методичка по геологии. Учебное пособие инженерная геология Лабораторные и практические занятия для студентов очного и заочного форм обучения всех специальностей строительных вузов
 Скачать 10.27 Mb.
|
Физические свойства минераловКаждый минерал имеет определенные физические свойства. Главнейшими из них являются: внешняя форма, оптические характеристики (цвет, прозрачность, блеск), показатели твердости, спайность, излом, плотность. Внешняя форма минералов разнообразна. В природных условиях они чаще всего приобретают неправильные очертания. Цвет для очень многих минералов строго постоянен. Их условно разделяют на светлые (кварц, полевые шпаты, гипс, кальцит и др.) и темные (роговая обманка, авгит и др.). Прозрачность – способность минералов пропускать свет. Выделяют три группы минералов: прозрачные (кварц, мусковит и др.), полупрозрачные (гипс, халцедон и др.) и непрозрачные (пирит, графит и др.). Блеск – способность поверхности минералов отражать в различной степени блеск. Блеск может быть металлическим и неметаллическим, который в свою очередь может быть стеклянным (кварц, силикаты), жирным (тальк), шелковистым (селенит, асбест) и т.д. Твердость – способность минералов противостоять внешним механическим воздействиям. Каждому минералу присуща определенная твердость, которая ориентировочно оценивается по 10-бальной шкале твердости Мооса. Спайность – способность минералов раскалываться или расщепляться по определенным направлениям с образованием плоскостей раскола. Излом характеризует поверхность разрыва и раскалывания минералов Различают излом по спайности (кальцит), раковистый (кварц), землистый (каолинит) и др. Плотность минералов различна и колеблется в пределах от 0,6 до 19 г/см3. Минералы могут обладать рядом других физических свойств: хрупкостью, плавкостью, магнитностью, вкусом, запахом и т.д. Классификация минералов основана в основном на их химическом составе: 1). Самородные элементы – элементы находятся в свободном состоянии (сера S, графит C, алмаз C). 2). Сульфиды – соединения металлов с серой – пирит FeS2. 3). Сульфаты – соли серной кислоты (гипс CaSO4∙2H2O, ангидрит CaSO4). При соприкосновении с водой ангидрит переходит в гипс, увеличиваясь в объеме на 30%. 4). Окислы и гидроокислы – кварц SiO2, опал SiO2∙nH2O, лимонит Fe2O3∙nH2O. 5). Карбонаты – соли угольной кислоты – кальцит CaCO3, доломит CaMg (CO3)2, магнезит MgCO3. 6). Галоиды – соли соляной кислоты – галит NaCl– ионный тип решетки. 7). Силикаты – слюды, глинистые минералы (каолинит, монтмориллонит, гидрослюда), полевые шпаты (ортоклаз, плагиоклаз). Минералы классов фосфатов, вольфрамитов встречаются гораздо реже, чем другие. Инженерно-геологическая классификация минералов. С учетом строения кристаллической решетки и прочности: 1). Первичные силикаты – минералы класса силикаты геологической классификации, образующая в глубинах земли и характеризующейся ковалентным типом связи кристаллической решетки. Минералы этого класса – прочные, нерастворимые в воде, но выветривается. Служит хорошим основанием для инженерных сооружений. 2). Простые соли – минералы классов карбонаты, сульфаты, галоиды – характерен ионный тип кристаллической решетки – прочные и крепкие в сухом состоянии, но растворимые в воде. С минералами этого класса связаны явления карсты. 3). Глинистые минералы – выделяются из класса силикатов по следующим признакам: а) высокая дисперсность – степень раздробленности, размер частиц <0.001 мм; б) способность к ионному обмену; в) гидрофильность – способность минералов вмещать в себя воду и увеличиваться в объеме (набухание); г) пластичность при увлажнении переходит в пластичную форму (каолинит, монтмориллонит, гидрослюда). Глинистые минералы – породообразующие и слагают породы – глина, суглинок, супесь. 4). Органическое вещество – гумус и гуминовые кислоты, которые образуются в верхней части земной коры в результате разложения растительности. Изменяют свойства горных пород. 1.2. Магматические горные породы, классификация и их важнейшие особенности. Горные породы - минеральные агрегаты, состоящие из одного или нескольких минералов и слагающие большие участки поверхности Земли. Породы, состоящие из 1 минерала называются мономинеральными (известняк, мрамор), а из 2 или более – полиминеральными. Наука, изучающая горные породы – петрография. Горные породы не имеют химических формул. Они оцениваются химическим анализом: SiO2 – 49-52 %, Al2 O3 – 10-14 %, Fe2 O3 - 4-14% и т.д. Установлено около 1000 горных пород. По происхождению горные породы подразделяются на: магматические, метаморфические и осадочные. Химический и минеральный состав магматических пород Магматическими горными породами называют горные породы, которые образовались в результате кристаллизации магмы (силикатный состав) при её остывании в недрах земли или на её поверхности. В зависимости от условий, в которых происходит охлаждение и застывание магмы, горные породы делят на интрузивные (глубинные) и эффузивные (излившиеся). В состав магматических пород входят О2, кремний Si, алюминий Al, железо Fe, магний Mg, кальций Ca, калий К, натрий Na, водород. Химический состав магматических пород обычно представлен в форме окислов: SiО2, Al2O2, FeO, Fe2O3, CaO, MgO, K2O, Na2O, H2O. Основное значение имеет окись SiO2 (кремнезем), по которому построена химическая классификация магматических пород. И все магматические породы по химическому составу делятся на следующие основные группы:
