород. Показана взаимосвязь морфологических особенностей строения, контактных 
взаимодействий и просадочности лёссовых пород. 
Особое внимание уделено вопросам 
классифицирования 
микростроеиия. 
Представлена инженерно-геологическая классификация, 
которая наиболее полно охватывает существующие типы микростроения, позволяет проследить 
возможные переходы одних микроструктур в другие и по данным количественного анализа РЭМ- 
изображений образцов проводить прогноз просадочности лёссовых пород.

Для специалистов в области инженерной геологии, экологии, географии, почвоведения, а также 
студентов.

Ф З
И зд а н и е  не п од леж и т м арки ровке

№ 4 3 6 -Ф З
в со отв е тств и и  с п. 1 ч. 2 ст. 1

Grigorieva I.Yu.

Microslructure of the loess soils : monograph / I.Yu. Grigorieva ; ed. V.T. Trofimov, 
V.N. Sokolov. — Moscow : INFRA-M, 2020. — 147 p.

Book presents disputable aspects of modern representations about the loess soils microstructure 
basing on the published literature and author's experimental researches. The independency between 
morphological features, magnitude of contact interplays and coilapsibility of the loess soils are shown. The 
special attention is given to questions of loess soils microslructure classification. The engineering- 
geological classification is introduced, which one is fullest encompasses existing microstructure types, 
allows to look after possible transferring of one types in others and on the data of quantitative analysts of 
the SEM-images of samples to carry out the forecast of loess soils col- lapsibility.

For the specialists in the field of engineering geology, ecology, geography, pedology and students.

УДК 624.1:55(075.4) 
ББК 38.78:26.3

ISBN 978-5-16-109244-6 (online)
© Григорьева И.Ю., 2020

ВВЕДЕНИЕ

Лёссовые породы относятся к одним из самых распространенных 
типов континентальных образований. По механическому составу 
(высокая пылеватость) они занимают промежуточное положение между песчаными и глинистыми породами и, подобно им, характеризуются определенным набором свойств. С инженерногеологической точки зрения, лёссовые породы относятся к наиболее сложным типам пород вследствие ряда специфических 
особенностей, проявляющихся при взаимодействии с водой, а 
именно просадочности.

Изучению лёссовых пород посвящены работы многих отечественных и зарубежных исследователей: М.М. Филатова, С.С. Морозова, И.В. Попова, И.И. Трофимова, Н.Я. Денисова, Н.И. Кри- 
гера, Е.М. Сергеева, В.П. Ананьева, Г.А. Мавлянова, М.П. Лысенко, Л.Г. Балаева, В.Т. Трофимова, А.В. Минервина, Г.К. Бондари- 
ка, П.В. Царева, Т.Г. Рященко, Б.Ф. Талая, Р.С. Зиангирова, 
Я.Е. Шаевича, Я. Смаллея, 3. Франковского, Дж. Феда, А. Клюка- 
новой, С. Роджерса, Е. Дебрушира, Хан Ян-мао (Han Jia-mao), 
3. Лин и многих других. Ими были разработаны фундаментальные 
теоретические положения по проблеме формирования свойств 
лёссовых пород, а также решен ряд важных практических задач 
грунтоведения, механики грунтов, технической мелиорации. Несмотря на достигнутые успехи, все еще существует много неясных 
аспектов в решении вопроса формирования их просадочности.

Познание природы формирования свойств горных пород требует глубокого анализа их состава и структуры. Для пылеватых 
пород особое значение приобретает исследование их микроструктуры, т.е. размера и формы твердых структурных элементов и 
пор, их взаимной ориентации и типа структурных связей. Значительный вклад в исследование микроструктуры лёссовых пород 
принадлежит А.К. Ларионову, И.М. Горьковой, Н.В. Волянику, 
Г.А. Липсону, В.М. Алексееву, В.Н. Соколову, Н.Н. Комиссаровой, Е.Н. Коломенскому, Г.Л. Коффу, В.Ф. Котлову, Х.Л. Рахма- 
туллаеву, В.В. Севостьянову, В.В. Ведерникову, А.В. Гриднев- 
скому, Ш.Э. Усупаеву и др.

Несмотря на длительный период изучения, существующие 
ныне классификации структуры лёссовых пород не учитывают 
всех структурных признаков и не позволяют делать научно обоснованный прогноз их деформационного “поведения”.

Современная аппаратурная база, широкое внедрение в практику исследований растровых электронных микроскопов и ана
3

лизаторов изображений, позволяющих получать количественные морфологические показатели, создали хорошую основу для 
всестороннего исследования микростроения лёссовых пород.

