Лабораторные работы № 1, 2

ПОРОДООБРАЗУЮЩИЕ МИНЕРАЛЫ, ГОРНЫЕ ПОРОДЫ И ИХ СВОЙСТВА

Земную кору слагают горные породы, состоящие из минералов. Отдельные минералы выделяют как природные тела примерно одинакового химического состава и физических свойств, образовавшиеся в результате физико-химических процессов на поверхности или в глубине Земли.

В целом, в природе встречается более 6000 минералов, которые находятся в твердом, жидком и газообразном состоянии. Лишь около 50 из них составляют основную массу горных пород и поэтому называются породообразующими.

По химическому составу их разделяют на 9 классов. Характерные для каждого класса минералы приведены в таблице 1.1.

По условиям образования минералы можно разделить на три группы: первичные - образованные при остывании магмы; вторичные - образованные вследствие химического и биогенного разрушения первичных минералов и следующего накопления продуктов разрушения; видоизмененные - образованные вследствие преобразования первичных и вторичных минералов под влиянием высоких температур и давлений.

Горные породы - это агрегаты или смеси минералов. Они могут состоять преимущественно из одного минерала (мономинеральные) или из определенного соотношения частей двух и больше минералов (полиминеральные). Известно более 1000 видов горных пород. За происхождением (генезисом) их разделяют на три группы:

- магматические - образовались вследствие остывания магмы;

- осадочные - образовались в верхней части земной коры вследствие разрушения других пород и жизнедеятельности растений и животных;

- метаморфические - образовались в результате последующих изменений магматических и осадочных пород под влиянием высокой температуры и давления.

Отличительными признаками горной породы являются минералогический состав, структура и текстура. В составе горных пород преобладают минералы класса силикатов. На их долю приходится 85% всех горных пород земной коры. Минералогический состав определяет лишь вещество горной породы. Условия образования горных пород устанавливаются путем изучения их структуры и текстуры.

Структура характеризует особенности внутреннего строения горной породы, обусловленные размерами, формой, количественным соотношением минералов, которые ее составляют, а также характером связей между частями породы. Структура магматической породы бывает: полнокристаллической (зернистой), полукристаллической (кристаллы и аморфное вещество), аморфной (стекловидной). Для осадочных пород характерны обломочные, органогенные, смешанные и прочие структуры.

Текстура характеризует способ заполнения пространства горной породы. Она отображает особенности внешнего строения: массивность, слоистость, пористость и т.п. Таким образом, текстура бывает массивная, слоистая, макропористая.

1.1. Основные диагностические признаки

породообразующих минералов

К физическим свойствам минералов относятся их твердость, цвет, блеск, спайность, излом, удельный вес и некоторые другие.

Твердость. Под твердостью принято понимать степень сопротивления, которую способен оказать минерал какому-либо механическому воздействию (царапанью, истиранию и др.). Для ее определения обычно пользуются шкалой Мооса, представляющей набор 10 часто встречающихся минералов, расположенных в порядке увеличения их твердости. В этой шкале каждый последующий минерал царапает предыдущий и в условных единицах их твердость равна: тальк - 1; гипс - 2; кальцит - 3; флюорит - 4; апатит - 5; ортоклаз - 6; кварц - 7; топаз - 8; корунд - 9; алмаз - 10. В соответствии с этой шкалой твердость некоторых предметов составляет: ноготь - 2; медная монета - 3; стекло - 5; стальной нож - 6.

Цвет. Для некоторых минералов цвет является постоянным признаком (малахит, киноварь, лазурит). Для большинства минералов этот признак непостоянен и зависит от структурных особенностей, а также наличия различных красящих веществ и примесей. Более стабильным является цвет черты (цвет минералов в порошке). У некоторых минералов цвет порошка отличается от цвета агрегата. Чтобы получить порошок минерала, им проводят по шероховатой фарфоровой пластине. На пластине остается след, т.е. черта.

Блеск. Блеском называется характер отражения света от поверхности минерала. Различают блеск стеклянный (кварц), металлический (пирит), алмазный, жирный (змеевик), шелковистый (кальцит), перламутровый (слюда). Кроме того, есть группа минералов, поверхность которых лишена блеска. Такие минералы называются матовыми. По внешнему виду они напоминают землистые массы.

Спайность. Это способность минералов раскалываться по одному или нескольким направлениям с образованием гладких полированных плоскостей раскола. Различают следующие типы спайности: весьма совершенную, совершенную, среднюю (ясную), несовершенную и весьма несовершенную.