С химическим составом магматических пород тесно связан их минеральный состав. В кислых породах имеется в свободном состоянии кварц (гранит). В остальных породах кварца нет, на смену ему приходят Fe и Mg, содержащие минералы – авгит, роговая обманка и оливин. От кислых пород к ультраосновным, наблюдается потемнение окраски, от светло-серого до черного, а также увеличение удельного веса. Структуры и текстуры магматических пород Структура – это строение породы, которое определяется формой и размером зерен, а также степенью кристалличности пород. По степени кристалличности выделяются следующие структуры:
Полнокристаллическая или зернистая структура – порода целиком состоит из кристаллов (зерен). Структура характерна для глубинных пород (гранит). Полукристаллическая или порфировая структура – на основном стекловатом фоне выделяются отдельные вкрапления кристаллов (порфирит), характерна для излившихся пород. Некристаллическая или стекловатая структура характерна для излившихся пород (вулканическое стекло, обсидиан). По размерам зерен различают структуры крупно-, средне-, мелкозернистые. Структура является признаком породы, определяющим его прочность, наиболее прочные породы с мелкозернистыми структурами. Текстура – сложение пород, которое определяется расположением зерен в породе и степенью заполнения пространства. По расположению зерен различают следующие текстуры: а) однородная; б) неоднородная. Однородная или массивная текстура – все зерна в породе располагаются равномерно и без какой-либо видимой закономерности (гранит). Магматические породы в основном имеют массивные текстуры. По степени заполнения пространства различают плотные и пористые текстуры: глубинные породы – плотные; излившиеся породы – пористые. Формы залегания магматических пород Глубинные горные породы залегают в виде батолитов – огромных массивов горных пород до нескольких сотен километров, залегающих глубоко от земной поверхности; штоков – ответвлений от батолитов; лакколитов – грибообразных форм, образованных при внедрении магмы между слоями осадочных толщ; жил –возникших при заполнении магмой трещин в земной коре.  Рис.1.1. Основные формы залегания магматических пород. 1-жилы, 2-покров, 3-поток, 4-вулканический конус, 5-батолит, 6-лакколит, 7-толща осадочных пород Для излившихся горных пород характерными являются: купола – своеобразные формы; лавровые покровы – образовавшиеся в результате растекания магмы на поверхности земли; потоки – вытянутые формы, возникшие в результате течения магмы из вулканов. 1.3. Метаморфические горные породы, классификация и их важнейшие особенности. Метаморфические породы – это породы, образующиеся в глубинах Земли из осадочных или магматических пород под влиянием высокой температуры, давления, действия газовых и водных растворов, являются вторичными породами. Факторы и типы метаморфизма. – Температура – температурный интервал, в пределах которой происходит этот процесс метаморфизма (300-10000С). В процессе влияния температуры создаются полнокристаллические структуры и образуются новые минералы. – Давление – второй фактор, принято различать общее всестороннее давление и направленное давление, которое называется стресс, в результате которого образуются характерные только для метаморфических пород текстуры. Причиной направленного давления являются тектонические движения земной коры. – Газовые, водные растворы – они действуют на контакте пород, растворяют их и приводят к образованию новых минералов и сильному изменению породы. В зависимости от факторов выделяются следующие типы метаморфизма: - термальный – от действия температуры; - динамометаморфизм – от действия давления; - контактовый – от действия газовых и водных растворов; - региональный – когда два или несколько факторов действует одновременно. Типы метаморфизма положены в основу классификации метаморфических пород в строительных ГОСТах. Химический и минеральный составХимические превращения в метаморфических породах очень сложны, состав метаморфических пород крайне разнообразен. Все минералы, входящие в состав пород можно разделить на 2 группы:
Метаморфические породы все характеризуются полнокристаллическими структурами. Для определения пород большое значение имеет текстурный признак. Выделяются следующие текстуры: а) сланцеватая – вся порода при расколе делится на плоскости делимости, т.е. порода состоит из параллельно соединенных между собой пластинчатых минералов (слюдистый сланец, глинистый сланец). б) полосчатая или гнейсовая текстура – порода состоит из полос, образовавшихся в результате дифференциации (разделения) вещества по удельному весу (гнейс). Для этих текстур характерно свойство анизотропии – изменение свойств с изменением направления. в) пятнистая – порода состоит из разнообразно окрашенных минералов одного класса (мрамор, яшма). Все выше названные текстуры являются неоднородные, но для метаморфических пород характерны и однородные текстуры, которые называют массивные (кварцит, мрамор). Метаморфические пароды сохраняют формы залегания первичной породы. Эти породы широко используются в строительстве, либо в виде естественного строительного камня, либо в виде сырья для стройматериалов (щебень). Магматические и метаморфические породы могут служить хорошим основанием инженерных сооружений – это породы прочные, крепкие, водоустойчивые, морозоустойчивые, способны выдерживать большие нагрузки. 2. Осадочные горные породы. Основные признаки осадочных горных пород Осадочные породы – образуются на поверхности Земли в результате разрушения метаморфических, магматических и собственно осадочных пород с последующим их переотложением (известняк, мел, гипс, песок, глина). Осадочные породы пользуются широким распределением по поверхности Земли, служат основанием инженерных сооружений, и от их прочности зависит устойчивость зданий и сооружений. Применяются в строительстве в качестве строительного камня, в виде сырья для строительных материалов. К осадочным породам приурочены богатейшие запасы полезных ископаемых, а также подземных вод. 2.1. Стадии образования осадочных пород При образовании осадочные породы приходят 4 стадии:
Разрушение или выветривание горных пород происходит под влиянием агентов атмосферы, животных и растительных организмов. Разрушаются любые породы, находящиеся на поверхности Земли. Перенос и отложение – разрушенный материал переносится ветром, льдом, организмами, но особенно велика транспортирующая роль водных потоков. В процессе переноса происходит разделение осадочного материала по размерам, по удельному весу и химическому составу. Такое разделение называется дифференциация осадка. Принято различать 3 вида дифференциации: а) механическая – разделение по размерам обломков и удельному весу; б) химическая – осаждение материала по химическому составу; в) органогенная – осаждение материала в результате жизнедеятельности организмов. В результате дифференциации образуются осадки трех типов: 1) механические; 2) химические; 3) хемобиогенные. Образовавшийся осадок должен пройти третью стадию – стадию диагенеза, и тогда он превратится в осадочную горную породу. Диагенез – перерождение осадка в породу. Это процесс происходит под влиянием энергии самого осадка, при этом наблюдается цементация осадка или образование новых минералов. Катагенез – совокупность процессов, влияющих на породу в процессе ее жизни. 2.2. Классификация осадочных пород по месту образования По месту образования осадочные породы делятся на: а) континентальные; б) морские. Континент является областью, где происходит разрушение пород и их смыв, поэтому континентальные образования имеют сравнительно небольшую мощность и небольшую площадь распространения. Все континентальные осадочные образования делятся на генетические типы. Генетический тип – это комплекс отложений, образовавшийся в определенном месте под влиянием одного ведущего агента. Генетические типы: — элювий; — делювий; — пролювий; — аллювий; — эоловое образование; — ледниковые отложения; — озерные отложения; Элювий – продукт выветривания горных пород, оставшийся на своем месте, он представлен обломочным материалом различной крупности: от больших глыб до глинистого тончайшего материала. Залегает главным образом на высоких частях рельефа, на водоразделах. Элювий по глубине постепенно переходит в коренные породы.  Рис.2.1. Схема образования наносов на склоне рельефа Э – элювий; Д – делювий; П – пролювий; 1-атмосферные осадки; 2-плоскостной смыв; 3-коренные породы; 4-первоначальная поверхность склона. Делювий – материал, перенесенный и отложенный временными водотоками в основании склонов и их подошвы (в понижениях, примыкающих к склонам – пролювий) – суглинок, супесь и щебень. Мощность отложений измеряется от долей метра до 15-20 метров. В минералогическом отношении делювий связан с породами, расположенными выше по склону. Делювий более отсортированный материал, являются хорошим, надежным основанием для сооружений. Отрицательным свойством является способность к сползанию вниз по склонам. Пролювий – представляет собой комплекс рыхлых образований неоднородного состава особенно по вертикали. В толщах