Конспект лекций по геологии. Конспект лекций по инженерной геологии направление подготовки Строительство Профиль Промышленное и гражданское строительство
 Скачать 2.57 Mb.
|
|
Текстура характеризует способ заполнения пространства горной породы. Она отражает особенности внешнего строения: массивность, слоистость, пористость и т. п., соответственно бывает массивная, слоистая, макропористая (рис. 2.2). При образовании магматических горных пород магма – расплавленное силикатное вещество – поступает в толщу земной коры и на ее поверхность из магматических очагов в верхней мантии. Если магма не достигает поверхности и отвердевает на глубине, то в толще земной коры образуются глубинные (интрузивные) магматические породы. Если магма выливается на поверхность и отвердевает – формируются излившиеся (эффузивные) магматические поро- ды. 16 Твердение магмы на глубине происходит медленно, при высоком дав- лении. Этот процесс длится иногда тысячи и миллионы лет. За это время успевают выкристаллизоваться все минералы. Сначала кристаллизуются наибо- лее тугоплавкие из них, а потом минералы с более низкой температурой плавления. Твердение магмы на небольшой глубине или на поверхности земной коры происходит быстро, при низком давлении. В этих условиях успевают выкристаллизоваться лишь наиболее тугоплавкие минералы, а остальные отвердевают, образуя микрокристаллическую или аморфную массу. Вылитая на поверхность магма имеет название лавы. Из лавы бурно выделяются газы, которые там содержатся и вспенивают ее. В результате застывшая лава бывает в той или иной мере пористой. Особенности условий образования глубинных и излившихся пород обусловливают определенную структуру и текстуру этих пород. Для глубинных пород характерны полнокристаллическая структура и массивная текстура, а для излившихся – порфировая или аморфная структура и пористая или флюидальная текстура. В зависимости от содержания в магматических породах SiО 2 как в виде кварца, так и в составе разных силикатов, они делятся на кислые (SiО 2 > 65 %), средние (SiО 2 = 52 – 65 %), основные (SiО 2 = 40 – 52 %) и ультраосновные (SiО 2 < 40 %). У каждой глубинной породы есть аналог среди излившихся, поскольку они имеют одинаковый исходный продукт (магму). Общие сведения об основных магматических породах приведены в табл. 2.1. Основная масса магматических пород сконцентрирована в гранитном и базальтовом слоях земной коры, которые образовались в начале геологи- ческой истории путем продолжительного процесса выплавки относительно легкого вещества в верхней мантии и его поднятия к поверхности. Но процесс образования магматических пород происходил и в дальнейшем. Магматические Рис. 2.1. Виды структур горных пород: а – магматические породы; І – полнокрис- таллическая; ІІ – полукристаллическая; ІІІ – аморфная; б – осадочные породы; І – обломочная (псаммитовая); ІІ – брекчие- видная; ІІІ – органогенная (фитопелитовая); 1 – зерна; 2 – аморфное вещество; 3 – глина; 4 – обломки; 5 – остатки растений ІІ ІІІ І ІІ ІІІ І 1 3 4 5 1 1 1 2 б а Рис. 2.2. Текстура горных пород: а – массивная; б – слоистая; в – макро- пористая; г – рассеянная; д – флюидальная; е – хаотическая д е г б в а 17 породы образовывались во время проникновения магмы в толщу уже сформи- ровавшейся земной коры или в процессе выливания ее на поверхность. При этом формировались характерные формы залегания магматических горных пород: глубинных – батолиты, штоки, лакколиты и жилы; излившихся – покровы и потоки (рис. 2.3). Таблица 2.1 Основные магматические горные породы Деление по содер- жанию SiO 2 Глубинные породы Излившиеся породы Минеральный состав структура порфировая структура аморфная древние молодые Кислые Средние Основные Ультра- основные Гранит Сиенит Диорит Габбро Перидотит Кварцевый порфир Бескварце- вый порфир Порфирит Диабаз Липарит Трахит Андезит Базальт Пикрит Обсидиан, пемза Кварц, полевой шпат, биотит, роговая обманка Полевой шпат, роговая обманка, иногда биотит Полевой шпат, роговая обманка, иногда