- •Инженерная геология часть I. Общие вопросы Введение. Основные задачи и значение инженерной геологии
- •Глава 1. Основные сведения о Земле § 1. Происхождение Земли
- •§ 2. Форма, масса и плотность Земли
- •§ 3. Строение Земли
- •§ 4. Тепловой режим Земли
- •Часть II. Минералы и горные породы Глава 1. Минералы
- •§ 1. Геологические процессы минералообразования
- •§ 1.1. Эндогенные процессы минералообразования
- •§ 1.2. Экзогенные процессы минералообразования
- •§ 1.3. Метаморфические процессы минералообразования
- •§ 2. Строение минералов
- •§ 3. Химический состав минералов
- •§ 4. Физические свойства минералов
- •Шкала твердости
- •§ 5. Классификация и распространенность минералов
- •Глава 2. Горные породы
- •§ 1. Структура и текстура горной породы
- •§ 2. Магматические горные породы
- •Классификация магматических горных пород
- •§ 3. Осадочные горные породы
- •Классификация обломочных и глинистых пород
- •§4. Метаморфические горные породы
- •Часть III. Основные сведения о тектонике
- •Глава 1. Роль тектоники в процессе осадконакопления и формирования рельефа земной поверхности
- •Глава 2. Виды и масштаб тектонических движений
- •§ 1. Колебательные движения земной коры
- •§ 2. Складчатые и разрывные движения
- •§ 3. Ненарушенное и нарушенное залегание горных пород
- •Глава 3. Складчатые нарушения (пликативные дислокации)
- •Глава 4. Разрывные нарушения (дизъюнктивные дислокации) § 1. Трещиноватость горных пород
- •Генетическая классификация трещин
- •§ 2. Геометрические элементы тектонических разрывов
- •§ 3. Значение тектоники и трещиноватости при строительстве и эксплуатации гидротехнических сооружений
- •Глава 5. Землетрясения. Строительство в сейсмических районах
- •Часть IV. Геологическая история земли
- •Стратиграфическая и геохронологическая шкалы
- •Часть V. Грунтоведение
- •Глава 1. Инженерно-геологическая классификация грунтов
- •Глава 2. Физические и физико-механические свойства горных пород и грунтов
- •§1. Физические свойства. Показатели, характеризующие состав и состояние горных пород и грунтов
- •Гранулометрический состав по гост-25100
- •§ 2. Физико-механические свойства
- •Часть VI. Подземные воды Глава 1. Виды подземных вод
- •Глава 2. Химический состав подземных вод
- •Глава 3. Законы движения подземных вод
- •§ 1. Связь расхода и напора подземного потока
- •§ 2. Общие условия движения подземных вод
- •§ 3. Методы определения коэффициента фильтрации
- •Глава 4. Воздействие подземных вод на горные породы и грунты
- •§ 1. Гидростатическое и гидродинамическое давление в нескальных грунтах
- •§ 2. Явление плывунности
- •Часть VII. Инженерно-геологические процессы Глава 1. Выветривание и связанные с ним явления
- •§ 1. Виды выветривания
- •§ 2. Меры борьбы с процессами выветривания
- •§ 3. Геологическая деятельность ветра
- •Глава 2. Геологическая деятельность атмосферных и поверхностных вод
- •§ 1. Виды речных долин и русловых отложений
- •§ 2. Методы борьбы с негативными последствиями геологической деятельности атмосферных и поверхностных вод
- •Глава 3. Геологическая деятельность ледников, морей и озер § 1. Ледники, моря и озера. Защита берегов
- •§ 2. Неблагоприятные процессы и явления, возникающие на искусственных водохранилищах и меры борьбы с ними
- •Глава 4. Суффозия механическая и химическая. Плывуны. Методы борьбы с суффозией и плывунами § 1. Суффозия механическая и химическая
- •§ 2. Методы борьбы с суффозией и плывунами
- •Глава 5. Движение грунтов на склонах и откосах. Меры предупреждения и борьбы с оползнями § 1. Движение грунтов на склонах и откосах
- •§ 2. Меры предупреждения и борьба с оползнями
- •Глава 6. Процессы и явления, связанные с промерзанием и оттаиванием грунтов
- •Глава 7. Просадочные явления
- •Глава 8. Процессы и явления, возникающие в грунтах под сооружениями
- •Часть VIII. Инженерно-геологические изыскания для строительства
- •Глава 1. Стадии проектирования
- •Глава 2. Методы инженерно-геологических исследований
- •Глава 3. Инженерно-геологические исследования для гидротехнического строительства
- •Библиографический список
- •Содержание
§ 3. Химический состав минералов
Химический состав в минералогии, в отличие, например, от аналитической химии, выражается не эмпирическими формулами (которые показывают количественные соотношения элементов), а структурными, которые показывают характер взаимной связи элементов в структуре минерала. В минералах важно выделять катионные и анионные комплексы.
