Вопрос №12. Происхождение и характеристика метаморфических горных пород.

Метаморфические горные породы — горные породы, образованные в толще земной коры в результате изменения (метаморфизма) осадочных или магматических горных пород вследствие изменения физико-химических условий. Благодаря движениям земной коры осадочные горные породы и магматические горные породы подвергаются воздействию высокой температуры, большого давления и различных газовых и водных растворов, при этом они начинают изменяться. Одна из последних классификаций метаморфизма приведена в таблице:

Тип метаморфизма	Факторы метаморфизма
Метаморфизм погружения	Увеличение давления, циркуляция водных растворов
Метаморфизм нагревания	Рост температуры
Метаморфизм гидратации	Взаимодействие горных пород с водными растворами
Дислокационный метаморфизм	Тектонические деформации
Ударный метаморфизм	Падение крупных метеоритов, мощные эндогенные взрывы

В зависимости от ведущего фактора метаморфизма различают три основных типа: контактовый, динамометрический и региональный метаморфизм.

Контактовый метаморфизм развивается на контакте между внедрившейся магмой и вмещающими ее горными породами. Высокая температура, действие газов и паров приводят к коренному изменению вмещающих пород, которые превращаются в породы зернистого вида- кварцит и мрамор.

Динамометаморфизованный метаморфизм развивается под действием высокого давления, возникающего от массы вышележащих пород или горообразовательных процессов. При этом образуются сланцеватые породы типа глинистых сланцев.

Региональный метаморфизм проявляется в глубине земной коры и на больших площадях. Толщу пород, где происходит этот процесс, называют поясом метаморфизма, в котором выделяют три зоны: верхнюю, среднюю и нижнюю.

Формы залегания метаморфических пород

Так как исходным материалом метаморфических горных пород являются осадочные и магматические породы, их формы залегания должны совпадать с формами залегания этих пород. Так на основе осадочных пород сохраняется пластовая форма залегания, а на основе магматических — форма интрузий или покровов. Этим иногда пользуются, чтобы определить их происхождение. Так, если метаморфическая порода происходит от осадочной, ей дают приставку пара- (например, парагнейсы), а если она образовалась за счёт магматической породы, то ставится приставка орто- (например, ортогнейсы).

Состав метаморфических пород

Химический состав метаморфических горных пород разнообразен и зависит в первую очередь от состава исходных. Однако состав может отличаться от состава исходных пород, так как в процессе метаморфизма происходят изменения под влиянием привносимых водными растворами веществ и метасоматических процессов. Минеральный состав метаморфических пород также разнообразен, они могут состоять из одного минерала, например кварца (кварцит) или кальцита (мрамор), или из многих сложных силикатов. Главные породообразующие минералы представлены кварцем, полевыми шпатами, слюдами, пироксенами и амфиболами. Наряду с ними присутствуют типично метаморфические минералы: гранаты, андалузит, дистен, силлиманит, кордиерит, скаполит и некоторые другие. Характерны, особенно для слабометаморфизованных пород тальк, хлориты, актинолит, эпидот, цоизит, карбонат. Физико — химические условия образования метаморфических пород, определённые методами геоборотермометрии весьма высокие. Они колеблются от 100—300 °C до 1000—1500 °C и от первых десятков баров до 20—30 кбаров

Текстуры метаморфических пород

Текстура пород, как пространственная характеристика свойств породы, отражает способ заполнения пространства.

• Сланцевая: большое распространение в метаморфических породах получили листоватые, чешуйчатые и пластинчатые минералы, что связано с их приспособлением к кристаллизации в условиях высоких давлений. Это выражается в сланцеватости горных пород, которая характеризуется тем, что породы распадаются на тонкие плитки и пластинки.
• Полосчатая — чередование различных по минеральному составу полос, образующихся при наследовании текстур осадочных пород.
• Пятнистая — наличие в породе пятен, отличающихся по цвету, составу, устойчивости к выветриванию.
• Массивная — отсутствие ориентировки породообразующих минералов.
• Плойчатая — когда под влиянием давления порода собрана в мелкие складки.
• Миндалекаменная — представленная более или менее округлыми или овальными агрегатами среди сланцеватой массы породы.
• Катакластическая — отличающаяся раздроблением и деформацией минералов.

«Миндалекаменная текстура» не может относиться собственно к текстурам, поскольку не является характеристикой способа заполнения пространства. Она более всего характеризует структурные особенности породы.
«Катакластическая текстура» также не может быть текстурной характеристикой по тем же причинам. Термин «катакластический» отражает только механизм образования зерен, выполняющих породу.

