4 Вопрос.

Наука изучающая горные породы – петрография.

Горными породами - называют естественные устойчивые минеральные агрегаты, сформировавшиеся в результате геологических процессов. Выделено около 1000 горных пород, не имеющих химических формул, их состав оценивается валовым химическим анализом.

Горные породы характеризуются составом, строением, формой залегания.

Различают три пути образования горных пород:

1. непосредственно из так называемой магмы,

2. в результате сложного процесса образования различных твердых осадков и формирования их в горную породу,

3. путем коренного изменения (метаморфизации) каких-либо ранее образованных пород в результате мощных воздействий температуры и давлений, приводящих к метаморфизму.

В соответствии с указанными путями возникают горные породы: магматические г.п., осадочные и метаморфические.

Магматические г.п. Магматическими горными породами (или изверженными) горными породами называют г.п., которые образовались в результате кристаллизации магмы при ее остывании в недрах Земли или на ее поверхности.

Магма – сложный силикатный высокотемпературный расплав, насыщенный газами. Магма возникает в виде очагов в мантии при изменениях давления и температуры в результате протекающих там физико-химических процессов. При благоприятных условиях магма изливается на поверхность. Излившаяся на поверхность магма –лава. При охлаждении или кристаллизации магмы образовывались агрегаты силикатных минералов.

Для химической характеристики магматических пород используют в качестве показателя содержание окиси кремния S_iO₂. По этому показателю различают магматические породы:

- кислые (S_iO₂ от 75 до 65%)

- средние (S_iO₂ от 65 до 55%)

- основные (S_iO₂ от 55 до 45%)

- ультраосновные (S_iO₂ менее 45%).

В зависимости от содержания S_iO₂ меняется плотность и цвет магматических пород. Кислые породы имеют светлую окраску и наибольший удельный вес 2,7г/см³, основные имеют темную окраску и удельный вес 2,8-3,1 г/см³. С уменьшением S_iO₂ в глубинных породах возрастает плотность, понижается температура плавления, породы лучше поддаются полировке, окраска их становится темнее.

Скорость остывания магмы зависит от того на какой поверхности идет остывание, а также в сравнительно тонком слое или в глубине массива. По этим условиям различают:

- глубинные (интрузивные) породы, образующиеся когда магма внедряется в толщу пород, но не выходит на поверхность и остывает медленно. При этом проходят процессы кристаллизации и порода приобретает ярко выраженную кристаллическую структуру. Это – гранит , в котором различимы кристаллы отдельных минералов, входящих в его состав.

- излившиеся (эффузивные) породы, которые образуются при быстром остывании магмы, вылившейся на поверхность Земли. Процесс кристаллизации произойти не успевает, порода приобретает аморфную структуру, без видимых кристаллов. Это обсидиан (вулканическое стекло).

- жильные породы. Они образуются, когда магма внедряется в разлом земной коры. Свойства жильных пород могут иметь промежуточный характер.

Наибольшие размеры пород по мощности можно ожидать у глубинных массивов, наименьшие – у излившихся и ещё наименьшие размеры у жильных пород.

Минералы магматических пород – это силикаты, имеют ковалентную связь между основными структурными элементами, сто и создает высокую прочность магматических пород. Это и дуниты, периодиты, пироксениты. Важным является их изменение в результате выветривания, скорость и интенсивность которого в значительной мере определяется особенностями минералогического состава. Наиболее устойчив минерал к выветриванию – кварц. Слюды легко расслаиваются под влиянием колебаний температуры, особенно если происходит попеременное замораживание и оттаивание. Пирит легко окисляется и в присутствии воды образует серную кислоту, тем самым ускоряя процесс выветривания других минералов в горной породе.

На устойчивость магматических пород к выветриванию, на их прочностные и деформационные характеристики влияет не только минералогический состав, но и их структурно-текстурные особенности.