Значительное количество минералов имеет различные примеси. Примеси бывают механические – в виде газов, растворов, взвешенных частиц и изоморфные – в виде отдельных элементов, входящих в кристаллическую решетку минерала не нарушая его целостности. При этом изоморфные замещения могут быть как в катионном, так и в анионном комплексе и от этих примесей могут очень сильно измениться физические свойства и даже облик минералов.
Например, широко распространенный минерал корунд (в просторечии – наждак) выражается формулой Al2O3. Замещение в кристаллической решетке части Al2O3 на Cr2O3 превращает невзрачный наждак в драгоценный красный рубин, а если Al2O3 замещается на CuO и Fe2O3, то получается синий сапфир.
Многие минералы при одном и том же химическом составе могут иметь различную структуру (кристаллическую решетку) и внешний облик кристаллов, а, следовательно, и различные физические свойства.
Это явление носит называние полиморфизм. Например, углерод, в зависимости от условий кристаллизации, может образовывать либо алмаз – самое твердое минеральное вещество с очень плотно упакованной кристаллической решеткой, либо весьма мягкий графит. Это – две полиморфные разновидности.
Вода в минералах встречается в виде цеолитной, кристаллизационной и конституционной воды.
Цеолитная вода (впервые изучена в минералах цеолитах) как бы растворена в минерале; при нагревании минерал теряет цеолитную воду и меняет физические свойства, а при помещении в водяные пары восстанавливает воду и связанные с ней свойства.
Кристаллизационная вода связана с кристаллической решеткой минералов в виде молекул H2O. Присоединение или удаление ее посредством высоких температур еще сильнее изменяет физические и химические свойства минерала.
Например, минерал гипс CaSO4.2H2O при дегидратации превращается в ангидрит CaSO4. При этом объем вещества уменьшается на 60%, а также резко изменяется внешний облик: характерные столбчатые кристаллы гипса превращаются в тонкозернистую сплошную массу ангидрита.
Конституционная вода еще прочнее связана с кристаллической решеткой минерала. Например, в составе минерала каолинит Al4Si4O10. OH8 она входит в кристаллизационную решетку в виде иона ОН-. Присоединение такой воды означает образование нового минерала, а удаление – разрушает минерал. Переходы невозможны.
§ 4. Физические свойства минералов
Химический состав и структура минералов придают каждому из них характерные физические свойства и внешние признаки, по которым можно отличать один минерал от другого.
1. Плотность минералов колеблется от, приблизительно, 1г/см3 до 23г/см3 (платинистый иридий Pt, Jr). Подавляющее большинство минералов имеет плотность 2,5 – 3,5г/см3 (что, кстати, обуславливает среднюю плотность земной коры 2,7 – 2,8г/см3).
Условно все минералы можно разделить на 3 группы:
легкие, с плотностью до 2,5г/см3, - галит, гипс, сильвин, самородная сера. Сюда же относятся водные минералы;
средние (средней тяжести), с плотностью от 2,5 до 4г/см3, - сюда относится подавляющее большинство минералов;
тяжелые, с плотностью более 4г/см3, - минералы, содержащие тяжелые металлы (сульфиды, окислы, самородные минералы).
У полиморфных разновидностей плотность выше у того минерала, у которого плотнее упаковка кристаллической решетки (алмаз – 3,5г/см3, графит – 2,2г/см3).
Сравнительное определение плотности (в полевых условиях) производится путем взвешивания на ладонях двух примерно одинаковых по размеру образцов. При этом «эталонами» являются такие широко распространенные минералы как кварц и полевой шпат с плотностью 2,7-2,8г/см3. Точное определение плотности производится в лабораторных условиях путем погружения образца минерала в тяжелые жидкости. Существуют специальные наборы тяжелых жидкостей с шагом около 0,01г/см3.
2. Твердость минерала – это сопротивление поверхности минерала механическому воздействию. Относительную твердость минерала определяют царапаньем по нему другим минералом: более твердый минерал оставит царапину на менее твердом. Абсолютную твердость определяют прибором склерометром путем вдавливания алмазной пирамидки в образец под микроскопом.
Для определения относительной твердости принята 10-балльная шкала Мооса, которая составлена из 10 минералов – эталонов, каждый из которых тверже предыдущего на единицу.
Таблица 2.1