Геология как наука. Генезис минералов, его значение для строительства
 Скачать 1.5 Mb.
|
|
Содержание
Генезис минералов, его значение для строительства. Генезис минералов (минералообразование) - учение о генезисе минералов занимается процессами образования минералов. Минералы представляют из себя определенные химические соединения или изоморфные смеси таких соединений (см. изоморфизм), образовавшиеся естественным путем на Земле. Каждый минерал является памятником физического или химического процесса, шедшего на Земле, иногда в весьма отдаленное от нас время. Изучив минералы какого-нибудь определенного места на земном шаре и определив генезис их, мы можем восстановить картину химических процессов, один за другим шедших в этой местности. От этих частных проявлений химической жизни Земли можно перейти к более общим представлениям о генетических условиях различных частей земного шара по отношению к поверхности и изменению этих условий генезиса минералов в слоях различной глубины, наконец, изменение генетических явлений с течением времени. В этом заключается научный и практический интерес изучения генезиса минералов. Зная условия генезиса определенного минерала, его устойчивость при природных условиях можно прогнозировать при каких условиях и в каких местностях можно ждать тех или иных руд и месторождений важных металлов. Эти и тому подобные вопросы могут быть решены только при широком развитии и распространении учения о генезисе минералов, которые отчасти и сложились под влиянием практических потребностей. Все геологические процессы, происходящие на Земле, принято называть эндогенными, т.е. происходящими внутри Земли (в земной коре, астеносфере или мантии), и экзогенными, т.е. происходящими непосредственно на земной поверхности или близ нее. Так минералогами выделяются эндогенные и экзогенные процессы минералообразования и парагенетические ассоциации. Процессы минералообразования легко сгруппировать по источникам энергии в три группы. Процессы магматогенные (гипогенные). Образование минералов непосредственно связано с застыванием и кристаллизацией расплавленной магмы, внедряющейся в толщу земной коры или же изливающейся на земную поверхность при вулканических извержениях. Магма — «огнежидкий» расплав-раствор — в основном состоит из соединений кремния (силикатов) и содержит все известные химические элементы. Если магма не может преодолеть сопротивления вышележащей толщи пород и не прорывается на земную поверхность, то она постепенно застывает и в ней начинается массовая кристаллизация силикатов, т. е. минералов, содержащих кремнезем. К ним относятся породообразующие минералы, слагающие граниты, сиениты, диориты и другие кристаллические породы. В наибольшем количестве в этих породах содержатся полевые шпаты, роговые обманки, слюды, граниты, оливин и др. Для своего образования они заимствовали из магмы кремний, кальций, алюминий, железо, магний, натрий, калий, титан, кислород, водород. Следовательно, в процессе кристаллизации происходит обеднение магмы этими элементами и обогащение остаточного расплава (по терминологии академика А. Е. Ферсмана) летучими веществами и тяжелыми элементами. Температура внедряющейся в земную кору магмы около 1200° С. К концу процесса кристаллизации она падает на 500—600° С, и остаточный расплав внедряется в трещины закристаллизовавшихся пород, уже имея 500—600° С. Образовавшиеся таким образом пегматитовые жилы характеризуются очень крупными размерами (до 50 см и более) слагающих их кристаллов полевых шпатов, кварца, слюд и почти постоянным присутствием кристаллов берилла, турмалина, монацита, минералов редких элементов и т. п. Это настоящие природные музеи, как их называют минералоги. Есть и другие пути образования пегматитов. Часть летучих веществ вместе с соединениями ценных металлов проникает по трещинам в толщу уже закристаллизовавшихся пород. Воздействуя на слагающие их минералы, эти вещества изменяют их, образуя новые. Таким путем образуются в гранитах характерные горные породы — грейзены, состоящие из кварца, светлых слюд, топаза, редких элементов, а также ценные вольфрамовые, молибденовые, оловянные и редкометалльные руды. При дальнейшем падении температуры начинает выделяться вода в капельно-жидком состоянии, образуя гидротермальные растворы (“горячеводные” в переводе с греч.). Из таких растворов образовались многие месторождения