Магма, поднимающаяся к земной поверхности, быстро охлаждается, вязкость увеличивается за счет потери воды и газов. Это способствует формированию вулканического стекла с пелитовой или сферолитовой структурой. В поверхностных условиях потоки магмы затвердевают быстро, что не позволяет развиваться крупным кристаллам и вследствие этого эффузивы характеризуются афанитовой структурой. Горные породы с подобными структурами имеют высокую механическую прочность, но, как правило, излившиеся (эффузивыные) породы образуются на поверхности Земли при низких давлениях и температурах при быстром охлаждении и дегазации вещества магмы. В этом случае часть расплава застывает в виде аморфной массы, формируя породы неполнокристаллической структуры. Наличие газов в застывающей на поверхности магме определяет повышенную пористость эффузивных пород.

Вулканические породы обладают довольно пузырчатой текстурой, т.е. эффузивы усеяны газовыми пузырьками различной формы. Вулканические и вулканокластические породы образуются при вулканических извержениях как на континентах, так и в морских бассейнах. Магма быстро остывает и происходит процесс интенсивной потери растворенных газов и паров. Это ведет к образованию вулканических стекол, высокопористых пород типа пемзы, а также рыхлых вулканических пород.

Структура и текстура глубинных пород иная. Магматический расплав внутри Земли кристаллизуется постепенно под влиянием высокого давления в условиях медленного охлаждения и участия летучих веществ, растворенных паров и газов. Наиболее характерной особенностью интрузивных образований является полнокристаллическая относительная крупная и равномерно-зернистая структура. При инженерно-геологической оценке породы большое значение имеет размер зерен, мелкозернистые породы наиболее прочны и устойчивы к выветриванию, чем крупнозернистые.

Установлено, что минералы кристаллизуются в определенной последовательности, в зависимости от химического состава магмы (основная и кислая), температуры плавления и т.п.

Жильные породы образуются при кристаллизации магмы в трещинах горных пород, зачастую с интенсивным гидротермальным воздействием. В данных условиях кристаллизация происходит при сложной дифференциации вещества магмы, что приводит к формированию полнокристаллической структуры.

Все магматические горные породы имеют много общего между собой (общность физико-механических характеристик, жестких кристаллизационных связей между зернами минералов, возникающих в процессе формирования породы). Все магматические породы имеют высокую прочность, значительно превышающую нагрузки, нерастворимые в воде и практически водонепроницаемы в сохранном виде. Поэтому широко используются в качестве оснований фундаментов, более 30% высоких плотин на Земле построено на магматических породах.

Недостатки: 1) трещиноватость массива и выветрелость приводят к осложнениям при строительстве, 2) чрезвычайно широкий диапазон изменений показателей физико-механических и деформационных свойств горных пород в зависимости от их состава и структуры.

Структуры и текстуры магматических пород определяются генезисом. В составе магматических пород основное место занимают полевые шпаты, амфиболы, пироксены, кварц и слюды. В наиболее древних породах могут присутствовать вторичные минералы (карбонаты, глинистые), которые возникают в процессе выветривания из первичных минералов. Свойства пород зависят от особенностей их внутреннего строения и сложения в массиве.

Структура – особенности внутреннего строения породы, обусловленные формой, размерами, количественным соотношением ее составных частей – минералов. В магматических породах различают ряд структур: 1)зернистые, типичные для глубинных пород, 2) полукристаллические (совместное нахождение кристаллов и аморфного стекла), 3) стекловатые, типичные для излившихся пород.

Текстура (сложение) характеризует пространственное расположение частей породы в ее объеме «рисунок» породы. Для магматических пород характерны следующие текстуры: 1) массивная – равномерное, плотное расположение минералов, 2) полосчатая – чередование в породе участков различного минерального состава или различной структуры, 3) шлаковая – порода, содержащая видимые глазом пустоты.

Отдельности. При остывании магмы в связи с изменением объема в породах возникают тончайшие трещины, которые разбивают массив на отдельные участки (формы). В зависимости от расположения трещин возникают отдельности: столбчатая (базальт), глыбовая (гранит), шаровая (диабаз) и др.

Строительные свойства магматических пород высокие. Это объясняется их минеральным составом и жесткими кристаллизационными связями в структурах. Наибольшей прочностью отличаются мелко- и равномерно-зернистые структуры.

При оценке качества следует отдавать предпочтение массивной текстуре. Полосчатое сложение и отдельности облегчают разработку, но снижают качество породы.

