Минеральные наноструктуры гидротермальных глин: особенности формирования и влияние на свойства грунтовНИР

Источник финансирования НИР

грант РФФИ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. Минеральные наноструктуры гидротермальных глин: особенности формирования и влияние на свойства грунтов
Результаты этапа: Проект ориентирован на установление взаимосвязи между типами наноструктур, прочностью и деформационным поведением гидротермальных глин современных гидротермально-магматических систем. В соответствии с объявленными ранее целями в 2014 г. авторы проекта проводили исследования на геотермальных полях одного из наиболее крупных геотермальных районов Камчатки: Паужетско-Камбально-Кошелевского. Были подробно изучены разрезы гидротермальных глин из районов Восточно-Паужетского и Нижне-Кошелевского геотермальных полей, пройдены шурфы, выполнено послойное опробование и собрана коллекция образцов гидротермальных глинистых грунтов. В пределах геотермальных полей непрерывным чехлом развиты гиротермальные глины, представленные глинами тяжелыми и легкими пылеватыми, с консистенцией от полутвердой до скрыто текучей. Мощность глинистого горизонта изменяется от 0.5 до 3,5 метров. Температура изменяется от 25-40 °С в приповерхностной части до 100-105 °С в подошве горизонта. В минеральном составе гидротермальных глин преобладающими минералами являются каолинит, минералы группы смектита, смешанослойные образования типа каолинит-смектит и кварц. В гранулометрическом составе преобладающими являются глинистые частицы, содержание наночастиц в грунтах достигает 25-30 %. Строение изученных гидротермальных глинистых грунтов носит унаследованный характер и представляет собой псевдоморфозы по первичным (материнским) вулканогенным породам. Изучение с помощью рентгеновской компьютерной микротомографии выявило в образцах верхней части разреза гидротермальных глин наличие крупных пор, размером до первых миллиметров. Для всех грунтов характерно блочное строение, причем часто границы блоков совпадают с трещинами, заполненными кристаллами кварца и рудных минералов. Отмечено, что с глубиной сокращается количество крупных пор, а ширина раскрытия трещин уменьшается. Изучение микро- и наностроения с помощью растрового электронного микроскопа показало, что микроструктуру всех образцов можно охарактеризовать, как матричную. Наноструктура неоднородная, присутствуют ячеистая, псевдоглобулярная, губчатая и доменоподобная наноструктуры, причем плотность упаковки доменов возрастает вниз по разрезу. Установлено, что для гидротермальных глинистых грунтов характерны высокие значения естественной влажности и пористости. Однако, четких тенденций к направленному изменению свойств с глубинной не наблюдается. Консистенция грунтов изменяется от полутвердой до скрытотекучей. Грунты обладают низкими значениями сопротивлению на сдвиг. Практически все изученные образцы грунтов имеют хрупкопластичный и хрупкий характер разрушения при одноосном сжатии. По результатом компрессионных испытаний грунты являются сильносжимаемыми. Разработана новая методика исследования гидротермальных глинистых грунтов комплексом РЭМ-µКТ, учитывающая как микро-, так и макроструктурные особенности грунта. Данная методика позволит значительно повысит достоверность исследований структуры в широком диапазоне изменения размеров структурных элементов (от нескольких сантиметров, до десятков нанометров), сократить трудоемкость и время проводимых исследований. Полученные результаты и разработанный подход позволят при дальнейшем выполнении проекта объяснить механизмы формирования в гидротермальных глинах минеральных наноструктур, обусловливающих их специфические свойства.
2 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. Минеральные наноструктуры гидротермальных глин: особенности формирования и влияние на свойства грунтов
Результаты этапа: Получены новые данные о составе, строении и свойствах отдельных слоев гидротермальных глинистых грунтов Паужетского-Камбально-Кошелевского и Больше-Банного геотермальных районов Южной Камчатки. Установлено, что физико-химические свойства таких грунтов определяются присутствием в них минеральных наноструктур, сложенные ультрадисперсными глинистыми частицами каолинита, монтмориллонита и смешанослойного минерала каолинит-смектит. Содержание ультрадисперсной фракции наночастиц глинистых минералов (с размерами менее 100 нм) в гидротермальных глинах достигает 28-30%. Изучение физико-химических свойств образцов гидротермальных глинистых грунтов и их ультрадисперсной фракции, показало резкое увеличение некоторых показателей свойств, характеризующих их физико-химическую активность. Например, емкость катионного обмена осадка ультрадисперсной фракции возрастает в полтора-два раза (до 180 мг-экв/100 г) по сравнению с исходным образцом, максимальная гигроскопическая влажность – в два раза (до 35 %), удельная поверхность – в полтора-два раза (до 400 м2/г). Полученные данные позволяют объяснить высокую физико-химическую активность таких глин, а так же, установленную ранее способность, концентрирования в них основных рудных, щелочных и редкоземельных элементов.