Весьма совершенная спайность характерна для минералов, которые очень легко делятся на листочки или пластинки и образуют при этом параллельные (ровные) плоскости (слюда, графит).

Совершенная спайность проявляется в том, что при ударе минерал рассыпается на обломки, ограниченные плоскостями спайности в нескольких направлениях (кальцит, галенит).

Средняя (ясная) спайность отличается от совершенной тем, что осколки минерала ограничены как плоскостями спайности, так и неправильными поверхностями излома (оливин).

Несовершенная спайность обнаруживается с трудом. Большая часть поверхности обломков неправильная, плоскости спайности наблюдаются лишь в виде небольших площадок (апатит).

Весьма несовершенная спайность граничит с полным отсутствием спайности. У таких минералов различают неровную поверхность скола или излом (кварц, пирит).

Излом. Неровная поверхность минерала, образующаяся при отколе. По форме поверхности излом различают: раковистый, занозистый, неровный, зернистый, ступенчатый и др.

Удельный вес. Удельный вес минералов определяют в лабораторных условиях. Минералы с удельным весом до 3,5кН/м³ принадлежат к группе легких, от 3,6 до 6,0кН/м³ - к тяжелым и больше 6,0кН/м³ - к очень тяжелым.

Специфические особенности. При описании минералов следует отметить и иные диагностические признаки, которые позволяют отличить данный минерал от других. Так, например, минерал кальцит вскипает от раствора соляной кислоты, каолинит - жирный на ощупь, галит - соленый на вкус и т.д.

Классификация минералов по химическому составу

Таблица 1.1

1.2. Магматические горные породы

При образовании магматических горных пород магма - расплавленное силикатное вещество, - поступает в толщу земной коры и на ее поверхность из магматических ячеек в верхней мантии. Когда магма не достигает поверхности и отвердевает на глубине, в толще земной коры получаются глубинные (интрузивные) магматические породы. Если магма выливается на поверхность и отвердевает, получаются излившиеся (эффузивные) магматические породы.

Структура магматических пород характеризуется степенью кристалличности, размерами и формой минералов.

По степени кристалличности различают: полнокристаллическую, порфировую, скрытокристаллическую и стекловатую структуры.

Глубинные породы всегда имеют полнокристаллическую структуру.

Излившиеся породы характеризуются разнообразными структурами. Среди них встречаются как совершенно нераскристаллизованные (стекловатые), так и скрытокристаллические разности, а также всевозможные переходы от стекловатых к кристаллическим породам. Так, например, стекловатая структура наблюдается у быстро застывшей кислой лавы, которая называется вулканическим стеклом или обсидианом. Порфировая структура (наличие отдельных вкраплений кристаллов на общем скрыто-кристаллическом фоне) характерна для порфиров и порфиритов.

Текстура - это сложение породы, обусловленное характером расположения составных частей породы в пространстве. Для глубинных магматических пород типичной является массивная текстура, а для излившихся - немассивная. Массивная текстура характеризуется плотным, компактным расположением минералов в породе, немассивная - наличием макро- или микропор.

В излившихся породах (немассивная текстура) в зависимости от размеров и формы пустот, выделяют крупнопористую (ноздреватую, пенистую и др.), мелкопористую и микропористую текстуры.

Минералогический состав. Важнейшими минералами магматических горных пород являются ортоклаз, кислый, средний и основной плагиоклазы, разнообразные слюды, роговая обманка, авгит, оливин и кварц. Главная составная часть большинства магматических пород представлена минералами группы полевых шпатов (примерно 2/3 общей массы породы). Например, в граните - кислые полевые шпаты; в диорите - средние; в габбро - основные.

Инженерно-геологические свойства магматических пород как оснований зданий и сооружений

Под инженерно-геологическими особенностями подразумеваются наиболее характерные свойства магматических пород (прочность, сжимаемость, устойчивость по отношению к выветриванию, трещиноватость, водопроницаемость), которые обусловлены их составом, строением и генезисом. Эти свойства нередко проявляются в связи с инженерной деятельностью человека.