авгит Авгит, роговая обманка, полевой шпат, иногда оливин Оливин, авгит Батолиты – это огромные магматические тела, образованные на значи- тельной глубине, которые прослеживаются в горизонтальном направлении на десятки километров. Считают, что нижняя часть батолита достигает магма- тического очага. Штоки – это магматические тела, вытянутые в вертикальном направлении, с размерами в плане до нескольких километров. Лакколиты – магматические тела караваеобразной формы, имеющие размер в поперечнике 1 Рис. 2.3. Формы залегания магматических горных пород: 1 – батолиты; 2 – штоки; 3 – лакколиты; 4 – жилы; 5 – покровы; 6 – потоки 1 2 3 4 4 4 5 6 18 от сотен метров до нескольких километров. Иногда лакколиты вследствие разрушения пород вокруг них оказываются на поверхности, образуя отдельные горы как, например, Машук и Бештау на Кавказе. Жилы формируются в трещинах пород, куда под давлением попадает магма. Толщина жил обычно не превышает нескольких метров. Покровы находятся на поверхности земной коры, их толщина колеблется от нескольких метров до нескольких километров. Покровы занимают иногда десятки и сотни тысяч квадратных километров. Потоки образуются из магмы, которая застывает на склонах. В условиях естественного залегания массивы магматических пород разделены системой трещин на отдельные глыбы – отдельности. Трещины возникают в процессе твердения магмы вследствие уменьшения ее объема. Каждой магматической породе присуща определенная форма отдельности: у гранитов – матрацевидная, у базальтов – столбчатая. Кроме трещин разделения, есть трещины деформаций, которые возникают под влиянием внешних (отно- сительно массива) сил, например трещины, которые появляются при земле- трясениях. Образование осадочных пород связано с процессами выветривания и денудации. Выветривание – процесс разрушения горных пород под влиянием колебания температуры воздуха, солнечных лучей, воды, которая замерзает, атмосферы и организмов, а также растворяющего действия воды. Продукты выветривания не всегда остаются на месте образования. Они перемещаются поверхностными текучими водами, движущимися под воздействием силы тя- жести и ветра со льдом ледников в пониженные места – к подножию склонов, в долины и впадины, на дно озер, морей и океанов. В низинах продукты выветривания накапливаются и уплотняются, образуя осадочные горные поро- ды. Выветривание бывает физическое, химическое и органическое. Под влиянием физического выветривания, которое вызывается коле- банием температур, механическим действием замерзающей воды, морского прибоя, ветра и другими факторами, горные породы распадаются на отдельные глыбы, обломки и минеральные зерна. При химическом выветривании горные породы испытывают более глубо- кие изменения. В этом случае образуются новые минералы. Химическое вы- ветривание происходит или как прямое растворение горных пород водой, в ко- торой содержится кислород, углекислота и прочие вещества, или в виде разных химических реакций (окисление, карбонизация и т. п.). Например, химическое выветривание ортоклаза происходит по такой схеме: К 2 О·Аl 2 О 3 ·6Si 2 +СО 2 +ЗH 2 O→К 2 СО 3 +Al 2 O 3 ·2Si 2 ·2H 2 O+4Si 2 +n·H 2 O Органическое выветривание является результатом жизнедеятельности растительных организмов, которые корнями механически разрушают горные породы, причем разные кислоты, выделяемые организмами, служат причиной химического преобразования минералов. В пустынях и высокогорных районах преобладает физическое выветри- вание. В условиях континентального и тропического климата физическое 19 выветривание дополняется химическим и органическим. Масштабы этих про- цессов очень большие. Каждый год из материков в моря и океаны выносится около 5,5 млрд т веществ в растворах и до 30 млрд т в обломках. Вследствие накопления продуктов выветривания происходят их уплотнение и цементация. Осадочные горные породы делятся на обломочные, химические и органогенные. Обломочные породы образовались из продуктов выветривания, перенесенных и отложенных