Горные породы. 1 Горные породы. Осадочные горные породы

• Название: Осадочные горные породы
• Анкор: Горные породы
• Дата: 17.11.2021
• Размер: 1.22 Mb.
• Имя файла: 1 Горные породы.docx
• Тип: Документы; #274652

ОСАДОЧНЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

Осадочные породы типичны для поверхности Земли, составляют около 5 % массы земной коры и занимают 75 % земной суши. Таким образом, строительство автодорог и аэродромов осуществляется в основном на осадочных породах. Эти породы изучает наука литология. Поэтому при характеристике осадочных пород используется термин «литологический состав».

Образование осадочных пород. На земной поверхности все горные породы (магматические, метаморфические, в том числе и осадочные) подвергаются постоянному разрушительному воздействию процес­сов выветривания. Разрушение приводит к образованию обломков или к полному распаду минеральных тел вплоть до образования анио­нов и катионов. Продукты разрушения переносятся по поверхности земли ветрами и водами и накапливаются в виде рыхлых осадков. На­копление осадков происходит как на суше, так и в водной среде (моря, озера, реки и т. д.).

Рыхлые осадки в течение миллионов лет (период диагенеза) пре­вращаются в осадочные горные породы, которые уже имеют опреде­ленный химико-минеральный состав, структуры и свойства. Так в конечном итоге на суше образуются пески, глины, а в морях — из­вестняки, мергели.

Мощность осадочного покрова весьма различна и колеблется в очень широких пределах. Породы, которые образуются на суше, име­ют мощность от нескольких до десятков метров, но в морских услови­ях осадочные толщи обладают мощностью нередко в сотни метров и даже в ряде случаев до 20—25 км. Так, например, в Ростове-на-Дону осадочная толща имеет мощность 400 м, а в Донбассе — более 20 км. Под осадочным покровом залегает гранит.

Особенности осадочных пород. В отличие от магматических и ме­таморфических пород осадочные образования в силу специфических условий происхождения приобретают ряд особенностей. К таким особенностям относятся: 1) вещественный состав; 2) структуры; 3) пористость; 4) органический материал; 5) слоистость; 6) перемен­чивость свойств.

Вещественный состав. Осадочные породы могут состоять из об­ломков породы. Так, гравий и щебень состоят из обломков магмати­ческих или метаморфических пород. Другие породы (глина, песок) сложены минералами. Среди них основное место могут занимать первичные минералы (кварц, полевые шпаты и им подобные) и вто­ричные (кальцит, гипс, соли и др.), которые образовались в периодсуществования пород. Во многих случаях эти вторичные минералы могут оказывать на свойства пород решающее влияние.

Большинство осадочных пород сложены разнообразными минералами, например, песок — кварц, полевые шпаты, слюды, гипс и другие, в то время как другие породы почти полностью состоят из од­ного минерала: известняк — из кальцита, трепел — из опала, гли­на — из каолинита и т. д.

Химический состав пород определяют валовым химическим ана­лизом, который показывает, из каких химических элементов они со­стоят (в пересчете на оксиды) и в каком количестве (в %) эти элемен­ты содержатся. Химический анализ, к примеру, выглядит следующим образом: 40% Si02; 15,5% А1203; 8,2% F203 и т.д.

Структуры осадочных пород весьма разнообразны. В целом они бывают обломочными и сцементированными.

Пористость.

Все осадочные породы обладают пористостью, но ве­личина и характер пористости неодинаковы: 1) общий объем пор в песках бывает около 40 %, а в глинах — до 60 %; 2) величина пор — в глинах их не видно, но в известняках-ракушечниках они хорошо раз­личимы простым глазом; 3)поры бывают открытыми, т. е. соединя­ются друг с другом, как в песке, и закрытыми, как в глине, где поры друг от друга изолированы.

В порах осадочных пород могут находиться газ, вода и органиче­ский материал.

Органический материал.

В осадочных породах органический материал присутствует в двух состояниях: 1) в виде неперегнивших полностью остатков растений, что типично для органоминеральных осадочных пород, и 2) в виде гумуса, который представляет собой аморфные продукты разложения растений. Гумус чаще всего содер­жится в порах пород, окрашивая их в черный цвет.