Трещиноватость пород сокращает количество выпускаемой каменной продукции, обусловливает фильтрацию подземных вод.

В России м.п. широко распространены в горных районах Урал, Кавказ, а также в Карелии, Сибири и т.д.

Формы залегания м.п. Глубинные горные породы залегают в виде батолитов (рис.3) – огромных массивов площадью до нескольких сотен км,

1 -жилы,2-покров,3-поток,4-вулканический конус, 5 батолит, 6-лакколит, 7 – толща осадочных пород

залегающих глубоко от земной поверхности; штоков – ответвлений от батолитов; лакколитов – грибообразных форм, образованных при внедрении магмы между слоями осадочных толщ; жил, возникающих при заполнении магмой трещин в земной коре.

Для излившихся горных пород характерными являются купола – сводообразные формы; лаковые покровы, образовавшиеся в результате растекания магмы на поверхности Земли; потоки – вытянутые формы, возникающие в результате излияния магмы из вулканов.

Характеристика групп магматических пород – самостоятельно.

Осадочные горные породы – образуются при разрушении любых пород и минералов и последующем механическом или химическом отложении продуктов этого разрушения, а также благодаря жизнедеятельности человека. Осадочные г.п. образуются в поверхности земли при низких температурах и невысоких давлениях в результате разрушения других пород, выпадение в осадок различных веществ из водной среды, накопления продуктов растительных и животных организмов, а также скопления обломочного материала выбрасываемого вулканами.

Среди осадочных пород выделяют:

- обломочные (пески, глинистые породы, крупнообломочные типа гравия, щебня и т.п.). Эти породы образуются из обломков других пород, причем процесс образования этих обломков м.б.достаточно сложным,

- органогенные (торф, известняк и др.), в образовании которых участвуют растительные и животные останки,

- химически осажденные (каменная соль, гипс и др.), образование которых связано с процессами растворения и выпадения химических осадков из растворов.

Осадочные породы составляют 5% земной коры, земная поверхность на 75% своей площади покрыта именно этими породами, строительство производится в основном на осадочных породах. Инженерно-геологические свойства осадочных пород находятся в зависимости от особенностей их состава, строения и состояния. Это формируется от ее генезиса. Т.О., инженерно-геологические свойства осадочных горных пород складываются в процессе литогенеза.

Под литогенезом понимают совокупность геологических процессов, определяющих современный состав, строение, состояние и свойства осадочных горных пород. Процессы литогенеза условно подразделяют на ряд стадий:

- гипергенез – выветривание – разрушение кристаллических и других пород, образование новых минералов, обломков пород, коллоидных и истинных растворов;

- седиментогенез – перенос и отложение материала – образование осадка;

- диаогенез – превышение осадка в осадочную породу;

- катагенез – начальные изменения осадочной породы;

- метагенез – глубокие изменения осадочной породы – образование метаморфизованных осадочных пород.

Особенности осадочных пород. Осадочные породы приобретают ряд особенностей, которые отличают их от магмат. и метаморф. пород. Это проявляется в минеральном и химическом составе, структурах, слоистости, пористости, зависимости состава и свойств пород от климата, в содержании органических остатков.

Минеральный и химический состав. В образовании осадочных минералов, из которых формировался рыхлый осадок (кварц, полевые шпаты и др.), принимают участие минералы, возникающие в породе в процессе ее существования (кальцит, каолинит и др.). Во многих случаях они играют существенную роль. Осадочные породы разнообразны по химическому составу. Это могут быть алюмосиликаты, карбонаты, оксиды, сульфаты и др.

Структура осадочных пород разнообразна. Почти каждый ти имеет свою, присущую только ему структуру. Для рыхлых пород характерны обломочные структуры, для сцементированных – брекчиевидные и т.д.

Пористость типична для всех осадочных пород, за исключением плотных химических осадков. Поры бывают мелкие, крупные и в виде каверн. Суглинки пористость 40-50%, пески -35-40% и т.д. В порах может располагаться вода, газ, органический материал.