золота, серебра, меди, свинца, цинка, урана, олова, сурьмы, ртути, мышьяка и др. Обычная форма выделения— кварцевые жилы, часто с кальцитом, флюоритом, баритом. Летучие соединения, взаимодействуя с вмещающими породами, образуют новые минералы, нередко слагающие ценные месторождения. Вторую группу процессов представляют метаморфические (эндогенные), вызывающие изменения горных пород в глубинах земного шара под влиянием господствующих в недрах высоких температур и давлений. Эти весьма сложные процессы возникали в связи с изменениями геологической обстановки и первоначального залегания пород. Различают следующие типы метаморфизма: региональный, захватывающий значительные площади и происходящий на больших глубинах (при этом образуются сланцы, гнейсы); контактовый — возникает при действии внедрившейся магмы, особенно гранитной, на известняки, мергель, которые переходят в мраморы и скарны — породы, состоящие из гранитов, пироксенов и других минералов. С этими породами иногда связаны крупнейшие месторождения железа, а также вольфрама, молибдена, олова и кобальта. Третьей группой процессов минералообразования являются экзогенные, обусловленные внешними факторами, связанными с деятельностью Солнца. Эти процессы происходят вблизи земной поверхности в условиях невысокой температуры и обычного атмосферного давления. Сущность их состоит в том, что обнажающиеся на поверхности, а также залегающие на небольших глубинах породы, руды подвергаются разрушению — выветриванию под воздействием экзогенных факторов. При первоначальном механическом (или физическом) разрушении породы растрескиваются, рассыпаются на составляющие минералы, которые переносятся реками, атмосферными водами, ветром. Легкие минералы уносятся, а более прочные и тяжелые, скопляясь, образуют россыпи золота, платины, алмаза, циркона, минералов вольфрама и олова, гранатов, магнетита и др. Большинство породообразующих минералов, особенно полевые шпаты, подвергается при этом разрушению и растворению. Эти растворы поступают в реки, подземные воды и затем в замкнутые озера и океан, повышая в них запасы солей. В районах с засушливым климатом происходит осаждение различных солей с образованием месторождений гипса, мирабилита, каменной соли, калийных и других “солеобразных” минералов под действием атмосферных и подземных вод (особенно содержащих кислород, окислы азота, углекислый газ), низших организмов, растений и человека происходит постоянное видоизменение всей поверхности Земли. Иначе говоря, минералообразование происходит в результате взаимодействия факторов атмосферы, гидросферы и биосферы на верхнюю пленку земной коры, на уже имевшиеся минералы. Поэтому такие вновь образовавшиеся минералы называются гипергенными (“заново образовавшимися” в переводе с греч.). Большое значение имеют биохимические осадки, образующиеся в результате жизнедеятельности организмов. К ним относятся горючие ископаемые, известняки, мел, некоторые бурые железняки, самородная сера, фосфориты, выделившиеся при участии бактерий и водорослей. Интересно напомнить, что имеются крупные месторождения, например урана, связанные с торфом, каменными углями, нефтью, фосфоритами (см. биоминералогия). Впервые интерес к генезису минералов проявился в горных странах. Брейтгаупт в первой половине нашего столетия соединил в единое целое опыт рудокопов и наблюдения ученых (напр. Фурнэ и др.), создав учение о парагенезисе. Интерес несколько ослаб к 60-80 гг. XX столетия, но теперь мы присутствуем при новом возбуждении интереса к вопросам генезиса минералов. Явление агрессивности природных вод. Опорные конструкции в основном изготавливаются из бетона. Можно выделить три вида агрессивного воздействия воды, на бетонные конструкции. К первому виду коррозии, оказывающему воздействие в виде выщелачивания растворимых компонентов бетона, относится бикарбонатная щелочность. Второй вид коррозии образовывает растворимые соединения, в результате обменных реакций между компонентами цементного камня и жидкой агрессивной среды. Ко второму виду коррозии относятся: водородный показатель pH, содержание свободной углекислоты CO2, Содержание магнезиальных солей (в пересчете на ион Mg), содержание едких щелочей (в пересчете на ионы K и Na). Третий вид коррозии образовывает и накапливает в бетоне малорастворимые соли, характеризующиеся увеличением объема при переходе в твердую фазу. К третьему виду коррозии относятся содержание