Слоистость.

Осадочные породы залегают в земной коре в виде слоев, которые образуются в процессе периодического накопления осадков, впоследствии превращающихся в породы. Такое слоистое залегание наблюдается только в осадочных породах.

При характеристике слоистости следует различать следующие по­нятия: 1) элементы и форму слоев; 2) пласты; 3) толщи; 4) сочетание слоев; 5) складки и 6) изменчивость свойств во времени.

Элементы слоев.

На рис. 15 показан слой осадочной породы. По­верхность слоя называется кровлей, нижняя граница — ложем (по­дошвой), расстояние между ними — мощность слоя, которая бывает очень разной — от нескольких сантиметров до сотен метров, что ти­пично для слоев морского происхождения.



Рис. 15. Формы и элементы слоев:

а — нормальный слой; б — линза; в — выклинивающийся слой; / — кровля; 2 — ложе; 3 — мощность

Слои, образовавшиеся на суше, обычно маломощны и занимают небольшие площади.

Форму слоев можно определить по их вертикальному разрезу. Конфигурация слоев бывает нормальная, линзовидная и выклини­вающаяся (см. рис. 15). Форма слоев связана с условиями накопления осадков.

Пластами называют слои, которые резко отличаются по литоло­гическому составу от слоев, лежащих на кровле и под ложем. Пласты занимают большие площади и имеют более или менее одинаковую мощность. В качестве примера можно привести пласты каменного угля, над которыми и под которыми лежат пустые (не угольные) слои.

Толща — это группа слоев сходного литологического состава. В качестве примера можно привести толщи лессовых пород, которые состоят из различных по литологии слоев суглинков при общей мощ­ности 20—30 м.

Сочетание слоев.

Первоначально слои залегают горизонтально, но в какой-то отрезок времени тектонические движения земной коры нарушают их горизонтальность. С течением времени новые слои ло­жатся на них горизонтально. Толщи слоев осадочных пород могут за­легать по отношению друг к другу согласно или несогласно (рис. 16).

Слои, образовавшиеся на суше, обычно маломощны и занимают небольшие площади.

Форму слоев можно определить по их вертикальному разрезу. Конфигурация слоев бывает нормальная, линзовидная и выклинивающаяся (см. рис. 15). Форма слоев связана с условиями накопления осадков.

Пластами называют слои, которые резко отличаются по литологическому составу от слоев, лежащих на кровле и под ложем. Пласты занимают большие площади и имеют более или менее одинаковую мощность. В качестве примера можно привести пласты каменного угля, над которыми и под которыми лежат пустые (не угольные) слои.

Толща — это группа слоев сходного литологического состава. В качестве примера можно привести толщи лессовых пород, которые состоят из различных по литологии слоев суглинков при общей мощности 20—30 м.

Сочетание слоев.

Первоначально слои залегают горизонтально, но в какой-то отрезок времени тектонические движения земной коры нарушают их горизонтальность. С течением времени новые слои ложатся на них горизонтально. Толщи слоев осадочных пород могут залегать по отношению друг к другу согласно или несогласно (рис. 16).

Складки.

После мощных тектонических движений слои земной коры кроме утраты горизонтальности получают иную форму и положение в пространстве. Так возникают складки, которые принято разделять на два вида: складки, образованные без разрыва слоев, и складки с разрывами слоев. На рис. 17 показаны некоторые виды складок:

1) без разрыва слоев — моноклинальные (в виде наклона слоев); антиклинальные (с изгибом вверх) и синклинальные (с изгибом вниз);

2) с разрывом слоев — взбросы и сбросы (с разрывом по одной плоскости), грабены (с разрывом в двух плоскостях и более).



Р и с. 16. Сочетание слоев: а — согласное; б — несогласное



Рис. 17. Залегание слоев осадочных пород в виде складок:

а — моноклинальное; б — антиклинальное; в — синклинальное; г — взброс; д — сброс; е — грабен; / — плоскости разрыва; 2 — направления движения слоев пород

Форма залегания слоев имеет практическое значение. Наиболее благоприятным для строительства автодорог и аэродромов является горизонтальное положение слоев. Залегание слоев в виде складок су­щественно осложняет проектирование и эксплуатацию объектов, так как, например, земляное полотно дороги может лежать на разных осадочных породах, обладающих неодинаковыми свойствами, по ли­ниям разрывов во время землетрясений возможны смещения пород, по ним обычно циркулируют подземные воды.