пролювия суглинки и супеси могут переслаиваться с крупнозернистым материалом. Аллювий – материал, перенесенный и отложенный рекой (галечник, гравий, пески, суглинки, глины, илы). Подразделяется на русловой и пойменный аллювий. Русловый аллювий представлен песками и более грубыми обломками – галечник, гравий и является надежным основанием для сооружений. Пойменный аллювий откладывается в период паводка и представляет собой суглинки различного состава, супеси, глины и мелкозернистые пески. Древний пойменный аллювий в виде суглинков и глин твердой консистенции являются хорошим основанием. Современный пойменный аллювий либо обладает высокой влажностью, либо находится совсем в водонасыщенном состоянии с низкой несущей способностью. Также характерной особенностью аллювиальных отложений является многослойность их толщ с наличием множеств линз. Эоловые образования – материал, перенесенный и отложенный ветром, при этом образуются песчаные отложения в виде дюн и бархан, а также лёсс. Ледниковые образования – материал, перенесенный и отложенный ледником, представлен плотным глинистым, суглинистым материалом с обломками горных пород, а также песками. Озерные образования – материал, образовавшийся в озерах (тонкий песок, глина, суглинок, ил, супесь, торф). 2.3. Классификация осадочных пород по способу образования По способу образования осадочные породы делятся на: а) пирокластические; б) обломочные; в) глинистые; г) хемобиогенные. Пирокластические породы – являются промежуточными между магматическими и осадочными породами. Представляют собой обломочный материал, выброшенный вулканом, но цементация обломков происходила на поверхности земли (вулканический туф, пемза). В основу классификации обломочных пород положены два принципа: 1) размер обломков или зерен; 2) наличие цемента. Размер зерен или обломков определяется с помощью гранулометрического анализа. Классификация обломочных пород Таблица 2.1
Несцементированные породы могут быть либо рыхлыми – зерна не связаны между собой; либо связными. К рыхлым относятся крупнообломочные и песчаные породы, к связным относятся пылеватые и глинистые. К глинистым породам относятся породы, в которых преобладают частицы размером меньше 0,005 мм. По наличию цемента глинистые породы делятся на:
Глинистые связные в инженерной геологии и строительстве по содержанию глинистых частиц делятся на: 1) глины – глинистых частиц >30%; 2) суглинки – глинистых частиц 30-10%; 3) супесь – глинистых частиц 10-3%. Глинистые сцементированные породы называются аргиллиты. В основу классификации хемобиогенных пород положен химический принцип и выделяются основные группы пород: а) карбонатные – известняк, доломит, мел, мергель; б) кремнистые – диатомит, опока; в) сульфатные –гипс, ангидрит; г) соляные – каменная соль. 2.4. Химический и минеральный состав осадочных пород Химический состав осадочных пород очень близок к метаморфическим породам. Минералы, входящие в состав осадочных пород делятся на две группы: 1) минералы, сохранившие от первичной породы – кварц; 2) минералы образованные осадочным путем – гипс, доломит, галит. Обломочные глинистые породы могут быть как мономинеральными, так и полиминеральными. Обломочно-сцементированные породы всегда полиминеральны, т.к. кроме состава зерен обломков необходимо учитывать минеральный состав цемента. По минеральному составу различают следующие цементы:
Хемобиогенные породы мономинеральные. 2.5. Структура, текстура осадочных пород. Формы залегания Крупнообломочные породы имеют обломочные структуры. Песчаные породы имеют зернистые структуры. Пылеватые породы – пылеватые структуры. Глинистые породы – глинистые структуры. При определении структуры обломочных пород необходимо учитывать соотношение обломков и цемента, по этому соотношению выделяются следующие типы цемента:
Тип цемента определяет прочность породы и водопроницаемость. Основными текстурами осадочных пород является слоистость и пористость. а) слоистость – чередование слоев; Слой – геологическое тело, имеющее более или менее выдержанный состав по простиранию. Границы, разделяющие слои, называются поверхностями напластования. Верхняя поверхность слоя называется кровля. Нижняя – подошва. Кратчайшее расстояние между ними называется мощностью слоя. Если слой быстро выклинивается, то он называется линзой. Слоистость может выделяться по цвету, по составу пород по структурным признакам. По форме различают следующие виды слоистости:
Слоистость является основной формой залегания осадочных горных пород. б) Наличие пор и пустот в породе называется пористость. Принято различать следующие виды пористости: 1) крупная пористость называется кавернозность; 2) макропористость – поры, видимые невооруженным глазом; 3) микропористость – поры, видимые под микроскопом (для пылевато-глинистых пород). | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||