сульфатов (в пересчете на ионы SO4), содержание едких щелочей (хлоридов, сульфатов, нитратов). Агрессивность по содержанию бикарбонатной щелочности Общая щелочность воды обуславливается анионами слабых кислот: HCO3, CO3, H3SiO4 и др. Общая щелочность выражается в миллимолях кислоты, необходимой для ее нейтрализации до значений pH =4. Оценка агрессивности воды приводится по содержанию бикарбонатной щелочности HCO3. При содержании бикарбонатной щелочности более 1,4 ммоль/л вода будет неагрессивной для всех случаев безнапорных сооружений, а при содержании более 2,0 ммоль/л – неагрессивной и для всех случаев напорных сооружений. Бикарбонатная щелочность природных вод не может быть ниже 0,7 ммоль/л, поэтому по степени воздействия на бетон по 1 виду коррозии не нормируется как «сильноагрессивная». Агрессивность по водородному показателю (pH) Обычно природные воды имеют водородный показатель, изменяющийся от 6 до 8. Этот показатель снижается до величин 5,5-5 в ультрапресных подземных водах хлоридно-кальциевого типа и некоторых углекислых минеральных водах. В болотных водах pH иногда снижается до 4,5-4. Особо низкие значения pH отмечаются для верховых болот (4,0-4,9). Для переходных болот pH составляет 5,0-5,5,для низинных 6,0-7,0. Дождевые воды имеют pH 6, речные воды – около7, морские воды – 8-9. В отдельных случаях встречаются сильнокислые воды, связанные с сульфидными месторождениями, в которых pH меньше 4. Низкие значения pH могут отмечаться и в водах, связанных с вулканическими проявлениями. Щелочным характером обычно обладают воды открытых пресных водоемов в летний период и воды некоторых термальных источников, где величина этого показателя превышает 9. Воды, связанные с засоленными почвами, имеют pH меньше 10. Агрессивные свойства подземных вод к бетону проявляются при pH меньше 6,5. Агрессивность по содержанию свободной углекислоты (CO2) Свободная углекислота – это газ, растворенный в воде. Та часть свободной углекислоты, которая непосредственно вступает в реакцию с соединениями кальция, называется агрессивной углекислотой. Термин «агрессивная углекислота» является условным. Агрессивные свойства свободной углекислоты зависят как от количества свободной углекислоты, так и от наличия и количества ионов Ca2+,Cl- и SO4 при определенной бикарбонатной щелочности, т.е. от количества компонентов, способных связывать свободную углекислоту и уменьшать тем самым долю агрессивной углекислоты. Таким образом, следует различать свободную, связанную и агрессивную углекислоту. Агрессивная углекислота, определяется экспериментально и путем расчета. Обычно агрессивными свойствами обладают мягкие воды, имеющие кислую реакцию, и болотные воды, содержащие органические кислоты. Агрессивные свойства подземных вод повышаются при значительной инфильтрации дождевых и талых вод. При минимально возможных содержаниях ионов Cl и SO4 и при минимальной бикарбонатной щелочности вода является агрессивной при содержании углекислоты более 15 ммоль/л для сильно- и среднефильтрующих грунтов и более 55 ммоль/л для слабофильтрующих грунтов. Агрессивность по содержанию магнезиальных солей Оценивается по содержани. В пересчете на ион Mg2+. Воды агрессивны при содержании магнезиальных солей более 2000 мг/л в слабофильтрующих грунтах или более 1000 мг/л в остальных случаях. Агрессивность по содержанию едких щелочей Оценивается в пересчете на ионы K+ и Na+. Воды агрессивны при содержании ионов калия и натрия в слабофильтрующих грунтах более 80 г/л, в среднефильтрующих грунтах – более 50 г/л и для напорных сооружений – более 30 г/л. Сульфатная агрессия Этот тип агрессии оценивается по содержанию ионов SO4-. Сульфатная агрессия связана с содержанием хлора и составом бетона. При содержании сульфат — иона менее 300 мг/л во всех грунтах и менее 250 мг/л для напорных сооружений воды неагрессивны. Очень часто сульфатная агрессивность связана с местным загрязнением вод сульфатсодержащими материалами. Агрессивность по содержанию хлоридов, нитратов и других солей едких щелочей Эта агрессивность, как правило, связана с искусственными источниками загрязнения грунтовых вод при суммарном содержании агрессивных ионов более 10 г/л и учитывается только для испаряющих бетонных поверхностей. Для напорных сооружений этот вид агрессивности оценивается по специальным программам. Плотность горных пород. Плотность горных пород— определяется отношением