Лесс

Лесс — это осадочная горная порода, неслоистая, однородная, известковистая, суглинистая, светло-жёлтого или палевого цвета. Относится к группе континентальных отложений, преимущественно эолового (ветрового) происхождения. Характеризуется высокой пористостью, вертикальной отдельностью (способностью образовывать отвесные обрывы) и просадочностью при увлажнении. Лесс широко распространён в умеренных и субтропических широтах, особенно в Китае, Средней Азии, на юге Восточно-Европейской равнины и в Северной Америке.

История изучения

Термин «лесс» (нем. Löss) происходит от швейцарско-немецкого слова «lösch», означающего «рыхлый», «сыпучий». В научный обиход его ввёл в 1823 году немецкий геолог Карл Цезарь фон Леонхард, изучавший рыхлые отложения в долине Рейна. В 1830-х годах английский геолог Чарльз Лайель обратил внимание на лессовые отложения в долине Миссисипи и предположил их речное (аллювиальное) происхождение.

В России систематическое изучение лесса началось во второй половине XIX века. Значительный вклад внесли русские геологи и почвоведы: В. В. Докучаев, который рассматривал лесс как продукт выветривания и почвообразования в ледниковую эпоху; П. А. Тутковский, обосновавший эоловую гипотезу происхождения лесса на основе изучения отложений Волыни и Подолья. В советский период исследования лесса активно велись в связи с гидротехническим и промышленным строительством, так как просадочные свойства лесса создавали серьёзные инженерные проблемы.

Происхождение и гипотезы

Вопрос о происхождении лесса остаётся дискуссионным. Выделяют несколько основных гипотез:

Эоловая гипотеза

Наиболее распространённая теория, разработанная В. А. Обручевым и П. А. Тутковским. Согласно ей, лесс образовался из пылеватых частиц, перенесённых ветром с перигляциальных (приледниковых) равнин, пустынь и речных долин во время ледниковых периодов. Ветры откладывали пыль на окраинах ледниковых щитов, где она накапливалась, цементировалась карбонатами кальция и превращалась в лесс.

Пролювиальная гипотеза

Предполагает, что лесс формировался за счёт смыва и переотложения пылеватых частиц временными водными потоками (селями, ливневыми стоками) у подножий гор. Эта гипотеза объясняет наличие лессовых отложений в предгорьях Средней Азии и Кавказа.

Почвенная (элювиальная) гипотеза

Связывает образование лесса с процессами выветривания и почвообразования на карбонатных породах (известняках, мергелях) в условиях сухого климата. Сторонники этой гипотезы (в частности, В. В. Докучаев) считали, что лесс является продуктом преобразования ледниковых и покровных суглинков.

Полигенетическая концепция

Современные исследователи признают, что лесс может иметь различное происхождение в зависимости от региона. В большинстве случаев он образуется в результате комбинации эолового приноса пыли, последующей переработки водными потоками и почвенными процессами. Ключевым фактором является наличие источника пылеватого материала (пустыни, ледниковые равнины) и сухого климата, способствующего накоплению карбонатов.

Состав и свойства

Гранулометрический состав

Лесс состоит преимущественно из частиц размером 0,01–0,05 мм (алевритовая фракция). Содержание песчаных частиц (>0,05 мм) обычно не превышает 10–15%, глинистых (<0,005 мм) — 5–20%. Характерно преобладание пылеватых фракций, что определяет его физико-механические свойства.

Минеральный состав

Основные минералы: кварц (40–60%), полевые шпаты (10–20%), кальцит (10–20%), глинистые минералы (каолинит, монтмориллонит, гидрослюды). Важнейшей особенностью является высокое содержание карбонатов кальция (CaCO₃), которые цементируют частицы и придают породе прочность в сухом состоянии.

Физико-механические свойства

• Пористость: высокая, достигает 40–55% от объёма породы. Поры преимущественно капиллярные и макропоры (вертикальные канальцы — следы корней растений).
• Просадочность: главное инженерно-геологическое свойство лесса. При замачивании под нагрузкой структура породы разрушается, происходит резкое уплотнение и просадка грунта. Величина просадки может достигать нескольких метров.
• Вертикальная отдельность: лесс способен держать вертикальные стенки и обрывы высотой до 20–30 метров благодаря цементации карбонатами и капиллярным связям.
• Водопроницаемость: в сухом состоянии высокая, но при увлажнении резко снижается из-за набухания глинистых частиц и закупорки пор.