В предлагаемой монографии на основе комплексного экспериментального исследования микростроения лёссовых пород, 
проведенного автором, представлены результаты разработки инженерно-геологической классификации их микростроения и 
установлены взаимосвязи параметров микростроения и проса- 
дочности.

Исследование микростроения лёссовых пород проводилось 
под научным руководством доктора геолого-минералогических 
наук, профессора, академика Российской академии естественных 
наук и Международной академии наук Высшей школы В.Т. Трофимова и доктора геолого-минералогических наук, профессора 
В.Н. Соколова, которым автор искренне благодарен за постоянное внимание к работе и научно-методическую помощь. Автор 
также благодарит за помощь и консультации, оказанные на различных этапах работы, всех сотрудников кабинета электронной 
микроскопии и лаборатории региональной инженерной геологии 
кафедры инженерной и экологической геологии геологического 
факультета 
Московского 
государственного 
университета 
им. М.В. Ломоносова.

Глава 1

РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ 
О МИКРОСТРОЕНИИ 
ЛЁССОВЫХ ПОРОД

1.1. ПОНЯТИЙНО-ТЕРМИНОЛОГИЧЕСКИЕ 
АСПЕКТЫ ИЗУЧЕНИЯ МИКРОСТРОЕНИЯ 
ЛЁССОВЫХ ПОРОД

Известно, сколь велика роль терминологии в науке. Еще в 1889 г. 
А.П. Павлов (см. Шаевич, 1987) в одной из статей отмечал, что 
любой научный термин должен быть не только удобным, но и 
научно обоснованным. Это обстоятельство приобретает боль- , 
шую значимость в данной работе, поскольку ее конечная цель -  
составление инженерно-геологической классификации микроструктуры лёссовых пород, а одним из необходимых условий любой классификации является строгое определение классифицируемых объектов.

Вопросы терминологии, связанные как с понятием “структура” породы, так и с понятием “лёсс”, относятся, пожалуй, к одним 
из наиболее дискуссионных в геологии вообще и в инженерной 
геологии в частности. В силу этого нам представляется целесообразным кратко остановиться на данной проблеме и дать четкое 
определение понятий, которых мы будем придерживаться в дальнейшем изложении.

1.1.1. Определение термина “лёсс” 
и его производных

История изучения лёссовых пород продолжается более сотни 
лет. Библиография по лёссам насчитывает несколько тысяч наименований, что свидетельствует о многопредметности их изучения. Пристальное внимание к этим породам со стороны как геологов, так и географов, почвоведов и археологов способствовало 
возникновению проблемной ситуации в познании лёссов. К категории дискуссионных относятся и вопросы терминологии.

Термин “лёсс” впервые был введен К. Леонардом в 1823 г. В переводе с немецкого он означает “рыхлый, нетвердый, слабый”. 
В Восточной Европе лёсс был известен под названиями “белоглаз
5

ка” либо “макропористый грунт”. Во Франции и в Китае лёсс определяли как “желтозем” (желтая земля) (см. Кригер, 1986).

В работе Н.И. Кригера “Лёсс, его свойства и связь с географической средой” (1965) и в статье В.Т. Трофимова «Об инженерно-геологическом содержании термина “лёсс” и его производных» (1992) достаточно подробно рассматриваются вопросы 
терминологии и отмечается, что существуют пять различных по 
содержанию определений понятия “лёсс”: 1 -  генетическое, 2 - 
литологическое, 3 -  инженерно-геологическое, 4 -  морфологическое и 5 -  территориальное. Имеются не менее тринадцати 
разновидностей этого понятия, и наряду с термином “лёсс” используются семь его производных: лёссовые грунты, лёссовидные породы, лёссоподобные породы, деградированный лёсс, лёс- 
соид, лёссолит и нелёссовые породы.

Анализ имеющихся в инженерно-геологической литературе 
определений термина “лёсс” позволяет констатировать, что большинство исследователей стремились вложить в это определение 
как можно больше характерных и необходимых признаков.

Так, Н.И. Кригер предложил понимать под “лёссом”: «...алеврит (силт) светло-желтой (палевой) окраски с общей пористостью 40-55%, с видимыми невооруженным глазом канальцами, 
неслоистый известковистый (но не цементированный до состояния полускальной породы), более или менее микроагрегированный, склонный обваливаться вертикальными глыбами, залегающий плащом (в том числе нередко и на высших точках водоразделов), обычно мощностью не менее нескольких метров. Микроагрегатный механический анализ породы пипеточным методом 
показывает количество фракций диаметром 0,01-0,05 мм (“лёссовые” фракции) в пределах 30-55%, количество глинистых 
фракций (диаметром < 0,005 мм) в пределах 5-30%; фракции диаметром > 0,25 мм присутствуют в количестве не более 5% и часто вовсе отсутствуют. Характерным свойством лёсса является 
однородность механического состава в разрезе на разных глубинах и в плане на разных участках. Весьма редки прослои галечников и песков, а также отдельные включения валунов и галек. 
Характерными, но необязательными свойствами лёсса являются 
случаи переслаивания его с погребенными почвами, а также 
включения раковин наземных моллюсков и известковистых жу- 
равчиков (последние -  в одиночку или прослоями)» (1986, с. 27).

