Магматические горные породы

Лабораторная работа №1.2

ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

Горные породы представляют собой природные минеральные агрегаты, которые «рождаются» в земной коре. Каждой породе свойственно известное постоянство химического и минерального состава, структуры, а иногда и условий залегания в земной коре.

Горные породы чаще всего полиминеральны. В отдельных случаях они могут состоять из одного минерала (кварцит из кварца, мрамор из кальцита). Горные породы не имеют химических формул. Их состав оценивается валовым химическим анализом, например химический состав базальта: 8SiO₂ – 49- 52%, A₂O₃ 10 -14%, Fe₂O₃-4-14%, CaO - 8-10% и т.д.

Сейчас в земной коре установлено около 1000 горных пород.

По своему происхождению их делят на три типа: магматические, осадочные, метаморфические. В земной коре магматиче­кие и метаморфические породы занимают 95 % общей ее массы. Осадочные породы располагаются непосредственно на поверхности Земли, покрывая собой в большинстве случаев магматические и метаморфические породы.

Магматические горные породы

Происхождение и классификация. Магматическими (или извер­женными) горными породами называют горные породы, которые образовались в результате кристаллизации магмы при ее остыва­нии в недрах Земли или на ее поверхности. Магма (или ла­ва) — это сложный силикатный расплав примерно следующего со­става: кислород — 46,7 %, кремний — 27,7 %, алюминий— 8,1%, железо — 5,1 %, кальций — 3,6 %, магний — 2,1 %, натрий — 2,7 %, калий — 2,6 %, другие элементы обычно не превышают в среднем 1,4%. Температура магмы различна, но обычно 100— 1300 "С.

История формирования магматических горных пород берет начало с образования магмы, которая затем последовательно изменялась под воздействием слабо изученных сложнейших взаи­мосвязанных физических, химических, физико-химических про­цессов. Процессы эти во многом завершаются при охлаждении или кристаллизации магмы с образованием агрегатов силикатных минералов. В зависимости от условий, в которых происходит ох­лаждение и застывание (потеря подвижности) магмы, горные по­роды делят на интрузивные (глубинные) и эффузивные (излившие­ся) (рис. 16).

Эффузивные породы образуются из той же магмы, что и глу­бинные, поэтому их называют аналогами глубинных пород. Разновидностями этих пород соответственно будут жильные и вулканиче­ские. При формировании вулканических пород на поверхности земли магму называют лавой.

Некоторые геологи считают, что в основе зарождения магмы лежит единая первичная магма базальтового состава, дальнейшая же дифференциация ее привела к образованию различных по со­ставу магматических пород.

Рис. 16. Схемаобразования магматических горных пород:

/ — толща осадочных пород; 2— по­верхность Земли; 3— глубинные по­роды; 4— излившиеся породы

Другие ученые говорят о том, что различные минералого-петрографические разности магматических горных пород обусловле­ны существованием нескольких первичных магм разного состава.

Некоторые специалисты считали, что возможно образование интрузивных пород (так называемых плутонов), особенно кисло­го состава, путем перекристаллизации ранее существовавших по­род под действием повышенных температур, давлений и сложных по химическому составу растворов.

Любая из этих гипотез обусловливает необходимость диффе­ренциации вещества магмы для формирования различных по со­ставу изверженных пород. Особенности дифференциации магмы образуют как одну, так и несколько типов горных пород. Пер­вичная базальтовая магма может сформировать габбро или же превратиться в целый ряд пород: габбро — диориты — гранодиориты — граниты. Кроме того, особенности дифференциации вы­ражаются в виде реакции между кристаллами и расплавом и в сложном процессе межгравитационного разделения, сопровожда­ющегося оседанием или поднятием кристаллов при существен­ном газовом переносе вещества и ассимиляции магмой вмещаю­щих пород.

К настоящему времени петрографами выделено и описано множество разновидностей изверженных горных пород различно­го химико-минералогического состава.