Слоистость. Осадочные породы залегают в виде слоев, которые образуются в процессе периодического накопления осадков в водной и воздушной среде. В составе слоя м.б. микрослоистость, отражающая осадконакопление в различные времена года. Микрослоистость характерна для озерных и речных отложений. В слое м.б. также тонкие слои других пород их называют прослоями. Например, в слое песка м.б. тонкий прослой глины. При резком различии слоев по составу, например слой песка лежит на слое известняка и сравнительно большой занимаемой площади слои называют пластами. В таких случаях слои (пласты) ограничены с двух сторон четко выраженными поверхностями, которые называют плоскостями (поверхностями) напластования, в т.ч. верхнюю плоскость называют – кровлей, нижнюю – ложе, а расстояние между ними – мощностью слоя (пласта). Наибольшей мощностью обладают морские отложения. Комплекс слоев, объединенных сходством состава или возраста называют толщей. Например толщи лессовых пород, мощность которых достигает десятков метров.

Слои образуются в процессе накопления осадков в морях, озерах, ре и т.д. Это образование различной формы как по размеру так и по очертаниям по вертикали. Наиболее обычным является нормальный слой (рис.4), для которого характерна большая мощность и протяженность, параллельность кровли иподошве. Для континентальных отложений характерны линзы – слои, занимающие малые площади с выклиниванием мощности к краям слоя.

Климатические условия влияют на состав и свойства осадочных пород: в пустынях образуются породы обломочного характера, в замкнутых бассейнах накапливаются отложения солей и т.д. Окраска зависит от климатических условий: породы тропиков и субтропиков обладают красноватой окраской, холодному климату свойственны серые тона.

Органические остатки наблюдаются в большинстве осадочных пород. Это остатки растений и скелетных частей, раковин организмов в виде окаменелостей.

Общая характеристика групп осадочных пород. Породы обломочного происхождения состоят из продуктов механического разрушения магматических и метаморфических пород, а также ранее образовавшихся осадочных пород (песчаников, известняков и др.).

Классификация обломочных осадочных пород

Размер обломков, мм	Обломки		Обломочные породы			Фракции по ГОСТ 25100-95
	угловатые	окатанные	рыхлые	Сцементированные из частиц
				угловатые	окатанные
> 200	глыбы	валуны	грубообломочные	брекчии	коншомераты		Валунная (каменистая)
200-40	щебень	Галька					Галечная (щебенистая)
40-2	дресва	гравий					Гравийная (древесная)
2-0,05	песчаные		песчаные		песчаники		Песчаная
0,05-0,005	пылеватые		пылеватые		алевролиты		Пылеватая
< 0,005	глинистые		глинистые		аргиллиты		глинистая

Глинистые частицы к обломкам отнесены условно, т.к. их происхождение связано с химическими процессами и меньше с механическим разрушением. Окатанность возникает в процессе переноса обломков водой.

К обломочным породам в виде самостоятельной группы относят пирокластические породы, которые формируются из твердых вулканических продуктов (пепла, песка). Оседая на поверхность земли, песок и пепел образуют сцементированные накопления (пепел, туфы и др).

Рыхлые обломочные породы. Грубообломочные породы в их состав входят угловатые (глыбы, щебень, дресва) и окатанные (валуны, галька, гравий) обломки различных горных пород. Наибольшее количество приходится на горные районы, морские побережья, районы ледняковых отложений.

Песчаные породы – рыхлые накопления, состоящие из обломков минералов песчаного размера (2-0,05) . Таких частиц должно быть не менее 50%. По крупности частиц пески подразделяют на крупные (2-0,5мм), средние (0,5-0,25мм) мелкие (0,25-1мм) и пылеватые менее 0,1мм. В песках преобладают минералы, устойчивые к выветриванию (кварц, слюды и др.).

Мономинеральные пески, например кварцевые, встречаются редко. Вредными в строительном отношении примесями являются оксиды железа, гипс, слюды, глинистые частицы. Происхождение песков – речное, ветровое, морское и т.д.

Глинистые породы. Глинистые частицы являются основными частями супесей, суглинков и глин. Каждая из этих пород в зависимости от количественного взаимоотношения пылеватых и глинистых частиц имеет свои разновидности. Супесь бывает легкая крупная, легкая пылеватая, тяжелая пылеватая; суглинки- легкие, легкие пылеватые, тяжелые, тяжелые пылеватые; глины – песчанистые, жирные.