массы горных пород к её объёму. Плотность горных пород зависит от их минерального состава, структурно-текстурных особенностей, пористости, вида вещества, заполняющего поры и пустоты (газ, нефть, вода), а также от условий образования и залегания горных пород. Различают минералогическую плотность горных пород (отношение массы высушенных и измельчённых до исчезновения пор твёрдых частиц породы к объёму, ими занимаемому), плотность абсолютно сухой породы и плотность породы, заполненной флюидами (отношение массы твёрдой, жидкой и газообразной фаз горной породы к объёму, занимаемому этими фазами). Измерение плотности горных пород на образцах ведётся главным образом гидростатическим способом, реже гамма-гамма методами. В естественном залегании плотность горных пород определяют по данным плотностного гамма-гамма-каротажа либо (что менее точно) оценивают по данным гравиметрических исследований в горных выработках или путём расчётов по гравиметрическим съёмкам. Наиболее часто встречаемая плотность горных пород 1200-4700 кг/м3. Более высокие значения (до 5000 кг/м3) характерны для магматических пород, поскольку их пористость мала. Плотность магматических горных пород повышается от кислых разностей к основным и ультраосновным по мере уменьшения содержания лёгкого кремнезёма и постепенного увеличения содержания тяжёлых элементов (например, плотность гранитов в среднем 2600 кг/м3, гранодиоритов 2650 кг/м3, габбро 2900 кг/м3 и пироксенитов 3200 кг/м3). Плотность метаморфических пород изменяется от 2400 до 3400 кг/м3 и зависит от их состава, вида и степени метаморфизма. Например, снижение плотности горных пород (на 20-40%) наблюдается при гидротермально-метасоматических изменениях, увеличение — при контактовом метаморфизме. Плотность осадочных пород составляет 1200-3000 кг/м3 (наиболее часто 1700-2700 кг/м3) и в значительной мере определяется их пористостью, влажностью, фациально-литологическими и тектоническими факторами. Наиболее устойчивые значения характерны для хемогенных осадочных горных пород — гипса (2300 кг/м3), ангидрита (2900 кг/м3), каменной соли (2100-2200 кг/м3), пористость которых редко превышает 2-3%. Плотностная дифференциация горных пород в недрах определяет ряд тектонических и магматических процессов. На различии в плотности горных пород основаны гравиметрическая разведка, отделение более тяжёлых рудных минералов от пустой породы при гравитационном обогащении. Значение плотности горных пород определяет их поведение при их разрушении в процессе добычи Горные породы в зависимости от их водопроницаемости. В гидрогеологическом отношении горные породы подразделяются на водопроницаемые и водонепроницаемые, на рыхлые и скальные. К рыхлым относятся раздельнозернистые породы, сложенные частицами, между которыми отсутствуют структурные связи (гравий, песок разной крупности), и глинистые породы с агрегатной структурой, мельчайшие частицы которых образуют более крупные и сложные агрегаты, связанные между собой. К скальным относятся изверженные, метаморфические и сцементированные осадочные породы (известняки, песчаники, глинистые сланцы и т. п.), имеющие жесткие связи между частицами. Физические и водные свойства рыхлых и скальных пород зависят от их литологического и химико-минерального состава, пористости, трещиноватости и структуры. Горные породы по условиям происхождения и вследствие вторичных процессов (выветривание, растворение и выщелачивание, тектонические движения и др.) не являются абсолютно монолитными и содержат пустоты самых разных размеров и формы. В зависимости от вида и размера пустот различают скважность, обусловленную крупными порами (более 1 мм), ноздреватостью, крупной трещиноватостью и закарстованностью, и пористость, когда в горных породах имеются поры диаметров менее 1 мм и трещины шириной менее 0,25 мм. Скважность и пористость определяют гидрогеологические свойства горных пород. В горных породах, которым присуща скважность, подземная вода передвигается только под действием силы тяжести, а в пористых породах — под действием силы тяжести, поверхностного натяжения и других факторов. Величину пористости необходимо учитывать при решении ряда практических задач в строительстве, водоснабжении, горном деле и т. п. Количественно пористость n выражается отношением объема пустот Vп ко всему объему породы V:  В породах осадочного происхождения (гравий, песок, щебень и т. п.) величина