По классификации Ф. П. Саваренского магматические породы относятся к классу скальных пород и только слабые их разновидности (трещиноватые или выветренные) относятся к полускальным породам. Исследования показывают, что в отношении прочности магматические породы характеризуются анизотропностью (различными свойствами в разных направлениях). В целом магматические породы имеют следующие инженерно-геологические особенности. В ненарушенном состоянии они имеют высокую прочность, значительно превосходящую нагрузки, известные в инженерной практике, не растворяются в воде и практически водонепроницаемы. Поэтому они надежные как основания сооружений. Вместе с тем различная трещиноватость и неодинаковая склонность к выветриванию магматических пород иногда осложняют строительство. Показатели физико-механических и деформативных свойств этих пород хотя и являются высокими, могут колебаться в очень широких пределах.

Общие сведения о главнейших магматических породах приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2

1.3. Метаморфические горные породы

Метаморфические породы образовались из магматических и осадочных вследствие их изменения под влиянием высоких температур и давления. Этот процесс получил название метаморфизм. Отличают региональный, дислокационный и контактовый метаморфизм.

Региональный метаморфизм развивается на большой глубине и охватывает значительные пространства. Этот процесс связан с погружением отдельных участков земной коры на значительную глубину под весом осадков, которые накапливаются во впадинах, или вследствие движений земной коры. На глубине исходные породы под влиянием высокого давления и относительно высоких температур перекристаллизуются, находясь в твердом состоянии.

Дислокационный метаморфизм, или динамометаморфизм, происходит при горообразовании, когда массивы горных пород испытывают большое одностороннее сжатие, которое предопределяет их перекристаллизацию.

Контактовый метаморфизм объясняется температурным влиянием на вмещающие породы магмы, которая проникает в толщу земной коры. Вдоль контакта с магмой вмещающие породы испытывают действие плавления и обжига с последующей их перекристаллизацией. Кроме того, на вмещающие породы влияют химически активные вещества, которые выделяются из магмы.

Минералогический состав в основном такой же, как и у первичных магматических и осадочных породах. Но есть минералы, которые встречаются лишь в метаморфических породах: кордиерит, дистен, ставролит, андалузит и т.п. Метаморфические породы обычно имеют кристаллическую структуру. Текстура большинства метаморфических пород сланцеватая. Такая текстура обусловлена характерным развитием кристаллических зерен при перекристаллизации - длинной осью в направлении, перпендикулярном к направлению преобладающего давления. Встречаются породы и с массивной текстурой.

Главнейшие метаморфические породы получаются так: гнейсы - из магматических (ортогнейсы) и осадочных (парагнейсы) глинистых пород, имеют сланцеватую текстуру; филиты - из глинистых пород, текстура - сланцеватая; слюдяные сланцы - из глинистых пород вследствие глубокого видоизменения, текстура - сланцевая; мраморы - из известняков и доломитов, текстура - массивная; кварциты - из песков и песчаников, текстура - массивная.

Метаморфические горные породы не имеют определенных форм залегания, они определяются формой залегания тех пород, из которых они образовались.

Инженерно-геологические особенности. Физико-механические свойства метаморфических горных пород во многом близки к свойствам магматических, что обусловлено наличием кристаллизационных связей. Прочность этих пород высокая и в пределах строительных нагрузок они деформируются как упругие тела. Метаморфические породы практически водонепроницаемы, и за исключением карбонатных разновидностей, не растворимы в воде. Вместе с тем, для большинства метаморфических пород характерна анизотропность свойств, обусловленная их сланцеватостью. Прочность на сжатие, сопротивление сдвигу, модуль деформации значительно ниже вдоль сланцеватости, чем перпендикулярно ей. Сланцеватостью определяется значительная выветриваемость этих пород, а также сниженная устойчивость на природных склонах. Многие метаморфические породы образуют листоватые, весьма подвижные осыпи.

1.4. Осадочные горные породы

Осадочные горные породы делятся на обломочные, химические и органогенные. Обломочные породы образовались из продуктов выветривания, перенесенных и отложенных в виде обломков разнообразной величины. Они могут быть рыхлыми и сцементированными разными естественными цементами - глинистым, известковым, кремнистым и др. Химические породы образовались вследствие выпадения в осадок веществ из насыщенных растворов при изменении их параметров. Эти породы получаются, главным образом, в зоне мелкого моря. Органогенные породы образовались в результате жизнедеятельности организмов, большинство которых живут в воде и устраивают из нее вещества для образования ракушек или скелетов, и, отмирая, образовывают толщу горных пород. Некоторые породы этого типа образовались растительным веществом, как на суше, так и в воде. Главнейшие осадочные породы приведены в таблице 1.3.