Глинистые породы составляют 50% общего объема осадочных пород и являются основаниями различных зданий и сооружений.

Инженерно-геологическая характеристика осадочных пород без жестких связей и с жесткими связями – самостоятельно.

Метаморфические г.п. возникают в результате преобразований ранее существующих осад. и магмат.пород, происходящих в земной коре под воздействием высоких температур, большого давления, газовых и водных растворов.

В наше время известно около 3т.минералов. В земной коре примерно 92% всей её массы составляют силикаты – 75% и оксиды-17%.

Различают три вида метаморфизма: динамометаморфизм, контактный метаморфизм и региональный метаморфизм.

Под динамометаморфизмом понимают изменение исходной породы под действием ориентированного давления. Контактный метаморфизм возникает в результате внедрения магмы в какую-нибудь породу в зону с высокой температурой от магмы. Региональный проявляется в том, сто на некоторых участках земная кора под действием собственного веса погружается а подстилающие породы и переходит в пластичное состояние под действием высокой температуры. Например на глубине 12-15км из глинистых пород формируются глинистые сланцы – метаморфическая порода.

Метаморфические породы по внешнему виду и условиям залегания занимают промежуточное положение между магматическими и осадочными породами. По минеральному составу они ближе к магматическим. Типичными минералами являются слюды, кварц, хлорит, тальк.

Метаморфическим породам присуща кристаллическая структура. Наиболее характерны следующие текстуры: сланцеватая – однообразное расположение (параллельно друг другу) пластинчатых минералов и полосчатая – обособление минеральных скоплений в форме полос, в виде слоев. Для пород типа кварцита характерны массивные текстуры.

Форма залегания. Метаморфические породы, возникшие из глубинных магматических пород, более сохраняют их первоначальную форму залегания. При метаморфизации осадочных пород слоистость сильно деформируется. При контактном метаморфизме образуются своеобразные оболочки метаморфических пород, окружающих магматические породы. Динамометаморфизм образует мощные зоны смятия, возникают сложные складки. При региональном метаморфизме измененные осадочные породы часто сохраняют первичную слоистость.

В процессе движения земной коры метаморфические породы могут быть выведены на дневную поверхность и служить объектом строительной деятельности человека. Они являются хорошим скальным основанием для зданий и сооружений. При строительстве подземных сооружений сланцеватость оказывает неблагоприятное действие, т.к. возможны обвалы. Породы чаще всего бывают трещиноватыми. Метаморфические породы имеют различную прочность и стойкость к выветриванию во времени. Например, кварциты в городских условиях начинают разрушаться через 200-400 лет, мраморы через 20-130 лет.

Классификация метаморфических пород основана на структурных признаках и минеральном составе. Среди них выделяют породы:

- массивные – (зернистые) – кварцит, мрамор,

- сланцеватые – гнейс и кристаллические сланцы различного минерального состава.

Физико-механические свойства метаморфических горных пород близки к магматическим, что обусловлено наличием у них жестких, преимущественно кристаллизационных связей. Имеют прочность, значительно превышающие нагрузки, возникающие в строительной практике. Метаморфические породы практически водонепроницаемы за исключением карбонатно-доломитовых разностей не растворяются в воде. Деформируемость и фильтрация в массивах этих пород обусловлены трещиноватостью, а также в зонах, затронутых выветриванием. Метаморфические породы не являются полным аналогом магматических по свойствам, имеют отличия, которые диктуются генезисом.

К породам, которые подвергались воздействию глубокого регионального метаморфизма и имеют наибольшее распространение относятся: гнейсы, кварциты, кристаллические сланцы. Реже встречаются мраморы и мраморизованные известняки.

Физико-механические параметры гнейсов в зависимости их состава, структуры и текстуры меняются в значительных пределах. При выветривании наибольшей стойкостью обладают кварцевые гнейсы.

Наиболее прочными и устойчивыми метаморфическими породами являются кварциты. Они слагают массивы мощностью до 100м и более и залегают в виде прослоев различной мощности. Кварциты – это массивные породы различной зернистости, обладающие очень высокой прочностью, сопротивлением истиранию, твердостью.