Важнейшие характеристики горных пород и грунтов

Петрография – наука о горных породах, их составе, строении, происхождении и формах залегания. Горные породы представляют собой более высокий уровень организации вещества земной коры. Они состоят из определенной ассоциации (набора) минералов – минеральных агрегатов (или естественных сростков), имеют конкретное строение и залегают в земной коре в виде самостоятельных (геологических) тел. Каждая горная порода образовалась в результате какого-либо геологического процесса, современного или древнего. Все характерные свойства горных пород зависят именно от условий их образования – генезиса. Иными словами процессы формирования горных пород как бы фотографируются в их строении и минеральном составе.

Первое что бросается в глаза при рассмотрении горных пород – цвет породы, зависящий от цвета породообразующих минералов. По цвету и спайности минералов надо …
постараться разглядеть в горной породе размер и форму индивидов, то есть определить структуру или строение горной породы.

Исходя из общего понимания термина «строение» как взаиморасположение составных частей чего-либо, в геологии данный термин используется как минимум в трех основных смыслах, характеризуя геологические объекты разных уровней:

1 – на уровне минералов – внутреннее кристаллическое (упорядоченное расположение ионов, атомов или молекул) или аморфное их строение;

2 – на уровне горных пород – характеристика горных пород и грунтов, описывающая особенности их структур и текстур;

3 – на более высоком уровне земной коры – особенности геологического строения различных участков земной коры или их геологические структуры.

Структура горной породы – совокупность признаков, выраженная в абсолютных и относительных размерах и формах минеральных индивидов, особенностях их срастания между собой. На первый взгляд оценивается степень кристалличности горной породы: видны на глаз зерна минералов или же нет. Структура полнокристаллическая – строение горных пород, характеризующееся тем, что вся масса породы сложена видимыми на глаз минеральными индивидами (кристаллами). Структуры подразделяются, прежде всего, по размеру и форме минеральных индивидов (табл. 8). Термин зернистая структура использует обычно при описании осадочных пород.

В петрографии и литологии для каждых классов, групп и даже видов пород используются свои специфические термины. Например, геологи полнокристаллическую структуру по форме индивидов подразделяют на идиоморфнокристаллическую (индивиды минералов относительно правильной и характерной формы) и ксеноморфнокристаллическую (индивиды неправильной произвольной формы); по форме минералов метаморфические породы – на гранобластовые (изометричные зерна минералов), лепидобластовые (с преобладанием минералов чешуйчатой морфологии) и многие другие. То есть в специальной литературе для многих горных пород используются специфические термины, которые обозначают особенности их строения и образования.


 

Таблица 7

Характеристика важнейших магматических горных пород (МГП) и грунтов

 

Название и класс (интрузивная или эффузивная) Группа (по сод-ию SiО2) и цвет Минеральный состав – %-ое соотношение породообразующих минералов Строение Класс и разновидности грунтов (по прочности, способности к выветриванию, водопроницаемости, и т.д. согласно ГОСТ 25100-2011)
  Текстура   Структура
Гранит, интрузивная Риолит Кварцевый порфир Диорит Андезит Андезитовый порфир Габбро Базальт Диабаз Дунит Пироксенит Нефелиновый сиенит          

 

Выполнил Проверил

 

Таблица 8

Основные виды структур магматических пород

 

