Важнейшие характеристики горных пород и грунтов

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 5Следующая ⇒

Петрография – наука о горных породах, их составе, строении, происхождении и формах залегания. Горные породы представляют собой более высокий уровень организации вещества земной коры. Они состоят из определенной ассоциации (набора) минералов – минеральных агрегатов (или естественных сростков), имеют конкретное строение и залегают в земной коре в виде самостоятельных (геологических) тел. Каждая горная порода образовалась в результате какого-либо геологического процесса, современного или древнего. Все характерные свойства горных пород зависят именно от условий их образования – генезиса. Иными словами процессы формирования горных пород как бы фотографируются в их строении и минеральном составе.

Первое что бросается в глаза при рассмотрении горных пород – цвет породы, зависящий от цвета породообразующих минералов. По цвету и спайности минералов надо постараться разглядеть в горной породе размер и форму индивидов, то есть определить структуру или строение горной породы.

Исходя из общего понимания термина «строение» как взаиморасположение составных частей чего-либо, в геологии данный термин используется как минимум в трех основных смыслах, характеризуя геологические объекты разных уровней:

1 – на уровне минералов – внутреннее кристаллическое (упорядоченное расположение ионов, атомов или молекул) или аморфное их строение;

2 – на уровне горных пород – характеристика горных пород и грунтов, описывающая особенности их структур и текстур;

3 – на более высоком уровне земной коры – особенности геологического строения различных участков земной коры или их геологические структуры.

Под структурой горной породы понимают совокупность признаков, выраженных в абсолютных и относительных размерах и формах минеральных индивидов, особенностях их срастания между собой. На первый взгляд следует оценить степень кристалличности горной породы, наличие в ней видимых на глаз зерна минералов или же их отсутствие. В породах полнокристаллической структуры масса породы сложена видимыми на глаз минеральными индивидами (кристаллами). В зависимости от размера и формы минеральных индивидов подразделяются структуры на основные виды (табл. 8). Термин зернистая структура использует обычно при описании осадочных пород.

В петрографии и литологии для каждых классов, групп и даже видов пород используются свои специфические термины структур. Например, полнокристаллическую структуру по форме индивидов геологи подразделяют на идиоморфнокристаллическую (индивиды минералов относительно правильной и характерной формы) и ксеноморфнокристаллическую (индивиды неправильной произвольной формы); по форме минералов метаморфические породы – на гранобластовые (изометричные зерна минералов), лепидобластовые (с преобладанием минералов чешуйчатой морфологии) и многие другие. То есть в специальной литературе для многих горных пород используются специфические термины, которые обозначают особенности их строения и образования.

Таблица 7

Характеристика важнейших магматических горных пород (МГП) и грунтов

Название и класс (интрузивная или эффузивная)	Группа (по сод-ию SiО₂) и цвет	Минеральный состав – %-ое соотношение породообразующих минералов	Строение	Класс и разновидности грунтов (по прочности, способности к выветриванию, водопроницаемости, и т.д. согласно ГОСТ 25100-2011)
Текстура	Структура

Гранит, интрузивная Риолит Кварцевый порфир Диорит Андезит Андезитовый порфир Габбро Базальт Диабаз Дунит Пироксенит Нефелиновый сиенит