На свойства осадочных пород существенное влияние оказывают смена температур и вода. Многие породы даже в течение короткого времени могут изменять свойства. В качестве примера приведем глину, которая может иметь совершенно разные свойства, когда она су­хая или мокрая. Это обстоятельство имеет важное значение при оцен­ке строительных свойств осадочных пород.

Классификация осадочных пород основана на их происхождении. Они разделяются на три типа — обломочные, хемогенные и органогенные. Кроме этого их еще делят на два вида по месту образования — на континентальные и морские. Этим подчеркивается, что породы, образующиеся на суше, очень разнообразны по литологи­ческому составу, обычно занимают малые площади, маломощны.

Осадочные породы морского происхождения всегда покрывают большие площади, имеют большие мощности, однотипны политологии (известняки, мергели, гипсы и др.). Породы морского происхождения в инженерной геологии называют «коренными породами», так как они массивные, прочные, стойкие во времени.

Обломочные породы состоят из обломков различных горных пород (магматических, метаморфических и древних осадочных пород — песчаников, известняков) и крупных зерен минералов, образовав­шихся в процессе физического выветривания пород.

В основу классификации обломочных пород положены: 1) размер обломков; 2) форма обломков; 3) рыхлость и сцементированность об­ломочной массы (табл. 5).

К табл. 5 следует сделать некоторые пояснения. Глинистые части­цы к понятию «обломки» отнесены условно, так как их происхожде­ние больше связано не с физическим, а с химическим процессом вы­ветривания. Окатанность обломков (крупнее 2 мм) является резуль­татом переноса их водой.

В природных условиях массы обломков обычно сложены из час­тиц разного размера, поэтому наименования породам дают по тем об­ломкам, которые в этой массе занимают более 50 % объема.

Таблица 5

Классификация обломочных пород



К обломочным породам относят также пирокластические образования, представляющие собой продукты вулканических извержений

в виде песчаных и пылеватых частиц, состоящих из вулканического стекла. В общем виде эти частицы именуют вулканическим пеплом. Отложения пепла создают рыхлые наносы, из которых впоследствии формируются вулканические туфы.

Грубообломочные породы (щебень, гравий и др.) чаще всего зале­гают в горных районах, речных долинах, на морских побережьях, в районах ледниковых отложений.

Щебень и дресва — угловатые обломки горных пород, а галечник и гравий такие же обломки, но окатанной формы. Окатанность об­ломки приобретают в текучей воде рек или на берегах морей. Их свой­ства кроме крупности и формы зависят от петрографического состава обломков.

Песчаные породы встречаются повсеместно. Глинистые образо­вания практически покрывают всю поверхность суши (кроме гор) и составляют около 50 % общего объема осадочных пород.

Свойства рыхлых обломочных пород очень разнообразны и зави­сят от размеров и формы обломков, а также от минералогического и петрографического состава обломков и отдельных минеральных зе­рен (частиц).

Свойства сцементированных пород (песчаников, конгломератов и брекчий) кроме петрографического состава обломков в большой степени зависят от вида цементирующего вещества. Цементировать могут силикатный, железистый и глинистый материалы. Наиболь­шую прочность и водостойкость породам придает силикатный материал и наихудшую — глинистый «цемент». Песчаники с сили­катными цементами по физико-механическим показателям сходны со скальными породами. На рис. 18, а показана сцементированная обломочная порода конгломерат.

Сцементированными породами являются алевролиты и аргилли­ты. Алевролиты — это скрепленные природными цементами пылева­тые частицы, а аргиллиты представляют собой уплотнившиеся гли­ны, которые имеют камнеподобный вид, но на воздухе легко разру­шаются.

Обломочные породы в дорожном строительстве широко исполь­зуют как природный строительный материал и в качестве сырья для изготовления технических каменных материалов.