Распространение

Лессовые отложения занимают около 10% поверхности суши. Наиболее крупные массивы:

• Китай: Лессовое плато (провинции Шэньси, Ганьсу, Шаньси) — крупнейший в мире, площадь около 630 000 км², мощность отложений достигает 300 метров.
• Средняя Азия: Предгорья Тянь-Шаня, Памира, Копетдага; лессовые толщи характерны для Узбекистана, Таджикистана, Кыргызстана.
• Европа: Украина (южные области), Молдавия, юг России (Ростовская область, Краснодарский и Ставропольский края), долина Рейна (Германия), бассейн Дуная (Венгрия, Сербия, Румыния).
• Северная Америка: Долина реки Миссисипи (США), Великие равнины (Канада, США).
• Южная Америка: Аргентина (пампасы), Уругвай.
• Новая Зеландия: Восточное побережье Южного острова.

Применение и значение

Сельское хозяйство

Лессовые почвы (серозёмы, каштановые почвы) при орошении отличаются высоким плодородием благодаря рыхлости, хорошей аэрации и содержанию минеральных веществ. На лессовых равнинах Китая, Средней Азии и юга России выращивают пшеницу, кукурузу, хлопчатник, виноград. Однако необходимость орошения часто приводит к вторичному засолению и просадкам.

Строительство

Лесс широко используется как строительный материал:

• Саман: смесь лесса с соломой и водой для изготовления кирпичей-сырцов. Традиционное жильё в Средней Азии, Китае, на Кавказе.
• Земляные сооружения: насыпи, дамбы, дорожные основания. Однако из-за просадочности требуется предварительное уплотнение или замачивание.
• Керамика: лесс применяется для производства кирпича, черепицы, гончарных изделий.

Инженерные проблемы

Просадочность лесса создаёт серьёзные трудности при строительстве зданий, каналов, дорог. Для борьбы с просадками применяют:

• Предварительное замачивание грунта с последующим уплотнением.
• Глубинное уплотнение (трамбовка, виброуплотнение).
• Химическое закрепление (силикатизация, цементация).
• Устройство свайных фундаментов, передающих нагрузку на непросадочные слои.

Экологические аспекты

Лессовые отложения подвержены водной и ветровой эрозии. На Лессовом плато Китая эрозия достигла катастрофических масштабов: ежегодно смывается до 1,6 млрд тонн почвы. Для борьбы с эрозией применяются террасирование склонов, посадка лесов, создание противоэрозионных валов.

В России лессовые грунты распространены в зонах активного земледелия и строительства, что требует учёта их свойств при проектировании. Нарушение естественного покрова (распашка, вырубка лесов) усиливает овражную эрозию и просадки.

Интересные факты

• В лессовых отложениях Китая найдены древнейшие стоянки человека (например, пещера Чжоукоудянь, где обнаружен синантроп). Лессовый покров сохранил остатки культур эпох неолита и бронзы.
• Лессовые обрывы в долине Рейна (Германия) известны как «лёссовые стены» — места гнездования береговых ласточек и редких видов насекомых.
• В СССР в 1930–1950-х годах на лессовых грунтах строились крупные гидротехнические сооружения (Волго-Донской канал, Цимлянское водохранилище), что потребовало разработки специальных методов борьбы с просадками.

Источники

• Обручев В. А. «Лесс как особая почва, его происхождение и значение». — Избранные труды, т. 3. — М., 1961.
• Тутковский П. А. «К вопросу о происхождении лесса». — Киев, 1899.
• Докучаев В. В. «Русский чернозём». — СПб., 1883.
• Ларионов А. К. «Инженерно-геологические свойства лессовых пород». — М.: Недра, 1971.
• Пешков В. М. «Лессовые породы России». — М.: Наука, 2005.
• Дергачева М. И. «Экология лессовых почв». — Новосибирск: СО РАН, 2010.