Выполнил Проверил

Таблица 8

Основные виды структур магматических пород

Структуры	Отличительные признаки	Влияние структуры на прочность породы
Полнокристаллическая: 1 – крупнозернистая 2 – среднезернистая 3 – мелкозернистая 4 – афанитовая Равномернокристал- лическая - неравномернокристаллическая	Полная раскристаллизация породы, стекловатое вещество отсутствует Размеры кристаллов больше 5 мм Размеры кристаллов 2…5 мм Размеры кристаллов 2…0, 2 мм Размеры кристаллов < 0, 2 мм Кристаллы всех главных минералов имеют близкие размеры или же разные	Характеризуются большой прочностью и устойчивостью против выветривания. Наиболее прочные породы –с афанитовой и тонкозернистой структурами
Полустекловатая	В породе зерна на глаз не видны, под микроскопом - наряду с кристаллами содержится стекловатое вещество	Прочность меньше, чем у полнокристаллических. Она уменьшается по мере увеличения содержания стекла. В этом же направлении уменьшается сопротивление выветриванию
Стекловатая или афанитовая	Порода состоит из аморфного вещества и микроскопических кристаллов – микролитов
Порфировидная	Отдельные, наиболее крупные и хорошо образованные кристаллы расположены в полнокристаллической основной массе породы, которая может быть разной зернистости, вплоть до крупнокристаллической	Породы с равномернозернистой основной массой характеризуются большей прочностью, нежели породы того же состава, но обладающие неравномерной зернистостью основной массы
Порфировая	Отдельные крупные кристаллы расположены в полностью или частично раскристаллизованной или стекловатой основной массе	Прочность и сопротивление выветриванию уменьшаются по мере увеличения содержания стекловатой массы
Пегматитовая	Крупные и гигантские кристаллы – более 30…50 мм, одного минерала прорастают одинаково ориентированными кристаллами другого минерала, чаще кварца и полевых шпатов	Обусловливает высокую прочность породы, но меньшую по сравнению с мелкозернистыми породами

В целом, для строителей следует научиться отличать полнокристаллическую структуру от скрытокристаллической структуры, а также некоторые важнейшие виды структур. В породах порфировой и порфировидной структур крупные вкрапленники минералов – порфировые выделения, кристаллизуются из магмы или растворов, осадков первыми и растут с большей скоростью.

Общий вид строения горной породы, выраженный в форме, размерах, минеральном составе, структуре, способах сочетания ее минеральных агрегатов, называется текстурой. Выделяются следующие основные текстуры:

– плотные или массивные - минеральные агрегаты располагаются очень плотно и относительно равномерно, без видимых неоднородностей;

– неоднородные плотные – слоистые (для осадочных) и полосчатые (для магматических и особенно метаморфических) – минеральные агрегаты располагаются в виде полос, отличающихся цветом (соответственно минеральным составом) или размером индивидов (соответственно структурой);

– сланцеватые – характерные только для метаморфических пород и выражающиеся в том, что породы раскалываются на тонкие плиточки, поскольку состоят преимущественно из чешуйчатых или вытянутых минералов, ориентированных длинной стороной параллельно друг другу;

– пористые или пузырчатые – видны пузыри невооруженным глазом, а тонкие поры размером до 2 – 3 мм можно определить по тому, что порода впитывает воду (прилипает к языку), или более легкая, чем ее плотный аналог;

– органогенные – в породе видны окаменелые остатки древних организмов, как правило, морских, поскольку только при накоплении осадков в океанах происходит естественное захоронение (погребение) вымерших организмов;

– брекчированная – в породе видны обломки одних пород, которые сцементированы другим минеральным агрегатом в виде мелкозернистого карбонатного или глинистого, или кремнистого цемента, образованного при цементации рыхлого осадка (при диагенезе) либо при дроблении пород вдоль разломов во время землетрясений (в метаморфических породах);

– прожилковая – порода состоит из обломков породы, сцементированной кристаллическими агрегатами обычно кварца или кальцита в виде разно ориентированных полос – прежних трещин и пустот.

Кроме перечисленных выделяется множество других текстур и структур в зависимости от внешнего виды и генезиса пород. Студентам важно научиться различать наиболее важные и распространенные структуры и текстуры. Обратите внимание на то, что принятые в петрографии понятия «текстура» и «структура» близки понятию «морфология минерального агрегата» в минералогии.

В явнокристаллических горных породах можно относительно легко по физико-диагностическим свойствам определить важнейшие породообразующие минералы и их примерно процентное отношение (рис. 2), т.е. минеральный состав породы. Кроме цвета, блеска необходимо проверить твердость, спайность и другие особые свойства у каждого минерального вида горной породы. Обычно в породе преобладают один – это в мономинеральных породах, либо два – три – в полиминеральных породах, породообразующих минерала. Учитывая соотношение минералов и их химический состав, принадлежность к кристаллохимическому классу, делается вывод и о химическом составе породы. В земной

Рис. 2. Трафареты для визуального определения процентного содержания минералов

коре наиболее распространены силикатные (преобладают минералы класса силикаты), кремнистые (преобладает кварц и его разновидности), карбонатные (преобладают минералы класса карбонаты), сульфатные (преобладают минералы класса сульфаты), глинистые породы.