Все породы, морфологически напоминающие лёсс, но не 
имеющие комплекса вышеперечисленных признаков, называются Н.И. Кригером лёссовидными.

И.М. Горьковой (Горькова и др., 1964) под “лёссами” понимались породы, отличающиеся рыхлым сложением, слабой сцемен
6

тированностью, палевым цветом, отсутствием слоистости, высокой пористостью (46-59%), наличием видимых глазом макропор 
диаметром от 0,5 до 2,0 мм. Эти породы легко образуют вертикальные отдельности и отвесные стенки откосов.

А.Л. Рубинштейном (1961) к типичным признакам лёссовых 
пород относились: 1) своеобразная структура с вертикальными канальцами -  макропорами; 2) значительная пористость (свыше 
40%); 3) преимущественное содержание пылеватых частиц; 4) наличие растворимых солей: карбонатов, сульфатов, хлоридов; 
5) столбчатая отдельность и способность в сухом состоянии держаться в высоких вертикальных откосах; 6) большая высота капиллярного поднятия (до 2,5 м); 7) легкая размываемость, приводящая к развитию овражной сети; 8) наличие наряду с непросадочными типами просадочных, дающих резкую просадку нагруженных грунтов при увлажнении; 9) отсутствие явных внешних показателей для разграничения просадочных и непросадочных типов; 
10) повторные просадки при повторном замачивании; 11) различный характер деформации грунтов при увлажнении вследствие инфильтрации сверху и при подъеме уровня грунтовых вод.

В работе Е.М. Сергеева с соавт. отмечается, что “к лёссам относится однородная, неслоистая, сильнопылеватая (более 50%), 
пористая (более 42%, часто имеющая макропоры), маловлажная 
(естественная влажность менее влажности максимальной молекулярной влагоемкости) порода, проявляющая просадку при замачивании. Лёсс подразделяется на просадочный при природном 
давлении и проявляющий просадочность при дополнительных 
нагрузках. Отмеченные показатели являются основными для его 
выделения. Лёсс обычно имеет светлые тона окраски (чаще палевые), отличается карбонатностью (более 5%), в обнажениях 
образует вертикальные откосы. На участках, где лёссы замочены и утратили просадочность при природном давлении, они описываются как деградированные лёссы, у которых со временем 
просадочность может восстанавливаться под влиянием гипергенных процессов” (1982, с. 38).

Г. С. Золотаревым (1983) к типичным лёссам относятся в основном верхне-, средне- и, реже, раннеплейстоценовые континентальные образования разного генезиса, обладающие следующими характерными признаками: 1) значительным преобладанием в составе алевритовых фракций, что позволяет определить 
породу как разнообразные суглинки, пылеватые и однородные;
2) высокой пористостью (45-52%) и низкой влажностью (3-10%);
3) непрочными структурными связями, агрегированностью и микросложением; 4) просадочностью -  способностью к уплотнению при обводнении под действием как собственного веса, так и

7

при приложении статических и динамических нагрузок; 5) быстрым и значительным разрушением структурных связей при увлажнении и, как следствие, снижением прочности, легкой размы- 
ваемостью и оплыванием.

Если при увеличении содержания в породе глинистых и песчаных частиц уменьшается пористость и исчезает просадоч- 
ность, то такие породы, по мнению Г.С. Золотарева, следует относить к лёссовидным.

С.Д. Роджерс (Rogers, 1995) отмечал, что для лёссовых пород 
необходимым условием является наличие просадочных деформаций, которые возможны при: 1) открытой структуре грунта, 
2) высокой пористости, 3) низкой влажности, 4) геологически недавнем времени образования, 5) высокой чувствительности по 
отношению к воде, 6) слабых структурных связях.

Даже из приведенного выше небольшого числа примеров 
вполне очевидно, сколь запутанным и бесперспективным является определение лёсса, основанное на перечислении как можно 
большего числа признаков. Поскольку данная работа нацелена 
именно на инженерно-геологическую классификацию микростроения лёссовых пород, то, не останавливаясь на рассмотрении 
всех имеющихся понятий, мы будем в дальнейшем придерживаться определения, предложенного В.Т. Трофимовым. Оно было дано на основе выделения наиболее важных с инженерно-геологической точки зрения особенностей лёссовых пород и является одним из достаточно кратких, но в то же время емких определений: “К лёссовым породам в инженерно-геологическом отношении следует относить континентальные пылевато-глинистые 
образования различного генезиса, содержащие более 50% пылеватых частиц (0,05-0,005 мм) по данным гранулометрического 
анализа и проявляющие при замачивании просадочные свойства 
(относительная просадочность больше или равна 0,01) при природном давлении или дополнительных нагрузках.