пористости зависит от размера, формы и взаимного расположения слагающих их частиц. Пористость гипотетической породы, состоящей из частиц шаровидной формы одинакового диаметра, в зависимости от их расположения, изменяется от 25,95 до 47,64%. Водоотдача и водопроницаемость пород, обладающих различной пористостью, зависят не только от общей пористости и размера отдельных пор, но и от их расположения в породе и взаимной связи. Если рыхлые породы сложены неоднородным плохо отсортированным материалом, то пустоты между крупными обломками заполнены более мелкими частицами, что уменьшает объем пустот, а, следовательно, и пористость. Среди скальных пород наименьшую пористость имеют изверженные, у которых она обычно не превышает долей процента. Исключением является артикский туф Армении, пористость которого достигает 60%. Пористость глинистых пород, несмотря на очень малую величину отдельных пор, в большинстве случаев превосходит пористость песков и нередко достигает 60% и более; поры в этих породах обычно имеют щелевидную форму. Пористость глинистых пород непостоянна и изменяется в зависимости от степени их увлажнения и величины внешнего давления. К водным (гидрогеологическим) свойствам горных пород относят те, которые проявляются в них при взаимодействии с водой: водопроницаемость; капиллярное поднятие; влагоемкость; водоотдачу; растворимость; набухание; усадку; пластичность; консистенцию. Водопроницаемость — это свойство пород пропускать воду под действием силы тяжести, которое обусловливается их скважностью и пористостью. Не все породы водопроницаемы. Глинистые породы, пористость которых почти всегда выше пористости раздельнозернистых пород (пески и др.), практически не пропускают воду вследствие того, что поры в них очень мелкие и находящаяся в них физически связанная вода не подвержена действию сил гравитации. Ситовой метод. Для песчаных грунтов в настоящее время основным методом является ситовой. Этот метод позволяет определять содержание в грунте фракций диаметром > 0,1 мм, не требует применения сложной аппаратуры, прост для использования и дает достаточно точные результаты. Ситовой метод может быть использован для анализа чистых песков, песков с примесью гравия и гальки (гравелистых песков), а также гравийно-песчаных грунтов [5]. Гранулометрический состав песчаных грунтов следует определять методами, предусмотренными табл. 1. Таблица 1 Методы определения гранулометрического состава песчаных грунтов (Извлечение из гост 12536-79 [2])
Целью лабораторной работы является определение разновидности песчаного грунта по его зерновому составу. В учебной лабораторной работе гранулометрический состав определяется ситовым методом без промывки водой с использованием набора сит диаметром отверстий от 10 до 0,1 мм. По гранулометрическому составу крупнообломочные грунты и пески подразделяют согласно табл. 2 [1]. Таблица 2 Классификация несвязных грунтов (Извлечение из гост 25100-95, табл. Б.10)
Примечание. При наличии в крупнообломочных грунтах песчаного заполнителя более 40 % или глинистого заполнителя более 30 % от общей массы воздушно-сухого грунта в наименовании крупнообломочного грунта добавляется наименование вида заполнителя и указывается характеристика его состояния. Вид заполнителя устанавливается после удаления из крупнообломочного грунта частиц крупнее 2 мм. Степень неоднородности гранулометрического составаCuхарактеризуется показателем неоднородности гранулометрического состава и определяется по формуле Cu=d60/d10 , где d60, d10 – диаметры частиц, мм, меньше которых в грунте содержится соответственно 60 и 10 % (по массе) частиц. По степени неоднородности гранулометрического состава Сu крупнообломочные грунты и пески подразделяют на: однородный грунт (Сu 3) и неоднородный грунт (Сu 3). Необходимое оборудование (рис.1) Набор стандартных сит (размеры отверстий 10; 5; 2; 1; 0,5;0,25;0,1, мм) с поддоном и крышкой (1); лоток для анализируемого грунта (2); чашка фарфоровая для взвешивания фракций (3); лабораторные весы с точностью взвешивания до 0,01 г (4); фарфоровая ступка и пестик с резиновым наконечником (5); кисточка для сметания частиц с сит; грунтовый нож с прямым лезвием; лист белой плотной бумаги размером 25х25 см; сушильный шкаф. 5  Рис. 1. Оборудование, необходимое для определения гранулометрического состава ситовым методом | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||