Хемогенные породы. Эти породы являются результатом выпадения из водных растворов (морей, озер, подземных вод и т. д.) химических осадков в виде минералов. Осадки постепенно накапливаются на дне водоемов и в конечном итоге в процессе диагенеза превращаются в хемогенные породы.

Рис. 18. Горные породы: а — конгломерат; б — известняк-ракушечник; в — мрамор; г — гнейс

Типично хемогенными являются карбонатные, сульфатные и галоидные породы.

Карбонатные породы представляют собой известково-глинистые образования, т. е. практически они состоят из смеси кальцита и глинистых минералов (табл. 6).

Таблица 6

Карбонатные осадочные породы



Среди хемогенных пород наибольшее распространение имеют известняки и мергели, залегающие на обширных пространствах в виде мощных толщ.

Известняки сложены кальцитом с примесью глинистых частиц, кремнезема, оксидов железа. Для них характерны различные структуры — от плотных до пористых (туфы). Хемогенные известняки чаше всего представлены плотными, массивными породами. В таких случаях это хороший строительный камень.

Мергели имеют также плотное сложение, но в их состав кроме кальцита входит много глинистых частиц с примесью песчаных зерен. Мергели являются основным сырьем для производства портландцемента.

К хемогенным породам относятся также доломиты. В их состав входят кальцит (более 50 %), магнезит (до 40 %) и примеси глинистых частиц.

Сульфатные породы представлены различными образованиями, но основное место занимает гипс. Образование его связано с мелководными бассейнами. Галоидные породы формируются примерно в тех же условиях, что и гипс. Гипсы, как и соли, всегда в своих слоях содержат примесь глинистых и других минералов.

Органогенные породы. Эти породы образуются в результате накоп­ления в водной среде остатков животного мира и растений. Остатки в течение длительного времени накапливаются на дне водоемов, про­ходят период диагенеза и в конечном итоге из них формируются по­роды.

Органогенные породы принято разделять по химическому соста­ву: I) карбонатные (известняк-ракушечник, мел); 2) кремнистые (диатомит, трепел, опока); 3) углеродистые (торф, угли, горючие сланцы).

Карбонатные породы. Органогенные известняки образуются за счет скопления известковых остатков организмов. По внешнему виду органогенное происхождение в одних случаях легко устанавливается по слагающим известняк остаткам крупных раковин (размером более 1—2 см). Такие известняки называют ракушечником (рис. 18, б). Из­вестняки-ракушечники отличаются большой пористостью, даже пус- тотностью. В разновидностях таких известняков остатки раковин иногда обнаруживают с трудом ввиду их малой величины или пере­кристаллизации. В этих случаях известняки обычно достаточно плот­ные.

Органогенные известняки залегают в виде пластов мощностью во много метров и широко распространены на территории Северного Кавказа, Нижнего Дона, Урала.

Одной из разновидностей органогенных известняков является мел, образование которого связано с осаждением на дно морей тон­кого (0,001—0,005 мм) карбонатного материала, представляющего собой преимущественно скелеты микроскопических водорослей и организмов.

Кремнистые породы (диатомиты, трепелы, опоки) образуются, когда одновременно действуют химические процессы и накопление органических остатков. Диатомит — это слабо сцементированная по­рода, состоящая из микроскопических скелетов диатомовых водо­рослей, радиолярий и губок с примесью глинистого материала и квар­ца. Трепел сходен с диатомитом и состоит из зернышек минерала опа­ла (размером менее 0,005 мм) с примесью глинистого материала, ок­сидов железа, диатомей. Диатомиты и трепелы залегают слоями. Это породы с большой пористостью.

Опоки имеют также органогенное происхождение, но образуются чаще всего путем цементации кремнистым веществом трепелов и за­легают в виде пластов. Опоки внешне похожи на мергель.

Углеродистые породы — это своеобразные по составу образования (торф, угли — бурые и каменные, горючие сланцы). Общей их харак­терной чертой является горючесть, что обусловлено большим содер­жанием свободного углерода или смесей углеводородов. Особо следу­ет отметить асфальты (горные смолы). Это битуминозные породы, они залегают, создавая асфальтовые озера, натеки и покровы, круп­ные месторождения. Асфальты нашли широкое применение в дорож­ном строительстве.

МЕТАМОРФИЧЕСКИЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

Метаморфические горные породы образуются из осадочных и магматических пород под действием больших давлений и высоких температур, которые свойственны недрам земной коры. Ведущую роль в этих процессах играют тектонические движения. Слово метаморфизм означает превращение. В процессе метаморфизма в осадочных и магматических породах изменяются структура, минеральный состав и в конечном итоге образуются совершенно новые породы — метаморфические.

Процесс метаморфизации осадочных и магматических пород начинает проявляться с глубины примерно 1 км. В процессе метаморфизма образуются разнообразные породы. Это разнообразие обусловлено двумя причинами: видом породы, подвергшейся метаморфизму, и видом метаморфического процесса, воздействовавшего на эту породу.

В зависимости от того, какая порода подвергается метаморфизму, образуется вполне определенная метаморфическая порода. Например, из песка (песчаника) может возникнуть только кварцит, из известняка — мрамор, из гранита — гнейс и т.д. (рис. 18, в и г).

Таблица 7

Изменение пород в зоне метаморфизма



Различают три вида метаморфического процесса: 1) контактный; 2) динамометаморфизм; 3) региональный. Каждый вид связан с определенными факторами метаморфизма, что приводит к образованию разных метаморфических пород.

Контактный метаморфизм. Преобразование пород происходит при их соприкосновении с магмой, которая внедрилась в земную кору. Главными факторами при этом являются высокие температуры, воздействия газов и горячих растворов. В этом процессе рождаются породы с зернистой структурой типа мраморов и кварцитов.

Динамометаморфизм. В данном виде метаморфизма основным фактором является большое давление, которое возникает при горообразовании или в глубине земной коры под весом вышележащих толщ пород. Динамометаморфизм порождает породы сланцеватой текстуры, таких как глинистые сланцы.

Региональный метаморфизм является наиболее распространенным видом, проявляется на больших площадях и в глубинах земной коры. Особенно интенсивен он на глубинах более 6—8 км, где развиты очень большие давления. Эти глубины земной коры называют зоной метаморфизма. В табл. 7 показано, что происходит с некоторыми по­родами по мере их погружения в глубину зоны метаморфизма и какие при этом образуются метаморфические породы.

Метаморфические породы располагаются в основном в горных районах, где они поднялись на поверхность Земли в процессе текто­нических движений земной коры. Форма их залегания практически соответствует форме залегания пород, из которых они образовались.

Минералогический состав метаморфических пород близок к со­ставу магматических пород — кварц, слюды, тальк, хлорит и др. Структура во всех случаях кристаллическая. Текстура в целом пред­ставлена двумя видами: 1) зернистая (массивная), типичная для мра­моров и кварцитов; 2) сланцеватая, что выражается в параллельном расположении чешуйчатых, волокнистых и пластинчатых форм ми­нералов (это типично для динамометаморфизма).

Классификация метаморфических пород основана на структур­но-текстурных характеристиках. Все породы разделяются на массив­ные (зернистые) — кварциты, мраморы и сланцеватые — сланцы и гнейс.

Следует отметить одну особенность метаморфических пород. Мра­моры сложены из кальцита, в то время как все остальные породы состо­ят из минералов силикатов и алюмосиликатов. Мрамор хрупок, состоит из кальцита, который водо- и кислотонеустойчив. Кварцит представля­ет собой исключительно прочную и стойкую к выветриванию породу. Очень многообразны по минеральному составу сланцы. Они бывают слюдистые, тальковые, глинистые, хлоритовые и т.д. Гнейс является конечным продуктом метаморфических преобразований.

В горных районах метаморфические породы служат хорошим ос­нованием для автодорог и могут использоваться как строительные камни. Сланцы используются преимущественно как сырьевой материал (слюдистые сланцы — слюда, тальковые сланцы — тальк и т. д.).

1.4.3. ТЕХНИЧЕСКАЯ ПЕТРОГРАФИЯ

Техническая петрография является в определенной степени раз­делом геологической науки «петрография» и представляет собой уче­ние о искусственно создаваемых технических каменных материалах (цементы, огнеупоры, керамика и т. д.).

При решении строительных задач эти материалы имеют такое же значение, как природные материалы и горные породы.