Большинство силикатов (как правило, минералы магматиче­ских пород — это силикаты) имеют ковалентную связь между основными структурными элементами, что и создает высокую прочность магматических пород. При этом наибольшие значения модуля упругости и наибольшая прочность проявляются у горных пород, имеющих плотную, компактную структуру с высокой ко-валентностью связи (дуниты, периодотиты, пироксениты).

Но не только это влияет на формирование прочности горных пород. Весьма важным является их последующее изменение в результате выветривания, скорость и интенсивность которого в значительной мере определяются особенностями минералогиче­ского состава.

Так, известно, что одним из наиболее устойчивых минералов к выветриванию является кварц. Слюды же легко расслаиваются под влиянием колебаний температуры, особенно если происходит их попеременное замораживание и оттаивание. Кроме того, био­тит очень легко подвергается разрушению при химическом вы­ветривании. Трещиноватые полевые шпаты, особенно основные и Лабрадор, легко разрушаются при выветривании, в то время как их свежие разности более устойчивы к нему. Амфиболы и пироксены обычно оцениваются как устойчивые к выветриванию, а оливин — как легко разрушающийся, кстати, поэтому быстро вы­ветриваются дуниты.

Хорошо известно, что пирит легко окисляется и в присутст­вии воды образует серную кислоту, тем самым ускоряя процесс разрушения других минералов в горной породе.

Однако на устойчивость магматических горных пород к вы­ветриванию, на их прочностные и деформационные характери­стики влияет не только минералогический состав, но в большей степени их структурно-текстурные особенности.

Структуры и текстуры магматических горных пород определя­ются их генезисом (происхождением).

Магма это лава, поднимающаяся к земной поверхности, быстро ох­лаждается, вязкость ее увеличивается благодаря постепенной по­тере воды и газов. Это способствует формированию вулканиче­ского стекла с пелитовой или сферолитовой структурой. Последние наиболее характерны для палеотипных излившихся пород и образуются обычно при девитрификации стекла. В по­верхностных условиях потоки магмы (в этом случае их называют лавовыми потоками) затвердевают сравнительно быстро, что не позволяет развиваться крупным кристаллам, и вследствие этого эффузивы обычно характеризуются афанитовой структурой (это характерно для пород с выраженной кристалличностью и стекло­ватых). Горные породы с подобными структурами обычно имеют высокую механическую прочность, но, как правило, излившиеся (эффузивные) породы образуются на поверхности Земли при низких давлениях и температурах при быстром охлаждении и де­газации вещества магмы. В таких условиях становится невозмож­ной полная дифференциация; часть расплава застывает в виде аморфной массы, формируя породы неполнокристаллической структуры. Часто кристаллизация осуществляется в две фазы: медленная в глубине земной коры, когда образуются отдельные кристаллы минералов или их ассоциации, а затем быстрая на поверхности, когда происходит интенсивное остывание расплава. В этом случае образуется неравномерно-кристаллическая (порфиро­вая) структура. Наличие газов в застывающей на поверхности магме определяет повышенную пористость эффузивных пород.

Вулканические породы обладаютдовольно частопузырчатой текстурой. Указанные эффузивы обычно усеяны газовыми пузы­рьками различной формы: миндалевидной, округлой, эллипсо­видной. Пузырчатая текстура придает некоторым туфам Армении пористость до 60 % и снижает их плотность до 0,9—0,95 г/см³.

Довольно часто пустоты в вулканических породах выполнены вторичными минералами, тем самым сообщая им так называе­мую миндалевидную, или миндалекаменнуютекстуру. Прочность таких пород резко повышается, но в силу своей неоднородности они все-таки уступают массивным разностям (это можно просле­дить на примере базальтов).

Очень похожее влияние на свойства вулканогенных пород оказывает порфировая структура, при которой крупные отдель­ные минералы или крупные совокупности нескольких минералов погружены в тонкозернистую или стекловатую массу минерала, слагающего породу. Порфировая структура не обязательна, хотя и характерна для эффузивов. Она свойственна для лайковых пород и иногда для пород мелких интрузий.