Другими очень важными характеристиками горных пород являются формы их залегания: первичные или вторичные, а также возраст пород. Формы залегания можно увидеть только в земной коре, на полевой практике, при бурении или проходки канав. Их нужно обязательно учитывать при проведении строительных работ (рис. 3). Они изучаются в таких разделах, как структурная геология, геологическое картирование и тектоника и частично рассматриваются на лекциях, на других практических работах и самостоятельно. Ниже будет изучен также возраст пород.

Рис. 3. Формы залегания магматических интрузивных горных пород: 1 – силл; 2 – лакколит; 3 – лополит; 4 – факолит; 5 – дайка; 6 – некк; 7 – коническая интрузия; 8 – хонолит; 9 – батолит; 10 – шток

Таким образом, на практических занятиях сначала студенты определяют названия горных пород по следующим характеристикам: структуре, текстуре, минеральному составу и цвету, химическому составу и некоторым другим особым свойствам. При описании пород в таблицах следует обращать внимание (заполнить колонки таблицы) на формы залегания, распространение в земной коре и на территории Челябинской области [10], возраст и оценку горных пород как грунтов, поскольку эти характеристики являются важными для оценки инженерно-геологических условий участков строительства.

Грунты – горные породы, в пределах которых строители планируют и осуществляют свою инженерную деятельность и соответственно оценивают их по физико-механическим инженерно-геологическим: прочность, сжимаемость, устойчивость к выветриванию, и другим свойствам, состоянию и т.д. Свойства грунтов зависят, во-первых, от свойств горных пород, от «прочности» связи между минеральными зернами и особенностей их генезиса (табл. 9), а, во-вторых, от внешних условий: влажности, температуры и прочих. Грунты изу-

Таблица 9

Разделение горных пород как грунтов по характеру структурных связей

Группа пород	Тип структурных связей	Характерные свойства пород и грунтов	Примеры типичных пород
С жесткими связями между зернами (скальные^*)	Кристаллиза- ционные – возникли в момент застывания магмы или перекристал- лизации пород	Прочность очень высокая и высокая. Твердые связи необратимые – при разрушении естественным путем не восстанавливаются. Практически несжимаемы. Невлагоемкие. Водопроницаемость зависит от степени трещиноватости. Большей частью стойки к растворению, не размокают и не размываются	Гранит, базальт, кварцит, мрамор, почти все магматические и метаморфические, некоторые осадочные породы
Цемента-ционные	Прочность и водостойкость зависят от состава цемента. При кремнеземном и кварцевом цементе прочность высокая: породы не размокают; при глинистом цементе прочность небольшая – порода размокает. Водопроницаемость зависит от степени трещиноватости. Связи необратимые	Известняки, песчаники, конгломераты
Глинистые отвердевшие (полускаль- ные)	Цементационные (кристалли зационные)	Прочность относительно невысокая, связи необратимые. Водостойкость невысокая, в большинстве случаев размокают в воде, набухают	Аргиллиты, алевролиты, глинистые сланцы, мергели
Глинистые (дисперсные связные)	Водно- коллоидные	Прочность невысокая, при увлажнении уменьшается и иногда доходит до нуля. Связи обратимые – при разрушении могут восстанавливаться. В зависимости от степени влажности могут находиться в твердом, пластичном и текучем состояниях. Сильно сжимаемы. Сопротивление сдвигающим усилиям низкое. Сильно влагоемкие. Практически водоупорные. Размокают, набухают и дают усадку	Различные глины, суглинки, супеси
Обломочные несцементированные (дисперсные несвязные)	Отсутствуют	Прочность высокая и средняя, зависит от минералогического состава и крупности обломков. Слабо сжимаемы, сопротивление сдвигу высокое. Хорошо водопроницаемы, фильтрационные свойства увеличиваются также с увеличением размера обломков пород.	Пески, гравий, галечник

^* Название грунтов согласно ГОСТ 25100-2011

чаются в разделе «Основы грунтоведения» и более подробно в курсе «Механика грунтов». Классификация грунтов дается в ГОСТ 25100-2011 (табл. 10).