Структуры метаморфических пород

Понятие «структура» не имеет строгого определения и носит интуитивный характер. Согласно практике геологических исследований «структура» больше характеризует размерные (крупно-, средне- или мелкообломочные) параметры слагающих породу зёрен.

Структуры метаморфических пород возникают в процессе перекристаллизации в твёрдом состоянии, или кристаллобластеза. Такие структуры называют кристаллобластовыми. По форме зёрен различают текстуры:

• гранобластовая (агрегат изометрических зёрен);
• лепидобластовая (агрегат листоватых или чешуйчатых кристаллов);
• нематобластовая (агрегат игольчатых или длиннопризматических кристаллов);
• фибробластовая (агрегат волокнистых кристаллов).

По относительным размерам:

• гомеобластовая (агрегат зёрен одинакового размера);
• гетеробластовая (агрегат зёрен разных размеров);
• порфиробластовая;
• пойкилобластовая (наличие мелких вростков минералов в основной ткани породы);
• ситовидная (обилие мелких вростков одного минерала в крупных кристаллах друглго минерала).

Фации метаморфизма

При метаморфических преобразованиях происходят разнообразные химические реакции. Считается, что они осуществляются в твёрдом состоянии. В процессе этих реакций происходит образование новых или перекристаллизация старых минералов так, что для конкретного интервала температур и давлений этот набор минералов остаётся относительно постоянным. Определяющий набор минералов получил название «фация метаморфизма». Разделение метаморфических пород на фации началось ещё в XIX веке и связано с работами Г. Барроу (1893), А. А. Иностранцева (1877), Г. Ф. Бекера (1893) и других исследователей, и широко применялоссь в начале XX века (Ван-Хайз, 1904; В. М. Гольдшмидт, 1911; П. Эскола, 1920; Ц. Е. Тилли, 1925; и др.). Существенную роль в разработке физико-химической природы минеральных фаций сыграл Д. С. Коржинский (1899—1985).

Современные представления об основных минеральных фациях метаморфизма приведены в таблице.

Тип метаморфизма	Фации метаморфизма	Давление (МПа)	Температурный интервал (°C)	Примеры пород
Метаморфизм погружения	Цеолитовая	< (200—500)	< (200—300)	Метаграувакки, метавулканиты
Пренит-пумпелиитовая	200—500	200—300
Лавсонит-глауковановая (голубых сланцев)	400—800	300—400	Глаукофановык сланцы
Эклогитовая	> 800	> (400—700)	Эклогиты
Контактовый метаморфизм	Альбит-эпидотовых роговиков	—	250—500	Роговики контактовые, скарны
Амфиболовых роговиков	450—670
Пироксеновых роговиков	630—800
Санидиновая	> (720—800)
Регинальный метаморфизм	Зелёных сланцев	200—900	300—600	Зелёные сланцы, хлорит-серицитовые сланцы
Эпидот-амфиболитовая	500—650	Амфиболиты, слюдяные сланцы
Амфиболитовая	550—800	Амфиболиты, биотитовые парагнейсы
Гранулитовая	> (700—800)	Гранулиты, гиперстеновые парагнейсы
Кианитовые сланцы	> 900	500—700	Кианитовые сланцы
Эклогитовая	Эклогиты

 

Задание № 37. Физические свойства и химический состав подземных вод.

При оценке свойств подземных вод исследуют вкус, запах, цвет, прозрачность, температуру и другие физические свойства подземной воды, которые характеризуют так называемые органолептические свойства воды (определяемые при помощи органов чувств). Органолептические свойства могут резко ухудшаться при попадании в воду естественным или искусственным путем раз­личных примесей (минеральных взвешенных частиц, органиче­ских веществ, некоторых химических элементов).

Температура подземных вод колеблется в широких пределах в зависимости от глубины залегания водоносных слоев, особенно­стей геологического строения, климатических условий и т. д. Раз­личают воды холодные (температура от 0 до 20 °С), теплые, или субтермальные, воды (20—37 °С), термальные (37—100 °С), пере­гретые (свыше 100 °С). Очень холодные подземные воды цирку­лируют в зоне многолетней мерзлоты, в высокогорных районах; перегретые воды характерны для районов молодой вулканической деятельности. На участках водозаборов чаще всего температура воды 7—11 °С.