Главнейшие осадочные горные породы

Таблица 1.3

Минералогический состав осадочных горных пород определяется условиями их образования. Например, в обломочных породах он отвечает минералогическому составу той породы, из которой они образовались. Много пород химического происхождения состоят из одного минерала: гипса, ангидрита, кальцита и т.п.

Структура осадочных пород очень разнообразна. Так, у песков она зернистая, у глины - глинистая, у известняков - кристаллическая.

Текстура. Большинство осадочных пород имеет слоистый состав. Пласты осадочных пород в условиях ненарушенного залегания горизонтальные. Мощность толщи в земной коре достигает 15 - 20км в геосинклиналях.

Обломочные осадочные породы. Как правило, обломочные осадочные породы составляют верхнюю толщу земной поверхности и поэтому используются как основания или среда инженерных сооружений. В строительной практике их называют грунтами.

Фракции рыхлых обломочных и глинистых осадочных пород приведены в таблице 1.4.

Фракции рыхлых обломочных и глинистых осадочных пород

Таблица 1.4

Инженерно-геологические особенности. К инженерно-геологическим особенностям осадочных пород относится их сжимаемость, прочность, выветриваемость, растворимость, водопроницаемость, и предрасположенность к тем или иным инженерно-геологическим процессам – к просадке, набуханию, усадке, пучению, механической или химической суффозии и др. В строительстве породы, служащие основаниями зданий и сооружений, называют грунтами.

Сжимаемость или степень уплотнения грунта под нагрузкой количественно определяется опытным путем в лабораторных или полевых условиях. Давая характеристику сжимаемости в целом, можно сказать, что скальные и полускальные породы (кремнистые, железистые песчаники, известняки, гипсы и др.) при обычных нагрузках в сельскохозяйственном, промышленном и гражданском строительстве относятся к практически несжимаемым породам.

Сжимаемость таких рыхлых грунтов как пески и др. зависит от их плотности и для песков плотного сложения обычно невелика. Однако, пески склонны весьма значительно уплотняться под влиянием динамических воздействий (вибрация, взрывы, землетрясения).

Связные грунты (супеси, суглинки, глины) относятся к слабо-, средне- и сильносжимаемым. Степень уплотнения этих грунтов зависит от их состава, природной плотности, влажности и от нагрузки, передаваемой сооружением. При прочих равных условиях, чем выше содержание глинистых частиц, тем больше сжимаемость грунта. Монтмориллонитовые глины уплотняются в большей степени, чем каолинитовые. Чем выше естественная влажность грунта (при прочих равных условиях), тем больше их сжимаемость.

Известно, что в зависимости от условий образования глинистые грунты могут находиться в состоянии нормальной плотности (речные глины), переуплотненном (морена) или недоуплотненном состоянии (лесс). Очевидно, что данную характеристику можно дать только ориентировочно, поскольку зачастую генезис описываемого образца неизвестен. Кроме того, глины морского происхождения могут находиться не только в состоянии нормальной плотности, но и в переуплотненном состоянии, если они испытывают в настоящее время меньшее давление, чем в геологическом прошлом. В последнем случае глина способна набухать при увлажнении.

Водопроницаемость является специфической особенностью всех рыхлых пород механического происхождения. Количественно водопроницаемость характеризуется коэффициентом фильтрации. К водопроницаемым относятся трещиноватые или кавернозные (с пустотами более 2,5мм) скальные и полускальные породы.

Таким образом, в отличии от магматических, осадочные горные породы характеризуются большим разнообразием инженерно-геологических особенностей. Важнейшие из них следует отмечать одновременно с описанием образца. При этом нельзя забывать, что многие специфические особенности проявляются лишь в определенных условиях. Так, например, в глинистых породах явление пучения может происходить только при замерзании, набухание – при увлажнении, усадка – при высыхании и т.д.

Лессы, находящиеся в недоуплотненном состоянии, способны давать просадки при последующем увлажнении (при подъеме уровня грунтовых вод, при инфильтрации воды из каналов и т.д.). Пески в обычных условиях являются слабосжимаемыми грунтами, процесс уплотнения которых заканчивается в период строительства. Однако при вибрации и восходящих токах воды прочность песков значительно уменьшается.

Следует отметить, что некоторые породы обладают специфическими свойствами. Так, для ангидрита особенностью является способность присоединять воду и превращаться в гипс, увеличиваясь при этом в объеме до 30%.