Технические каменные материалы создают в промышленных ус­ловиях и во многом они аналогичны природным горным породам. Это вытекает прежде всего из сходности процессов их образования: 1) кирпич-шамот, огнеупорный динас, цементный клинкер, керами­ка создаются примерно в таких же термодинамических условиях, как метаморфические породы; 2) доменные шлаки, стекла, абразивный корунд, глиноземистый цемент — как излившиеся магматические породы; 3) бетон, силикатный кирпич по способу образования при­ближаются к сцементированным осадочным породам типа конгломе­рата.

Химический состав технических материалов имеет свои особен­ности:

как и для горных пород, он оценивается валовым химическим анализом и выражается в виде содержания оксидов (Si0₂, AI2O3, Ре₂0₃ и т. д.), количество которых указывают в процентах;

в составе материалов присутствует большое число химических соединений — Si0₂, А1₂0₃, Ti0₂, Fe₂0₃, FeO, MgO, CaO, Na₂0, K₂0, BaO, MnO, PbO, SO3, но практически преобладают Si0₂, и Si0₂ + + А1₂0з, исключение составляют лишь корундовые (А1₂0₃) и магнези­товые (MgO) материалы;

в отличие от горных пород в технических материалах в ряде слу­чаев имеют место необычные сочетания химических соединений, как, например, в шамотном кирпиче Si0₂ с А1₂0з или в доменных шлаках: СаО с А1₂0₃ и Si0₂;

4) в технических материалах всегда отсутствует вода

Минеральный состав. Основную массу каменных материалов сла­гают искусственные минералы. Так, например, в портландцемент входят алит, белит, целит; фарфор состоит из муллита. Кроме искус­ственных всегда в виде примесей содержатся природные минералы. Чем больше присутствует этих примесей, тем хуже качество материа­ла. К таким минералам-примесям относятся кварц, полевые шпаты и др. Эти минералы являются частью сырья, из которого создавался технический материал. Минеральный состав технических материа­лов показан в табл. 8. В ней же показаны структуры технических мате­риалов. Они бывают: 1) кристаллические, как в абразивах и фарфоре, зернистые, плотные; 2) стекловатые (стекла); 3) пористые (керамика, шлаки); 4) смешанные, где в стекловатой массе располагаются ка­кие-либо кристаллы минералов.





Свойства технических материалов перечислены в табл. 8. Каждый технический материал создают с наперед заданными свойствами: це­менты — вяжущие; абразивы — стойкие к истиранию; стекло — про­зрачное; огнеупоры — способны противостоять высоким температу­рам и т. д.

Петрургия. В области технических материалов создана новая от­расль — петрургия или каменное литье. Суть этого производства за­ключается в следующем. Берут базальт, измельчают, вводят необхо­димые добавки. После этого всю массу расплавляют в электропечах при температуре 1400—1500 °С. Далее расплав разливают в специаль­ные формы, которые отвечают конфигурациям каких-либо строи­тельных изделий (трубы, плитки, балки и т. д.), и дают ему возможность постепенно остывать. В процессе остывания масса раскристаллизовывается.

Каменнолитейные изделия имеют заданную форму, высокие строительные качества — плотные, прочные, стойкие в любых агрес­сивных средах, обладают большим сопротивлением к истиранию.

Дальнейшее развитие отрасли позволит более активно использо­вать продукцию петрургии в дорожном и аэродрохмном строительст­ве, особенно в тех случаях, когда появляется необходимость приме­нять особо высокопрочные и стойкие к агрессивным средам мате­риалы.

Радиоактивность технических каменных материалов связана с присутствием в них природных или искусственно созданных (техно­генных) радиоактивных химических элементов. Эти элементы попадают в технические материалы с сырьем, из которого их изготавливают. В качестве примера можно привести радиоактивный щебень из гранита или золы-уноса электростанций, которые используют ка­менные угли.

В настоящее время все технические материалы, как и сырье, из которого они создаются, должны обязательно проходить контроль на радиоактивность, где определяют степень их пригодности для ис­пользования в строительстве. Особенно это касается дорожного строительства, где широко используют гранитный щебень и различ­ные отходы промышленности.