Магматические горные породы

Магматические горные породы образуются в результате охлаждения магмы – силикатного расплава, до температур 1200⁰ – 800⁰ С. Сначала при высоких температурах выделяются и кристаллизуются более тугоплавкие железосодержащие минералы группы пироксенов и оливины, затем при Т ниже 1100⁰С из более кислых магм выделяются светлые полевые шпаты и последним кварц. Отличительной особенностью магматических пород является преобладание в их составе минералов класса силикатов и, как правило, наличие двух или даже трех породообразующих минералов.

По расчетам ученых до глубины примерно 16 км земная кора построена на 95 % из магматических и метаморфических пород, из которых 60…70 % – магматические породы. При этом установлено, что около 90 % пород кристаллизуется на глубине, при высоких температурах – 1200 ⁰ – 800 ⁰С, и высоком давлении при медленном охлаждении магмы с выделением видимых на глаз минеральных индивидов. Лишь 10 % магмы достигается земной поверхности в виде лавы – излившейся на поверхность и обогащенной газами магмы, проявляется в виде катастрофических извержений вулканов и относительно быстрой ее кристаллизацией на земной поверхности с образованием эффузивных пород.

Согласно Петрографическому кодексу [5] тип магматических горных пород подразделяется по фациальным условиям образования на два класса.

1. Класс плутонических или интрузивных, или глубинных (абиссальных) горных пород, отличающихся полнокристаллическими структурами и массивными, плотными текстурами, что объясняется относительной длительностью кристаллизации магмы в недрах земной коры на глубинах более 2 – 3 км.

2. Класс вулканических или эффузивных пород, отличающихся скрытокристаллическими, стекловатыми и порфировыми структурами и пузырчатыми или пористыми плотными текстурами, которые образовались при относительно быстрой кристаллизации магмы – лавы на поверхности Земли.

Классы пород подразделяются на подклассы. Так интрузивные – на абиссальные (кристаллизуются на глубинах десятки км) и гипабиссальные или полуглубинные породы, образовавшиеся на глубинах менее 2…3 км. Последние характеризуются промежуточными свойствами с преобладание порфировидных структур и залеганием в виде малых интрузий – даек, жил, силл (см. рис. 3).

Эффузивные породы подразделяются на кайнотипные и палеотипные. Первые – это относительно молодые – с возрастом до 70 млн. лет, породы пузырчатой текстуры и скрытокристаллических (порфировых) структур, а вторые – более древние, когда-то перекрывавшиеся молодыми эффузивными и осадочными породами, отличающиеся более плотной, иногда рассланцованной, миндалекаменной текстурами, а также тонкокристаллической и порфировой структурами. Влияние структур магматических пород и структурных связей между минералами на их прочность приводится в табл. 8 и 9.

Таблица 10

Выписка из ГОСТ 25100-2011 «Классификация грунтов». I Класс. Природных скальных грунтов


Класс	Тип (подтип)	Вид	Подвид *	Разновидности
Скальные	Магматические (интрузивные)	Силикатные	Ультраосновные Основные Средние Кислые	Перидотиты, дуниты, пироксениты и др. Габбро, нориты, анортозиты, диабазы, долериты и др. Диориты, сиениты и др. Граниты, гранодиориты, кварцевые сиениты, порфиры и др.	Выделяются по: 1 по пределу прочности на одноосное сжатие в водонасыщенном состоянии; 2 плотности скелета грунта; 3 коэффициенту выветрелости, 4 степени размягчаемости; 5 степени растворимости; 6 степени водопроницаемости; 7 степени засоленности; 8 структуре и текстуре; 9 температуре.
	Магматические (эффузивные)	Силикатные	Ультраосновные Основные Средние Кислые	Пикриты, коматииты и др. Базальты, долериты, порфириты и др. Андезиты, трахиты и др. Риолиты, дациты и др.
	Метаморфические	Силикатные Карбонатные	Гнейсы, сланцы, кварциты, роговики, скарны, грейзены, березиты, пропилиты, вторичные кварциты, гидротермально измененные грунты и др. Мраморы и др.
	Осадочные	Силикатные Карбонатные	Песчаники, конгломераты, аргиллиты, алевролиты, сцементированные глины Известняки, доломиты, мел, мергели


		Кремнистые Сульфатные	Опоки, диатомиты и др. Гипсы, ангидриты и др.
		Галоидные	Галиты и др. Бурые угли, битуминозные известняки
		Органо-минеральные
Элювиальные	Минеральные	Скальные грунты трещинных зон коры выветривания
* Приведены наименования наиболее распространенных грунтов.