Структуры Отличительные признаки Влияние структуры на прочность породы
Полнокристалли­ческая:     1 – крупнозернистая   2 – среднезернистая 3 – мелкозернистая 4 – афанитовая Равномернокристал- лическая     Полная раскристаллизация породы, стекловатое вещество отсутствует Размеры кристаллов больше 5 мм Размеры кристаллов 2…5 мм Размеры кристаллов 2…0,2 мм Размеры кристаллов < 0,2 мм Кристаллы всех главных минералов имеют близкие размеры Характеризуются большой прочностью и устойчивостью против выветривания. Наиболее прочные породы –с афанитовой и тонкозернистой структурами  
Полустекловатая В породе наряду с кристаллами содержится стекловатое вещество   Прочность меньше, чем у полнокристаллических. Она уменьшается по мере увеличения содержания стекла. В этом же направлении уменьшается сопротивление выветриванию
Стекловатая или афанитовая Порода состоит из аморфного вещества и микроскопических, кристаллов – микролитов  
Порфировидная Отдельные, наиболее крупные и хорошо образованные кристаллы расположены в полнокристаллической основной массе, которая может быть разной зернистости, вплоть до крупнокристаллической Породы с равномернозернистой основной массой характеризуются большей прочностью, нежели породы того же состава, но обладающие неравномерной зернистостью основной массы
Порфировая   Отдельные крупные кристаллы расположены в полностью или частично раскристаллизованной или стекловатой основной массе Прочность и сопротивление выветриванию уменьшаются по мере увеличения содержания стекловатой массы
Пегматитовая   Крупные и гигантские кристаллы – более 30…50 мм, одного минерала прорастают одинаково ориентированными кристаллами другого минерала   Обусловливает высокую прочность породы, но меньшую по сравнению с мелкозернистыми породами

 

Для строителей следует научиться отличать полнокристаллическую структуру от скрытокристаллической структуры, а также некоторые важнейшие виды структур. В породах порфировой и порфировидной структур крупные вкрапленники минералов – порфировые выделения, кристаллизуются из магмы или растворов, осадков первыми и растут с большей скоростью.

Общее сложение и общий вид горной породы называется текстурой – черты ее строения, выраженные в форме, размерах, минеральном составе, структуре, способах сочетания минеральных агрегатов, слагающих всю горную породу. Выделяются следующие основные текстуры:

плотные или массивные — минеральные агрегаты располагаются очень плотно и относительно равномерно, без видимых неоднородностей;

неоднородные плотные – слоистые (для осадочных) и полосчатые (для магматических и особенно метаморфических) – минеральные агрегаты располагаются в виде полос, отличающихся цветом (соответственно минеральным составом) или размером индивидов (соответственно структурой);

сланцеватые – характерные только для метаморфических пород и выражающиеся в том, что породы раскалываются на тонкие плиточки, поскольку состоят преимущественно из чешуйчатых или вытянутых минералов, ориентированных длинной стороной параллельно друг другу;

пористые или пузырчатые – пузыри обычно видны невооруженным глазом, а тонкие поры размером до 2 – 3 мм можно определить по тому, что порода впитывает воду (прилипает к языку), или более легкая, чем ее плотный аналог;

органогенные – в породе видны на глаз окаменелые остатки древних организмов, как правило, морских, поскольку только при накоплении осадков в океанах происходит естественное захоронение (погребение) вымерших организмов;

брекчированная – в породе видны обломки других пород, которые сцементированы другим минеральным агрегатом в виде мелкозернистого карбонатного или глинистого, или кремнистого цемента, образованного при цементации рыхлого осадка (при диагенезе) либо при дроблении пород вдоль разломов во время землетрясений (в метаморфических породах);

– прожилковая – порода состоит из обломков породы, сцементированной кристаллическими агрегатами обычно кварца или кальцита в виде разно ориентированных полос – прежних трещин и пустот.

Кроме перечисленных выделяется множество других текстур и структур в зависимости от внешнего виды и генезиса пород. Студентам важно научиться различать наиболее важные и распространенные структуры и текстуры. Обратите внимание на то, что принятые в петрографии понятия «текстура» и «структура» близки понятию «морфология минерального агрегата» в минералогии.

В явнокристаллических горных породах можно относительно легко по физико-диагностическим свойствам определить важнейшие породообразующие минералы и их примерно процентное отношение (рис. 2), т.е. минеральный состав породы. Кроме цвета, блеска необходимо проверить твердость, спайность и другие особые свойства у каждого минерального вида горной породы. Обычно в породе преобладают один – это в мономинеральных породах, либо два – три – в полиминеральных породах, породообразующих минерала. Учитывая соотношение минералов и их химический состав, принадлежность к кристаллохимическому классу, делается вывод и о химическом составе породы. В земной

 

 

Рис. 2. Трафареты для визуального определения процентного содержания минералов

 

коре наиболее распространены силикатные (преобладают минералы класса силикаты), кремнистые (преобладает кварц и его разновидности), карбонатные (преобладают минералы класса карбонаты), сульфатные (преобладают минералы класса сульфаты), глинистые породы.