Химически чистая вода бесцветна. Окраску воде придают ме­ханические примеси (желтоватая, изумрудная и т. д.). Прозрач­ность воды зависит от цвета и наличия мути. Вкус связан с со­ставом растворенных веществ: соленый — от хлористого натрия, горький — от сульфата магния и т. д. Запах зависит от наличия газов биохимического происхождения (сероводород и др.) или гниющих органических веществ.

Плотность воды — масса воды, находящаяся в единице ее объе­ма. Максимальная она при температуре 4 °С. При повышении тем­пературы до 250 °С плотность воды уменьшается до 0, 799 г/см³, а при увеличении количества растворенных в ней солей повышается до 1, 4 г/см³. Сжимаемость подземных вод характеризуется коэффи­циентом сжимаемости, показывающим, на какую долю первонача­льного объема жидкости уменьшается объем при увеличении дав­ления на 10⁵ Па. Коэффициент сжимаемости подземных вод составляет 2, 5 • 10^-5...5 • 10^-5 Па, т. е. вода в некоторой степени об­ладает упругими свойствами, что важно при изучении напорных подземных вод.

Вязкость воды характеризует внутреннее сопротивление час­тиц ее движению. С повышением температуры вязкость подзем­ных вод уменьшается.

Электропроводность подземных вод зависит от количества растворенных в них солей и выражается величинами удельных сопротивлений от 0, 02 до 1, 00 Ом*м

Радиоактивность подземных вод вызвана присутствием в ней радиоактивных элементов (урана, стронция, цезия, радия, газооб­разной эманации радия-радона и др.). Даже ничтожно малые кон­центрации — сотые и тысячные доли (мг/л) некоторых радиоак­тивных элементов — могут быть вредными для здоровья человека.

Химический состав подземных вод. Все подземные воды всегда содержат в растворенном состоянии большее или меньшее коли­чество солей, газов, а также органических соединений.

Растворенные в воде газы (0₂, С0₂, СН₄, H₂S и др.) придают ей определенный вкус и свойства. Количество и тип газов обу­словливает степень пригодности воды для питьевых и технических целей. Подземные воды у поверхности земли нередко бывают за­грязнены органическими примесями (различные болезнетворные бактерии, органические соединения, поступающие из канализаци­онных систем, и т. д.). Такая вода имеет неприятный вкус и опасна для здоровья людей.

Соли. В подземных водах наибольшее распространение имеют хлориды, сульфаты и карбонаты. По общему содержанию раство­ренных солей подземные воды разделяют на пресные (до 1 г/л растворенных солей), солоноватые (от 1 до 10 г/л), соленые

(10—50 г/л) и рассолы (более 50 г/л). Количество и состав солей устанавливается химическим анализом. Полученные результаты вы­ражают в виде состава катионов и анионов (в мг/л или мг-экв/л).

Суммарное содержание растворенных в воде минеральных ве­ществ называют общей минерализацией, о величине которой судят по сухому или плотному остатку (в мг/л или г/л), который полу­чается после выпаривания определенного объема воды при тем­пературе 105—110°С. Между общей минерализацией подземных вод и их химическим составом существует определенная зависи­мость.

В природных условиях общая минерализация подземных вод исключительно разнообразна. Встречаются подземные воды с ми­нерализацией от 0, 1 г/л (высокогорные источники) до 500—600 г/л (глубокозалегающие воды Ангаро-Ленского артезианского бассей­на). Общая минерализация — один из главных показателей качест­ва подземных вод.

В подземных водах присутствует несколько десятков химиче­ских элементов периодической системы Менделеева. До 90 % всех растворенных в водах солей ионы Cl^-, SO₄^2-, HCO₃^-, Na⁺, Mg²⁺, Са²⁺, К⁺. Железо, нитриты, нитраты, водород, бром, йод, фтор, бор, радиоактивные и другие элементы содержатся в воде в меньших количествах. Однако даже в небольших количествах они могут оказывать существенное влияние на оценку пригодно­сти подземных вод для различных целей. Наилучшими питьевы­ми качествами обладают воды при рН = 6, 5...8, 5.

Количество растворенных солей не должно превышать 1, 0 г/л. Не допускается содержание вредных для здоровья человека хими­ческих элементов (уран, мышьяк и др.) и болезнетворных бакте­рий. Последнее в известной мере может быть нейтрализовано об­работкой воды ультразвуком, хлорированием, озонированием и кипячением. Органические примеси устанавливаются бактериоло­гическим анализом. Вода для питьевых целей должна быть бес­цветна, прозрачна, не иметь запаха, быть приятной на вкус.