в виде кусков разнообразной величины. Они могут быть рыхлыми и сцементированными разными естественными ма- териалами – глинистыми, железистыми, известняковыми, кремнистыми и т. п. Химические породы образовались вследствие выпадения в осадок веществ из насыщенных растворов при изменении их параметров. Эти породы образуются главным образом в зоне мелкого моря. Органогенные породы возникли в результате жизнедеятельности организмов, большинство которых живут в воде и усваивают из нее вещества для формирования ракушек или скелетов и, отмирая, формируют толщу горных пород. Некоторые породы этого типа обра- зованы из растительного вещества как на суше, так и в воде. Характеристика главнейших осадочных пород представлена в таблице 2.2. Таблица 2.2 Основные осадочные горные породы Обломочные Химические Органогенные рыхлые сцементированные Галька Гравий Щебень Дресва Песок Супесь Суглинок Глина Конгломерат Брекчия Песчаник Алевролит Аргиллит Гипс Ангидрит Каменная соль Известняк – Известняк Доломит Мел Торф Уголь Минералогический состав осадочных горных пород определяется усло- виями их образования. Например, в обломочных породах он отвечает мине- ралогическому составу той породы, из которой они образовались. Многие породы 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. Что касается текстуры, то большинство осадочных пород имеет слоис- тый состав. Формы залегания осадочных пород показаны на рис. 2.4. Пласты осадочных пород в условиях ненарушенного залегания горизонтальны. Мощ- ность толщи осадочных горных пород в земной коре достигает 15 – 20 км в геосинклиналях. 20 Метаморфические породы сформировались из магматических и осадоч- ных вследствие их изменения под влиянием высоких температур и давления. Этот процесс получил название метаморфизма. Различают региональный, дислокационный и контактовый метаморфизм. Региональный метаморфизм развивается на большой глубине и охваты- вает значительные пространства. Этот процесс связан с погружением отдель- ных участков земной коры на значительную глубину под весом осадков, кото- рые накапливаются во впадинах, или вследствие движений земной коры. На глубине исходные породы под влиянием высокого давления и относительно высоких температур перекристаллизируются, находясь в твердом состоянии. Дислокационный метаморфизм, или динамометаморфизм, происходит при горообразовании, если массивы горных пород испытывают большое одностороннее сжатие, которое предопределяет их перекристаллизацию. Контактовый метаморфизм обусловлен температурным влиянием на вмещающие породы магмы, которая проникает в толщу земной коры. Вдоль контакта с магмой эти породы испытывают плавление и обжиг с последующей их перекристаллизацией, Кроме того, на них влияют химически активные ве- щества, которые выделяются из магмы. Минералогический состав метаморфических пород в основном такой же, как и первичных магматических и осадочных. 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. Это обусловлено характерным развитием кристаллических зерен при перекристал- лизации – длинной осью в направлении, перпендикулярном к направлению преобладающего давления. Встречаются породы и с массивной текстурой. Основные метаморфические породы образуются таким образом: гнейсы – из магматических (ортогнейсы) и осадочных (парагнейсы) глинистых пород, они имеют сланцеватую текстуру; филлиты – из глинистых пород, текстура – сланцеватая; слюдяные сланцы – из глинистых пород вследствие глубокого видоизменения, текстура – сланцевая; мраморы – из известняков и доломитов, Рис. 2.4. Формы залегания осадочных пород: 1 – параллельное наслоение; 2 – выклинивание пласта; 3 – линзообразные залежи; 4 – мешок, или карман; 5 – шлейф 3 3 2 1 4 5 21 текстура – массивная; кварциты – из песков и песчаников, текстура – массивная. Метаморфические горные породы не имеют определенной формы залегания, она определяется тем, как залегают те породы, из которых они образовались. 