Variability of physical properties of the Poznań Clays (Neogene) from the area of Wrocław, with reference to their genesis and lithostratigraphy

Abstract

Abstract Praca obejmuje wyniki badań chemiczno-mineralogicznych, analizę budowy mikrostrukturalnej i charakterystykę hydrofilności iłów poznańskich okolic Wrocławia. Na podstawie literatury i własnych badań terenowych wydzielono na tym obszarze dwie strefy różniące się wykształceniem litologicznym. Strefa południowa, brzeżna, przyległa do bloku przedsudeckiego charakteryzuje się przewagą materiału piaszczysto-żwirowego. W jej obrębie wydzielono poziom iłów zielonych z zaznaczającymi się wpływami morskimi i warstwy kędzierzyńskie. Strefa północna obejmuje centralną część basenu, a występujące tu osady są bardziej drobnoziarniste. Reprezentowana jest ona przez poziom iłów zielonych z zaznaczającymi się wpływami morskimi oraz przez poziom iłów płomienistych. Skład chemiczny i mineralny wykazuje zróżnicowanie w zależności od warunków tworzenia się osadu. Poziom iłów zielonych charakteryzuje się przewagą minerałów z grupy smektytu, iły płomieniste i warstwy kędzierzyńskie natomiast zawierają kaolinit i smektyt w mniej więcej równych ilościach. W zależności od składu mineralnego zmienia się pojemność wymiany jonowej. Mikrostruktury badanych iłów analizowano opierając się na składzie granulometrycznym i mikroagregatowym, powierzchni właściwej, rozkładzie wielkości porów oraz zdjęciach wykonanych w skaningowym mikroskopie elektronowym. Na podstawie analizy składu granulometrycznego stwierdzono, że w strefie brzeżnej występują iły pylaste i iły, w strefie centralnej natomiast dominują iły o zawartości frakcji iłowej nawet ponad 70%. Analiza mikroagregatowa wykazała znaczny udział dużych mikroagregatów, o wielkości powyżej 50 µm. Zawartość mikroagregatów o wielkości poniżej 2 µm nie przekracza 15%. Powierzchnia właściwa badanych iłów wykazuje znaną zależność od składu mineralnego i waha się od 30 do 310 o 103 m2/kg. Badania porowatości wykazały przewagę ultraporów w iłach płomienistych i w iłach warstw kędzierzyńskich, w iłach zielonych natomiast jest większy udział mikroporów. Na podstawie analizy zdjęć wykonanych w skaningowym mikroskopie elektronowym, z uwzględnieniem omówionych wyżej własności, w badanych iłach poznańskich stwierdzono trzy typy mikrostruktur: matrycową, turbulentną i matrycowo-turbulentną. Mikrostruktura matrycowa występuje w iłach płomienistych, turbulentną w iłach zielonych strefy brzeżnej, a matrycowo-turbulentną w iłach zielonych strefy centralnej i w warstwach kędzierzyńskich. Na podstawie przeprowadzonych badań określono związek hydrofilności omawianych iłów z ich składem mineralnym, granulometrycznym oraz charakterem kompleksu sorpcyjnego. Hydrofilność ogólna najwyższe wartości przyjmuje dla gruntów o wysokiej dyspersji i przewadze smektytów w składzie mineralnym. Hydrofilność właściwa wzrasta w iłach stropowej części serii poznańskiej, w których przeważają minerały grupy kaolinitu. Wilgotność granicy płynności i plastyczności wykazuje znaną zależność od składu granulometrycznego i mineralnego. Najbardziej pęczniejące okazują się iły płomieniste strefy centralnej, w których przeważają minerały grupy smektytu przy znacznym udziale frakcji iłowej. Z przeprowadzonych badań wynika, że w omawianych iłach poznańskich okolic Wrocławia geneza i litostratygrafia tych osadów wpływa w decydujący sposób na wartości ich własności fizycznych. Variability of physical properties of the Poznań Clays (Neogene) from the area of Wrocław, with reference to their genesis and lithostratigraphyAbstract The paper presents the results of chemical and mineralogical investigations, microstructural analysis and determinations of hydrophility of the Poznań clays from the vicinity of Wrocław. Basing on the previous studies and the author's own field research, two zones of different lithology have been distinguished in the study area. In the southern marginal zone, adjacent to the Fore-Sudetic Block, sandy and gravelly materials prevail. In this zone the horizon of green clays (with marine ingressions) and the Kędzierzyn beds are distinguished. The northern zone represents the central part of the basin and is characterized by finer grained sediments. It includes the green clay horizon (with marine ingressions) and the flamy clay horizon. The chemical and mineral composition is differentiated and related to the conditions of sedimentation. The green clay horizon consists mainly of smectite clays, while the flamy clays and the Kędzierzyn beds contain kaolinite and smectite in approximately equal amounts. The variable mineral composition influences values of the ion exchange capacity. The microstructures of the clays were analysed on the basis of the granulometric and microaggregate compositions, specific surface, pore-size distribution, and scanning electron microscope photographs. The granulometric analysis points out that silty clays and clays occur in the marginal zone, whereas clays rich in olay fraction (over 70°/o in places) prevail in the central zone. The microaggregate analysis has shown rather a high content of large microaggregates (over 50 µm in size) and relatively low (below 15%) content of microaggregates smaller than 2 µm. The specific surface in the investigated clays is obviously dependent on their mineral composition and ranges from 30 to 310 x l03 m2kg-1. The porosity characteristics indicates that the flamy clays and the clays of the Kędzierzyn beds contain predominantly ultrapores, while in the green clays the micropore content increases. Basing on the SEM photographs and regarding the above mentioned features, three types of microstructures of the clays have been distinguished: matrix, turbulent, and matrix-turbulent. The matrix microstructure is characteristic of the flamy clays, the turbulent - of the green clays in the marginal zone, and matrix-turbulent - of the green clays in the central zone and of the Kędzierzyn beds. The results of this study allow to define relationships between the hydrophility of the clays and their mineral and granulometric compositions, as well as their sorption complex characteristics. The highest total hydrophility is observed in the soils characterized by high dispersion and high content of smectite. The specific hydrophility increases in the top part of the Poznań series, in which the kaolinite group minerals prevail. The liquid and plasticity limits display a well known dependence of the mineral and granulometric compositions. The most intensely swelling are the flamy clay of the central zone containing a high portion of the clay fraction and composed mainly of smectite. From the results of this study it is evident that the genesis of the Poznań clays from the vicinity of Wrocław have a great influence on their physical properties.