Другими очень важными характеристиками горных пород являются формы их залегания: первичные или вторичные, а также возраст пород. Формы залегания можно увидеть только в земной коре, на полевой практике при бурении или проходки канав и нужно обязательно учитывать при проведении строительных работ (рис. 3). Они изучаются в таких разделах, как структурная геология, геологическое картирование и тектоника и частично рассматриваются на лекциях, на других практических работах и самостоятельно. Ниже будет изучен и возраст пород.

 

Рис. 3. Формы залегания магматических интрузивных горных пород: 1 – силл; 2 – лакколит; 3 – лополит; 4 – факолит; 5 – дайка; 6 – некк; 7 – коническая интрузия; 8 – хонолит; 9 – батолит; 10 – шток

 

Таким образом, на практических занятиях сначала студенты определяют названия горных пород по следующим характеристикам: структуре, текстуре, минеральному составу и цвету, химическому составу и некоторым другим особым свойствам. При описании пород в таблицах следует обращать внимание (заполнить колонки таблицы) на формы залегания, распространение в земной коре и на территории Челябинской области [10], возраст и оценку горных пород как грунтов, поскольку эти характеристики являются важными для оценки инженерно-геологических условий участков строительства.

Грунты – горные породы, в пределах которых строители планируют и осуществляют свою инженерную деятельность и соответственно оценивают их по физико-механическим инженерно-геологическим: прочность, сжимаемость, устойчивость к выветриванию, и другим свойствам, состоянию и т.д. Свойства грунтов зависят, во-первых, от свойств горных пород, от «прочности» связи между минеральными зернами и особенностей их генезиса (табл. 9), а, во-вторых, от внешних условий: влажности, температуры и прочих. Грунты изу-

Таблица 9

Разделение горных пород как грунтов по характеру структурных связей

 

Группа пород Тип структурных связей Характерные свойства пород и грунтов Примеры типич­ных пород
С жесткими связями между зернами (скальные*) Кристаллиза- ционные – возникли в момент застывания магмы или перекристал- лизации пород Прочность очень высокая и высокая. Твердые связи необратимые – при разрушении естественным путем не восстанавливаются. Практически несжимаемы. Невлагоемкие. Водопроницаемость зависит от степени трещиноватости. Большей частью стойки к растворению, не размокают и не размываются Гранит, базальт, кварцит, мрамор, почти все магматические и метаморфические, некоторые осадочные породы
Цемента-ционные Прочность и водостойкость зависят от состава цемента. При кремнеземном и кварцевом цементе прочность высокая: породы не размокают; при глинистом цементе прочность небольшая – порода размокает. Водопроницаемость зависит от степени трещиноватости. Связи необратимые Известняки, песчаники, кон­гломераты
Глинистые отвердевшие (полускаль- ные) Цемента­ционные (кристалли зационные) Прочность относительно невысокая, связи необратимые. Водостойкость невысокая, в большинстве случаев размокают в воде, набухают Аргиллиты, алевролиты, глинистые сланцы, мергели
Глинистые (дисперсные связные) Водно- коллоидные Прочность невысокая, при увлажнении уменьшается и иногда доходит до нуля. Связи обратимые – при разрушении могут восстанавливаться. В зависимости от степени влажности могут находиться в твердом, пластичном и текучем состояниях. Сильно сжимаемы. Сопротивление сдвигающим усилиям низкое. Сильно влагоемкие. Практически водоупорные. Размокают, набухают и дают усадку Различные глины, суглинки, супеси
Обломочные несцементи­рованные (дисперсные несвязные) Отсутствуют Прочность высокая и средняя, зависит от минералогического состава и крупности обломков. Слабо сжимаемы, сопротивление сдвигу высокое. Хорошо водопроницаемы, фильтрационные свойства увеличиваются также с увеличением размера обломков пород. Пески, гравий, галечник

* Название грунтов согласно ГОСТ 25100-2011

чаются в разделе «Основы грунтоведения» и более подробно в курсе «Механика грунтов». Классификация грунтов дается в ГОСТ 25100-2011 (табл. 10).