2.2. Общие законы образования горных пород Горные породы в литосфере расположены не хаотично, а закономерно, в определенном порядке. На поверхности возникают и лежат рыхлые глинис- тые и обломочные образования, минерал опал. Местами, в районах современ- ного вулканизма, они перекрыты аморфными стекловатыми и порфировыми породами: базальтами, липаритами, андезитами и их пирокластическими разностями: рыхлыми – тефрой или сцементированными – туфами. Практика бурения глубоких скважин показывает, что с увеличением глу- бины рыхлые глинистые и обломочные породы сменяются сцементирован- ными глинистыми (аргиллитами) и обломочными (песчаниками, алевролитами, конгломератами) отложениями. Ниже их распространены кристаллические сланцы, затем гнейсы, переходящие через гранитогнейсы в граниты. С погружением в недра литосферы скопления створок раковин моллюс- ков (рыхлых микрокристаллических пород, в которых кристаллы кальцита обычно простым глазом не видны) становятся известняками (мелкокристалли- ческими породами), которые постепенно превращаются в кристаллические из- вестняки, потом в мраморизованные известняки и, наконец, в мраморы крупно- кристаллической структуры (рис. 2.5). Кварцевый песок преобразуется сначала в кварцевый песчаник, затем в кварцитовидный песчаник и кварцит. Базальт с погружением на глубину превращается в амфиболит, а затем постепенно становится гранитом. Рис. 2.5. Разрез видимой части литосферы 22 Ознакомившись с горными породами, их расположением, можно выяс- нить объективно существующие связи или законы структуры литосферы, ее энергетики, химического состава ее вещества. Сначала сформулируем закон изменения структуры горных пород по мере погружения их от поверхности в недра каменной оболочки земного шара. Закон изменения структуры горных пород По мере погружения в недра литосферы структура горных пород изменяется от аморфной, тонкодисперсной и обломочной до все более крупнокристаллической. Для понимания сущности закона выведем из него некоторые следствия: 1. Ниже крупнокристаллического гранита могут быть породы еще более крупнокристаллического строения, чем гранит. 2. Ниже крупнокристаллического гранита не могут находиться породы с меньшим размером кристаллов, чем у гранита, тем более аморфные. 3. Ниже крупнокристаллического гранита не может залегать базальт аморфной структуры. Объяснение этому состоит в том, что при погру- жении в недра литосферы аморфный базальт начнет кристаллизо- ваться и перестанет быть таковым. Закон изменения энергонасыщенности горных пород Рассмотрим основные свойства аморфных и кристаллических веществ (табл. 2.3). Таблица 2.3 Характеристика аморфных и кристаллических веществ Признак Аморфные вещества Кристаллические вещества 1. Расположение атомов Беспорядочное Упорядоченное, в виде кристаллической решетки 2. Расстояние между атомами Большее, чем в кристалли- ческих веществах Меньшее, чем в аморфных веществах 3. Энергонасыщенность или содержание потенциаль- ной энергии Большая, чем в кристалли- ческих веществах Меньшая, чем в аморфных веществах 4. Энтропия или мера беспорядка Большая, чем в кристалли- ческих веществах Меньшая, чем в аморфных веществах 5. Плотность Меньшая, чем в кристалли- ческих веществах Большая, чем в аморфных веществах 6. Физические свойства Одинаковы во всех направ- лениях – изотропные (равносвойственные) Одинаковы в параллельных направлениях и неодинаковы в непараллельных направлениях – анизотропные 23 Расстояния между атомами в аморфных веществах больше, чем в крис- таллических телах. На раздвижение атомов тратится энергия, аккумулирован- ная в веществе, которая может выделиться в виде тепловой при сближении ато- мов, то есть при переходе аморфных тел в кристаллические. Вот почему энерго- насыщенность аморфных веществ больше энергонасыщенности кристалли- ческих. Например, вода – аморфное вещество, а лед – кристаллическое. Чтобы лед перевести в воду, его нужно нагреть или добавить в него энергию. Стало быть, энергонасыщенность льда меньше, чем воды. Теперь мы можем форму- лировать следующий закон. |