Вулканические и вулканокластические породы образуются при вулканических извержениях как на континентах, так и в морских бассейнах. Расплав магмы быстро остывает, и в то же время происходит процесс интенсивной потери растворенных га­зов и паров. Это ведет к образованию вулканических стекол, скрытокристаллических высокопористых пород типа пемзы, а также специфических рыхлых вулканических пород.

Структуры и текстуры глубинных пород существенно иные. Магматический расплав в глубинах Земли в среде ранее образо­ванных пород кристаллизуется постепенно под влиянием высокого давления в условиях медленного охлаждения и деятельного учас­тия присутствующих летучих веществ, растворенных паров и газов. Минеральные зерна постепенно формируют специфические струк­туры и текстуры глубинных пород. Наиболее характерной особен­ностью интрузивных образований является полнокристаллическая относительно крупная и равномерно-зернистая структура.Встре­чено и описано значительное количество ее разновидностей. При инженерно-геологической оценке породы большое значение имеет размер зерен, так как мелкозернистые породы более прочны и устойчивы к выветриванию, нежели крупнозернистые.

Установлено, что минералы кристаллизуются в определенной последовательности, в зависимости от химического состава исход­ной магмы (основная и кислая), температуры плавления и т.д.

Основная магма кристаллизуется в следующей последователь­ности: оливин — пироксены-амфиболы — биотит — калиевый полевой шпат — мусковит — кварц; кислая магма: анортит — плаги­оклазы — калиевый полевой шпат — мусковит — кварц.

Жильные породы образуются при кристаллизации магмы в трещинах горных пород, зачастую с интенсивным гидротермаль­ным воздействием.

В данных условиях кристаллизация обычно происходит при сложной дифференциации вещества магмы, что является еще од­ним обстоятельством, приводящим к формированию полнокристаллической структуры.

Одной из наиболее важных характеристик, определяющих свойства магматических пород, является химический состав, фор­мирующий в значительной мере их облик и обязательно минера­льный состав. При классификации магматических пород по хи­мическому составу используются данные о содержании в них диоксида кремния — SiO₂ (в % по массе): выделяют породы ульт­ракислого (>75 %), кислого (65—75 %), среднего(55—65 %), основного (45—55 %) и ультраосновного (<45 %) состава, для ко­торых характерны вполне определенные главные породообразую­щие минералы или их ассоциации.

Все магматические горные породы имеют с точки зрения ис­пользования их в строительстве достаточно много общего между собой (так общность физико-механических характеристик, в ча­стности, обусловлена наличием практически у всех магматиче­ских пород жестких кристаллизационных связей между зернами минералов, возникающими в процессе формирования породы). Вследствие этого все магматические горные породы имеют высо­кую прочность, значительно превышающую нагрузки, известные и возможные в инженерно-строительной практике, нераствори­мые в воде и практически водонепроницаемые в сохранном виде. Благодаря этому они широко используются в качестве оснований сооружений, особенно ответственных и уникальных, поэтому бо­лее 30 % всех высоких плотин на Земле построено на магматиче­ских горных породах.

Тем не менее, существует ряд обстоятельств, которые приводят к осложнениям при строительстве на изверженных породах. Это, во-первых, их трещиноватость и выветрелость, которые для раз­личных типов пород проявляются в разной степени и достаточно своеобразно. Во-вторых, чрезвычайно широкий диапазон изме­нений показателей физико-механических и деформационных свойств горных пород в зависимости от их состава и структуры, хотя и при высоких абсолютных значениях отдельных показателей. В качестве примера остановимся на характеристике плотности интрузивных и древних эффузивных пород. Она, естественно, определяется их химическим и минералогическим составом: у сие­нита - 2,62 г/см³, диорита - 2,8 г/см³ , габбро - 2,95 г/см³, пери­дотита — 3,2 г/см³, липарита —2,1 г/см³, диабаза —2,85 г/см³. Плотность обычно возрастает вместе с уменьшением кислотности породы, т. е. со сменой легких минералов относительно более тя­желыми. Для современных эффузивных пород плотность в боль­шей степени определяется структурно-текстурными особенностя­ми, в несколько меньшей степени — химико-минеральными характеристиками. Кроме того, любые вторичные изменения гор­ных пород значительно влияют на физико-механические парамет­ры, например, в общем случае хлоритизация (т. е. замещение не­которых минералов хлоритом) магматических пород вызывает снижение их плотности, модуля упругости, прочности, что достаточно четко фиксируется геофизическими методами по скорости распространения в них упругих волн (рис. 17).