Жесткость и агрессивность подземных вод связаны с присутст­вием солей. Жесткость воды — это свойство, обусловленное содер­жанием ионов кальция и магния, т. е. связанная с карбонатами, и вычисляется расчетным путем по общему содержанию в воде гид­рокарбонатных и карбонатных ионов. Жесткая вода дает большую накипь в паровых котлах, плохо мылится и т. д. В настоящее время жесткость принято выражать количеством миллиграмм-эквивален­тов кальция и магния, 1 мг-экв жесткости соответствует содержа­нию в 1 л воды 20, 04 мг иона кальция или 12, 6 мг иона магния. В других странах жесткость измеряют в градусах (1 мг-экв = 28°). По жесткости воду разделяют на мягкую (менее 3 мг-экв или 8, 4°),

средней жесткости (3—6 мг-экв или 8, 4°), жесткую (6—9 мг-экв или 16, 8—25, 2°) и очень жесткую (более 9 мг-экв или 25, 2°). Наи­лучшим качеством обладает вода с жесткостью не более 7 мг-экв. Жесткость бывает постоянной и временной. Временная жесткость связана с присутствием бикарбонатов и может быть устранена ки­пячением. Постоянная жесткость, обусловленная серно-кислыми и хлористыми солями, кипячением не устраняется. Сумму времен­ной и постоянной жесткости называют общей жесткостью.

Агрессивность подземных вод выражается в разрушительном воздействии растворенных в воде солей на строительные материа­лы, в частности, на портландцемент. Поэтому при строительстве фундаментов и различных подземных сооружений необходимо уметь оценивать степень агрессивности подземных вод и опреде­лять меры борьбы с ней. В существующих нормах, оценивающих степень агрессивности вод по отношению к бетону, кроме химиче­ского состава воды, учитывается коэффициент фильтрации пород. Одна и та же вода может быть агрессивной и неагрессивной. Это обусловлено различием в скорости движения воды — чем она вы­ше, тем больше объемов воды войдет в контакт с поверхностью бетона и, следовательно, значительнее будет агрессивность.

По отношению к бетону различают следующие виды агрес­сивности подземных вод:

• общекислотная — оценивается величиной рН, в песках вода считается агрессивной, если рН < 7, а в глинах — рН< 5;

• сульфатная — определяется по содержанию иона SO₄^2-; при содержании SO^2- в количестве более 200 мг/л вода становится аг­рессивной;

• магнезиальная — устанавливается по содержанию иона Mg²⁺;

• карбонатная — связанная с воздействием на бетоны агрессив­ной углекислоты, этот вид агрессивности возможен только в пес­чаных породах.

Агрессивность подземных вод устанавливают сопоставлением данных химических анализов воды с требованиями нормативов. После этого определяют меры борьбы с ней. Для этого использу­ют специальные цементы, производят гидроизоляцию подземных частей зданий и сооружений, понижают уровень грунтовых вод устройством дренажей и т. д.

Агрессивное действие подземных вод на металлы (коррозия ме­таллов). Подземная вода с растворенными в ней солями и газами может обладать интенсивной коррозионной активностью по от­ношению к железу и другим металлам. Примером может служить окисление (разъедание) металлических поверхностей с образова­нием ржавчины под действием кислорода, растворенного в воде:

2Fe+O₂=2FeO

4FeO+O₂=2Fe₂O₃

Fe₂O₃+3H₂O=2Fe(OH)₃

Подземные воды обладают коррозионными свойствами при содержании в них также агрессивной углекислоты, минеральных и органических кислот, солей тяжелых металлов, сероводорода, хлористых и некоторых других солей. Мягкая вода (с общей же­сткостью менее 3, 0 мг-экв) действует значительно агрессивнее, чем жесткая. Наибольшему разъеданию могут подвергаться ме­таллические конструкции под влиянием сильнокислых (рН < 4, 5) и сильнощелочных вод (рН > 9, 0). Коррозии способствует повы­шение температуры подземной воды, увеличение скорости ее движениями, электрические поля в грунтовых толщах.

Оценка коррозионной активности вод по отношению к неко­торым металлам производится по действующему ГОСТу. После этого, согласно СНиПа, выбирают мероприятия по предотвраще­нию возможной коррозии.

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: