Удивительный песок

Ослепительное солнце. Веселые волны ритмично набегают на берег и, обессилев, откатываются назад. Пляж заполнен людьми. Одни загорают, другие устремляются в море. Дети с радостными криками носятся по мелководью.

Взгляните, два мальчика почти у самой воды возводят из песка удивительные зубчатые башни. Зачерпывая в ладошки мокрый песок они тонкой струей выливают эту жидкую массу на все выше и выше растущие островерхие сооружения. На берегу постепенно поднимается фантастический город.

Неподалеку на теплом сухом золотистом песке сидит девочка. Она с любопытством наблюдает за действиями «строителей» башен. Затем, зачерпнув ладошкой сухой песок, сама пытается возвести около себя такую же постройку. Ее попытки тщетны. Песок падает на поверхность и затем золотыми струйками растекается в стороны с образующегося бугорка.

Задумывались ли вы когда-нибудь, почему мокрый песок приобретает ощутимую прочность, а сухой легко рассыпается? Казалось бы, в мокром песке много воды, которая должна была бы служить своеобразной смазкой между частицами и уменьшать связи между песчаными зернами. А вот башни из мокрого песка держатся довольно устойчиво. В то же время сухой песок течет во все стороны даже с небольшого холмика.

Как трудно шагать по песчаной дороге или по сухому песку пляжа. На каждом шагу ноги погружаются в сыпучую массу. Вы пытаетесь оттолкнуться, но песок упрямо скользит под ногой и нужны значительные усилия, чтобы двигаться вперед. Установлено, что для движения по сухому песку человек затрачивает примерно в два раза больше усилий, чем на шоссе.

Но вот вы вышли на участок песка, увлажненный набегающими волнами. Под ногами, казалось бы, тот же песок, но плотный и упругий. Со вздохом облегчения вы ускоряете движение. Ноги ступают по плотной песчаной поверхности. Ощущение такое, как будто бы вы идете по асфальтовой дороге. Почему же так трудно идти по сухому и так легко двигаться по влажному песку?

Давайте зачерпнем в ладонь немного сухого песка. Он легко скользит в вашей руке. Если подуть на него, то песчинки взлетают в воздух и неторопливо оседают на землю. Зернышки в сухом песке чаще всего существуют самостоятельно, не образуя друг с другом «объединений» (раздельнозернистая структура), что делает этот удивительный грунт сыпучим и очень подвижным.

Вспомните старинную притчу о безрассудном человеке, вздумавшем построить свой дом на песке. Он простоял до первого ненастного дня, когда пошел дождь и подул ветер. И вот результат — дом разрушился. Отсюда пошло выражение «построить дом на песке». А с другой стороны, из песка построены тысячи дамб и плотин. На песчаных толщах возведены десятки тысяч зданий. Болотистые равнины в районе Ленинграда намываются морским песком, и на этом песчаном основании возводятся новые районы города.

Буксующие в песке машины и многоэтажные дома, стоящие на этом же самом груте. Как это совместить? Это ведь «двуликий Янус»! Что же такое — песок? Ученые отвечают на этот вопрос исчерпывающе: «Песок — это грунт, состоящий главным образом из частиц размером от 2 по 0,25 мм и обладающий раздельнозернистой структурой». Песчинки настолько велики, что их можно видеть невооруженным глазом. Однако давайте рассмотрим их под микроскопом.

На первый взгляд все пески состоят примерно из одинаковых минеральных частиц. Но если мы возьмем пески с пляжа, с берега реки, из пустыни Каракум и других мест, то обнаружится, что они разные.

Прежде всего бросается в глаза, что одни из них состоят в основном из крупных частиц, а другие — из мелких, третьи содержат набор самых различных по размерам песчинок. Если присмотреться к пескам, взятым из разных мест, то еще одна особенность предстанет перед наблюдателем. Оказывается, форма частичек самая различная; в пустынных песках они окатанные и имеют сглаженные очертания, как говорят, «округлую форму». Среди них нередки буквально шарообразные песчинки. А вот песок, зачерпнутый нами у подножия горного склона состоит из совершенно неокатанных, остроребрых частичек, часто сохраняющих следы кристаллических очертаний.

В песках, взятых с пляжа, мы обнаруживаем и сравнительно окатанные и слабоокатанные зерна. Минералоги установили, что подавляющее число песчинок состоят из кварца — очень прочного и твердого минерала. Реже встречаются и другие минералы (полевые шпаты, слюды и т.д.). Такой состав этого грунта связан с тем, что песок образуется в результате выветривания гранитов, гнейсов и других скальных грунтов. Их разрушают температурные колебания, мороз, солнечные лучи, растительность и другие природные факторы, действующие на поверхности нашей планеты.

Постепенно все составные части этих пород уносятся, растворяются, а кварц, как один из наиболее устойчивых минералов, сохраняется. Затем его кристаллы скатываются к подножию массива гранита и здесь со временем накапливаются. Потом вода и ветер переносят кварцевые зерна на большие расстояния. При движении они ударяются друг о друга, перетираются и изменяют форму.

Наиболее сильно обрабатываются зерна в воздушном потоке, где они имеют возможность чаще сталкиваться друг с другом. В речном потоке и морской среде вода всегда разделяет частицы, затрудняя их столкновения, поэтому обработка зерен происходит менее интенсивно. Миллиарды песчинок путешествуют многие тысячелетия и миллионы лет. Если бы частицы песка могли говорить, то они поведали бы интереснейшие истории.

Бывает и так, что мелкие зерна кварца, оставшиеся от своей «материнской» породы, сначала переносятся ветром на сотни километров, затем подхватываются и перемещаются дождевыми потоками, попадают в реки, а оттуда в моря. Наступает передышка. Но вот дно морского бассейна поднимается могучими горообразовательными силами и пласт песка  (чаще всего успевший стать песчаником) оказывается  частью  горного  хребта. И  опять  выветривание,  и снова песчинки начинают новый этап путешествия.

Как ни сопротивляется кварц, но и он в конечном счете поддается процессам разрушения. В результате на поверхности зернышек образуется пленка нового минерального вещества, чаще всего опаа (SiO2 * nH2O) или какого-нибудь глинистого  минерала. Таким образом, в ходе своих путешествий зерна окатываются, дробятся, и на их поверхности появляются тончайшие пленки.

Вы скажете, что все это хорошо, но причем здесь особые свойства песка, о которых шла речь в начале нашего рассказа?

На первый взгляд связи нет. Однако давайте возьмем сухой песок и насыплем его тонкой струей в стакан, заполнив его доверху. А теперь положим на стол резину и начнем по ней постукивать дном стакана. Через несколько минут песок уплотнится и стакан окажется примерно  на четверть пустым.

Ученые установили, что благодаря своеобразию формы и размеров сухих песчаных частиц при подобной укладке возникает особое рыхлое их расположение, а затем в ходе вибрации и уплотнения они стараются расположиться более компактно. Песок становится плотным.

В природе наблюдаются такие же рыхлые и плотные пески. Вот здесь и время вспомнить о путешествии зерен. На разных его этапах плотность отлагающихся слоев песка оказывается различной. Наиболее рыхлыми являются песчаные грунты, накапливающиеся в воздушной среде, например в нижних частях склонов (так называемые делювиальные) или после переноса ветром (эоловые). В песках, образующихся в водной среде, укладка зерен обычно более плотная.

Если через песок пропускать воду, то его частицы будут перераспределяться ее потоком, образуя плотную массу. Этот прием часто используется строителями для уплотнения рыхлых песков.

Теперь, наверно, ясно, что притча о «доме, построенном на песке» относится к случаю его возведения на рыхлом, сухом песчаном грунте. Строители знают, что строительство зданий на таком песке может быть опасным, а двигаться по нему трудно и человеку, и автомашине. Попавший в такой грунт автомобиль начинает буксовать. Это связано с отсутствием между песчинками связей и малой плотностью песка. И ноги человека, и колеса машины «утопают» и нем и скользят.

Остается выяснить, почему держатся башни из мокрого песка, которые мы видели на пляже, а также, почему мокрый или просто влажный песок может выдерживать значительные давления?

Дело вот в чем. Если в песке много воды, он может растекаться, с другой стороны, если вода быстро уходит по его крупным порам, то под давлением потока возникает перемещение песчинок. Они сдвигаются в крупные поры. Это вызывает их заполнение и ведет к возникновению плотной упаковки частиц. Таким образом, уменьшается величина активной пористости, и система становится компактнее.

Но это еще не все. Во влажном песке остается какое-то количество влаги в щелевидиых пространствах между частицами. Она получила наименование капиллярной воды. Эта вода и создает между частицами капиллярное давление, которое как бы стягивает зерна и является главной причиной того, что «сказочные» башни из пляжного сильно влажного песка не разрушаются. Капиллярное давление лежит и в основе повышенной плотности влажного песка.

В заключение нельзя не сказать о роли в природе высокой активной пористости песков. Мы уже знаем, что благодаря ей песок хорошо проводит воду. Это его качество делает пески одним из главных «коллекторов» (или собирателей) подземных вод. Значительная часть основных запасов чистейшей питьевой подземной воды связана с пластами песков.

Таким образом, песчаные грунты — важный элемент геологической среды. Но нельзя забывать, что они могут явиться и путем проникновения в недра земной коры загрязняющих технических и бытовых вод. Поэтому борьба за чистоту подземных вод в некоторой степени связана с охраной песчаных пространств от проникновения в них грязных и отравленных растворов.