3 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Минеральные наноструктуры гидротермальных глин: особенности формирования и влияние на свойства грунтов
Результаты этапа: Проект ориентирован на установление взаимосвязи между типами наноструктур и прочностью, а так же деформационным поведением гидротермальных глин современных гидротермально-магматических систем. В соответствии с объявленными целями проекта авторы проводили исследования гидротермальных глин, развитых на термальных полях, развитых на юге полуострова Камчатка, в районе Паужетско-Камбально-Кошелевского геотермального района. Были подробно изучены разрезы гидротермальных глин, пройдены шурфы и скважины колонкового бурения, выполнено послойное опробование и собрана коллекция образцов гидротермальных глинистых грунтов. Полученные полевые данные о мощности и температуре гидротремальных глин позволили сделать вывод о том, что их мощность чаще всего возрастает от более прогретых участков к менее прогретым участкам геотермальных полей. Химический состав поровых растворов гидротермальных глин определенный методом водной вытяжки показал, что все изученные образцы являются засоленными грунтами с минерализацией 1,5-4,5 г/л. По значениям рН водной вытяжки, все образцы характеризуются кислой средой. В составе поровых растворов преобладают сульфат-ионы, их содержание снижается с глубиной. Обнаружены высокие значения растворенной кремнекислоты, с максимальными значениями (до 1,7 г/л) в основании разрезов гидротермальных глин. Были получены новые данные о химико-минеральном составе, макро-, микро- и наностроении отдельных слоев гидротермальных глин развитых на различных контрастных участках геотермальных полей, находящиеся на стадии прогрессивного (на примере Нижне-Кошелевского геотермального поля) и регрессивного (на примере Восточно-Паужетского геотермального поля) этапов развития. Микроморфологические исследования образцов гидротермальных глинистых грунтов при помощи высокоразрешающей сканирующей электронной микроскопии выявили четкую вертикальную зональность при формировании минеральных наноструктур, сложенных наночастицами глинистых минералов. Выявленная вертикальная зональность позволила описать принципиальную схему типизации минеральных наноструктур в разрезах гидротермальных глин сверху вниз. Установлено, что физико-химические свойства гидротермальных глин определяются присутствием в них минеральных наноструктур, сложенных ультрадисперсными глинистыми частицами каолинита, монтмориллонита и смешанослойного минерала каолинит-смектит. Содержание ультрадисперсной фракции наночастиц глинистых минералов (с размерами менее 100 нм) в гидротермальных глинах изменяется от 2-6 до 31%. Ультрадисперсные частицы зачастую формируют агрегаты не только с относительно легко разрушаемыми дальними коагуляционными контактами, но и со слабо поддающимися диспергации – переходными и фазовыми. Все это приводит к уменьшению содержания ультрадисперсной фракции с ростом глубины. В итоге формируется грунт со смешанным типом контактов (фазовых и коагуляционных). Наличие большого количества как фазовых, так и коагуляционных контактов обусловливает повышенную структурную прочность гидротермальных глин и в ряде случаев определяет хрупкий и хрупко-пластичный характер их разрушения при срезе и сжатии. Таким образом, проведенные исследования показали, что гидротермальные растворы при смешении с поверхностными водами, насыщенными кислородом, интенсивно преобразуют вулканогенные породы с образованием гидротермальных глинистых грунтов с высоким содержанием наночастиц глинистых минералов. В результате гидротермальных преобразований в породах формируются высокопористые ультрадисперсные минеральные микро- и наносистемы, с преобладанием в них смешанного типа структурных связей, что определяет их высокую физико-химическую активность и сорбционную способность, высокую сжимаемость и низкую прочность. Изучение образцов гидротермальных глинистых грунтов проводилось с использованием оборудования, приобретенного в рамках реализации Программы развития Московского университета.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".