Химические осадочные породы могут быть представлены галоидами, сульфатами и карбонатами.

Галоиды. К ним относится каменная соль, состоящая из зернистого агрегата минерала галит. Встречается в виде примесей среди глинистых пород. Характеризуется высокой растворимостью - более 100г/л.

Сульфаты - представлены гипсом и ангидритом. Гипс и ангидрит легко растворяются и выщелачиваются подземными водами, поэтому их относят к типу карстующихся пород.

При строительстве инженерных сооружений необходимо учитывать способность ангидрита при соприкосновении с водой гидратироваться, значительно увеличиваясь при этом в объеме, и переходить в гипс. С таким явлением часто связаны механические деформации в окружающих породах.

Таким образом, благодаря своей способности растворяться подземными водами, галоиды и сульфаты как основания ненадежны и вредны. В связи с этим большое значение имеет правильная оценка процессов выщелачивания, которые протекают в загипсованных и других породах.

Карбонаты. Среди них наибольший интерес представляет микро-, мелко-, средне- и крупнозернистые кристаллические и оолитовые известняки, известковые туфы и доломиты. Кристаллические известняки сложены мельчайшими зернами кальцита и распространены в осадочных толщах.

Оолитовые известняки представляют собой скопления сцементированных шаровидных кальцитовых зерен - оолитов.

Известковый туф - пористая или ячеистая порода. Свежий известковый туф мягок, но после высыхания твердеет. Наиболее прочными являются массивные мелкозернистые перекристаллизованные окварцованные известняки. Прочность мелкозернистых известняков достигает 100МПа, крупнозернистых изменяется в широких пределах - 70...25МПа.

К биохимическим (органогенным) породам относятся: известковые, кремнистые и углеродные породы.

Известковые породы представлены известняками, мелом и мергелем. Известняк состоит из кальцита. Известняк, состоящий в основном из целых раковин моллюсков или их обломков, называется известняком-ракушечником. Это легкая, пористая и ноздреватая порода, плохо проводящая звук и тепло, с временным сопротивлением сжатию до 23МПа. Залегают они в виде слоев мощных слоистых толщ, куполовидных массивов и линзовидных тел. Большей частью они трещиноваты и закарстованы. Наиболее прочны плотные известняки с временным сопротивлением сжатию от 10 до 90МПа. Как основания сооружений надежны, но при определенных условиях подвержены выщелачивающему действию текучей воды.

Мел - белая мелкозернистая, тонкопористая порода. В сухом состоянии мел представляет плотную породу, а в водонасыщенном обладает мягкой консистенцией. Мел имеет значительную пористость (30...54%) и трещиноватость.

Мергелем называется известково-глинистая порода, у которой глинистые частицы сцементированы карбонатным материалом. Как основание сооружений, недостаточно надежен, так как обладает трещиноватостью, способен к набуханию, разрушается при циркуляции подземных вод по трещинам и промерзании.

Кремнистые породы (диатомит, трепел, опока).

Диатомит - рыхлая однородная порода, состоящая из остатков панцыря диатомовых водорослей, сцеметированных опалом.

Трепел - землистая однородная, легкая, пористая порода, обладает большой водопоглощающей способностью, плохо проводит звук и тепло.

Опока - плотная порода, состоит из мельчайших зерен опала и частично остатков водорослей, сцементированных кремнистым веществом.

Углеродистые породы (каустобиолиты). К ним относятся горючие сланцы: торф, уголь (твердые каустобиолиты), нефть (жидкие каустобиолиты), природный горючий газ и др.

Торф - представляет собой бурую или черную породу, волокнистого строения, состоящую из остатков в разной степени разложившихся болотных растений (мхи, камыши, древесные стволы). Образуется из отмерших растений под слоем воды при активной биохимической деятельности микроорганизмов.

Вследствие высокой пористости и влагоемкости не может служить основанием под сооружения.

Нефть - жидкая горючая маслянистая флюоресцирующая порода с характерным запахом. Состоит из смеси углеродов. Заполняет поры и трещины в горных породах, образуя скопления.

Асфальты (горная смола) - плотные, буровато-черные битуминозные породы с сильным смоляным блеском. Формы залегания - асфальтовые натеки, озера, покровы.

Озокерит (горный воск) - нефтяные воскообразные породы. Заполняют поры и трещины в горных породах.

Дата добавления: 2014-10-17; просмотров: 402; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!