Продолжение табл. 10

II Класс. Природных дисперсных грунтов


Класс	Подкласс	Тип	Подтип	Вид	Подвид	Разновидности
Дисперс- ные	Несвяз- ные	Осадочные	Флювиальные, ледниковые, эоловые, склоновые и др.	Минеральные	Крупнообломочные грунты Пески	Выделяются по: 1 гранулометрическому составу (крупнообломочные грунты и пески); 2 числу пластичности и гранулометрическо-му составу (глинистые грунты и илы); 3 степени неоднородности гранулометрического состава (пески); 4 показателю текучести (глинистые грунты); 5 относительной деформации набухания без нагрузки (глинистые грунты); 6 относительной деформации просадочнос- ти (глинистые грунты); 7 коэффициенту водонасыщения (крупнообломочные грунты и пески); 8 коэффициенту пористости (пески); 9 степени плотности (пески); 10 коэффициенту выветрелости (крупнообломочные грунты); 11 коэффициенту истираемости (крупнообломочные грунты); 12 относительному содержанию органичес- кого вещества (пески и глинистые грунты); 13 степени разложения (торфы); 14 степени зольности (торфы); 15 степени засоленности; 16 относительной деформации пучения; 17 температуре
Органо-минеральные	Заторфованные пески
Элювиаль- ные	Образованные в результате выветривания: физического, химического, биологического	Минеральные и органо-минеральные	Крупнообломочные грунты и пески обломочных и дисперсных зон коры выветривания и почвы
Связные	Осадочные	Флювиальные, ледниковые, эоловые, склоновые и др.	Минеральные	Глинистые грунты
Органо-минеральные	Илы. Сапропели. Заторфованные глинистые грунты и др.
Элювиаль- ные	Образованные в результате выветривания: физического, химического, биологического	Минеральные и органо-минеральные	Глинистые грунты дисперсных зон коры выветривания и почвы

Таким образом, отличить интрузивную породу от эффузивной породы можно по строению: структуре и текстуре. Для первых кроме выше перечисленных характерна порфировидная структура - строение породы, когда на фоне полнокристаллической структуры выделяются еще более крупные вкрапленники минералов (порфиры), которые первыми кристаллизовались из магмы. Для эффузивных кайнотипных, иногда палеотипных горных пород характерна порфировая структура, когда основная масса породы имеет скрыто-тонко-кристаллическую (афанитовую или стекловидную) структуру, а на таком фоне выделяются крупные вкрапленники минералов (порфиры) размером от > 1 мм.

Все классы магматических пород далее подразделяются по вещественному – минеральному и химическому, составу в зависимости от содержания кремнезема (SiO₂) на четыре группы: ультраоснó вные, оснó вные, средние и кислые. Считается, что горные породы определенного состава кристаллизовались из магм соответствующего состава. От состава магмы зависит минеральный состав горных пород – качественное и количественное содержание минералов, а также их цвет. При этом у каждой интрузивной породы имеется свой эффузивный аналог, т.е. порода с аналогичным минеральным составом и соответственно цветом. Упрощенная классификация магматических горных пород приводится в табл. 11. Подробнее о магматических горных породах, формах залегания, особенностях распространения в земной коре и их значении, связи с ними руд металлов рекомендуется прочитать в других учебниках и пособиях [1, 2, 8, 10].

В целом, магматические горные породы, имеющие ионно-ковалентные виды жестких структурных химических связей, характеризуются высокой механической прочностью, и являются надежным основанием для различных зданий и сооружений и качественным строительным материалом. Однако полиминеральный состав, пестрая и разноцветная окраска этих пород способствуют их разрушению (выветриванию) на земной поверхности и вблизи нее. Образующиеся и пересекающие их системы трещин, с одной стороны, снижают качество строительных материалов, а с другой, облегчают их разработку и способствуют фильтрации подземных вод. Прочность и устойчивость пород зависит от структурных связей между минералами и самих структур (см. табл.8 и 9).

⇐ Предыдущая 1 234 5 Следующая ⇒