Рис. 17. Типы структур магматических пород: а — глубинная порода с зернистой структурой; б — излившаяся порода с порфировой структу­рой (шлифы и электронно-макроскопические снимки)

В общем, в зонах преобразования магматических горных по­род, будь то интенсивное выветривание, складкообразование или образование разрывов, трещин, других деформаций при тектони­ческих движениях, землетрясениях или вулканизме, иных еще более интенсивных изменениях, включая антропогенное воздей­ствие, происходит существенное изменение, переформирование состава и структуры изверженных горных пород, а это, естественно, влечет за собой заметное увеличение их пористости и трещиноватости, уменьшение плотности, снижение прочности, повышение деформативности, водопроницаемости, т. е. значите­льно ухудшает их инженерно-строительные характеристики.

Классификация магматических пород, кроме деления их на глубинные и излившиеся, основана на содержании в них кремнезема в пересчете на SiO₂ (табл. 5).

Таблица 5

Разделение магматических пород по SiO₂ имеет практическое значение. Так, с уменьшением SiO₂ в глубинных породах возрас­тает плотность, понижается температура плавления, породы луч­ше поддаются полировке, окраска их становится темнее.

В составе магматических пород основное место занимают по­левые шпаты, амфиболы, пироксены, кварц и слюды. В наиболее древних породах могут присутствовать вторичные минералы (кар­бонаты, глинистые), которые возникают в процессе выветрива­ния из первичных минералов. Количество этих минералов может служить показателем степени выветрелости породы.

Свойства пород зависят от их внутреннего строения и сложе­ния в массиве.

Структура — внутреннее строение породы, обусловленное формой, размерами, количественным соотношением ее составных частей — минералов. В магматических породах различают ряд структур, в частности: 1) зернистые, типичные для глубинных пород (рис. 18); 2) полукристаллические (совместное нахождение кристаллов и аморфного стекла); 3) стекловатые, типичные для излившихся пород (рис- 19).

Текстура (сложение) характеризует пространственное располо­жение частей породы в ее объеме, «рисунок» породы. Для магма­тических пород характерны следующие текстуры: 1) массивная — равномерное, плотное расположение минералов; 2) полосча­тая — чередование в породе участков различного минерального состава или различной структуры; 3) шлаковая — порода, содержа­щая видимые глазом пустоты.

Отдельности.При остывании магмы в связи с изменением объема в породах возникают тончайшие трещины, которые раз­бивают массив на отдельные участки (формы). В зависимости от системы расположения трещин возникают отдельности: столбча­тая (базальт), глыбовая (гранит), шаровая (диабаз) и др.

Строительные свойствамагматических пород высокие. Это объясняется их минеральным составом и жесткими кристаллиза­ционными связями в структурах. Наибольшей прочностью отли­чаются мелко- и равномерно-зернистые структуры.

При оценке качества следует отдавать предпочтение массив­ной текстуре. Полосчатое сложение и отдельности облегчают раз­работку, но в целом снижают качество породы. Трещиноватость пород сокращает количество выпускаемой каменной продукции, обусловливает фильтрацию подземных вод.

Рис. 18. Гранит — глубиннаязернистая порода.

Рис. 19. Базальт — излившаяся стекловатая порода.

В России магматические породы широко распространены в сорных районах (Урал, Кавказ и др.), а также в Карелии, Сиби­ри и т. д.

Дата добавления: 2015-06-30; просмотров: 753; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!