Лёссовые породы включают только лёссы и лёссовидные породы (грунты). Лёссы представляют собой континентальные пылевато-глинистые образования различного генезиса, содержащие более 50% пылеватых частиц по данным гранулометрического анализа и проявляющие просадочность (при замачивании) 
при действии природного давления. В отличие от них лёссовидные породы проявляют просадочные свойства при замачивании 
только под действием дополнительных нагрузок. Пылевато-глинистые грунты, содержащие более 50% пылеватых частиц, но не 
обладающие свойством просадочности, следует относить к кате 
гории глинистых и называть глинистыми пылеватыми или лёссоподобными” (1992, с. 22).

В отличие от точки зрения В.Т. Трофимова, на наш взгляд, не 
следует исключать из определения лёссовых пород лёссоподобные породы, поскольку, как отмечает сам В.Т. Трофимов (1992), 
при деградации лёссы могут переходить как в лёссовидные, так и 
в лёссоподобные породы. И отнесение именно лёссоподобных 
пород к категории глинистых не совсем оправданно.

Таким образом, в нашем понимании: лёссовые породы -  континентальные пылевато-глинистые образования различного 
генезиса, содержащие более 50% пылеватых частиц (0,05— 
0,005 мм) по данным гранулометрического анализа и способные 
проявлять просадочные деформации при замачивании (относительная просадочность больше или равна 0,01) при определенных условиях; лёссы, как часть лёссовых пород, -  породы, проявляющие просадочность при замачивании под действием природного давления, а лёссовидные породы -  только под действием дополнительных нагрузок; лёссоподобные -  породы, не обладающие просадочностью, но способные приобрести это свойство в 
ходе гипергенных преобразований.

1.1.2. Соотношение и инженерногеологическое содержание терминов 
“структура”, “текстура”, “строение”

Вопрос о соотношении терминов “структура” и “текстура” неоднократно обсуждался в инженерно-геологической литературе. 
Однако до сих пор отсутствует однозначность в толковании этих 
терминов. В работах таких авторов, как П.И. Фадеев, Е.М. Сергеев, Г.К. Бондарик, В.И. Осипов, Г.Л. Кофф, В.Н. Соколов, 
Е.Н. Коломенский, Н.Н. Комиссарова и другие, были высказаны 
различные точки зрения на данную проблему. И каждым из исследователей была подчеркнута искусственность разделения понятия “строение” породы на “структуру” и “текстуру”. Предлагалось заменять два этих близких по значению термина одним. 
Причем в качестве термина, обозначающего совокупность понятий “структура” и “текстура”, одними авторами рассматривался 
термин “строение” (Фадеев, 1973; Маракушев, 1976); другими -  
“структурно-текстурные особенности” (Денисов, 1944; Бондарик, 1981); третьи авторы предлагали трактовать термин “структура” в широком смысле слова, когда текстура становится одним 
из признаков структуры (Осипов, 1985; Рахматуллаев и др., 
1985), либо рассматривать это понятие с позиций системно-структурного анализа (Куражковская, Фурманов, 1975; Коломенский, 1985). Основные представления различных исследователей 
по этому вопросу приведены в табл. 1.

9

Таблица 1

Представления различных авторов о строении горных пород

Автор,
год

Содержание понятий

структура
текстура

структурнотекстурные
особенности

строение
сложение
микроструктура

ЛевинСовокупность признаков
Особенности, котоТо же, что и 
То же, что

сон-Лесгорной породы, определярые отражают протекстура 
структура

синг,
емых морфологическими
странственные вза1940
особенностями отдельных 
составных частей и их 
соотношениями

имоотношения составных частей и определяют общий внешний облик породы, 
ясно выступающий 
макроскопически

ЗаваОсобенности строения поРаспространение и

рицкий,
роды, которые обусловлирасположение состав1956
ваются размерами, формой и соотношением 
составных частей породы

ных частей породы в 
пространстве

МараОсобенности строения
Определяется общиСовокупность струк- То же, что и

кушев,
горной породы, которые
ми особенностями
туры и текстуры, ко- строение

1976
обусловливаются разминеральных агреторая определяется

мерами, формой и соотногатов и их располохарактером и взашениями минералов и
жением в пространимоотношением мивулканического стекла
стве
неральных составных частей породы