Главные породообразующие материалы горных пород

 

Горными породами называют плотные или рыхлые природные агрегаты1) минералов.

Минералы – однородные по химическому составу и физическим свойствам природные тела.

Горные породы, состоящие из одного минерала, называются мономинеральными (например, мрамор), из нескольких – полиминеральными (например, гранит – сложный агрегат полевого шпата, кварца и слюды).

К настоящему времени изучены более 3000 минералов, но в образовании горных пород участвуют только около 50 минералов, которые называют породообразующими.

Минералы находятся в основном в твердом состоянии и обладают преимущественно кристаллическим строением (лишь небольшая часть имеет аморфную структуру).

Многие минералы анизотропны, т.е. их строение не одинаково в различных направлениях, в результате чего по этим направлениям они обладают различными свойствами. В отличие от кристаллических тел, аморфные тела (например, опал, стекло) изотропны и их физические свойства одинаковы по всем направлениям.

Каждый минерал имеет определенный химический состав и строение, от которых зависят его форма и свойства (плотность, твердость, спайность, излом, окраска, блеск).

Плотность минералов зависит от их химического состава. Наибольшее распространение имеют минералы с плотностью от 2 до 4 г/см³. Числовая величина плотности имеет практическое значение при оценке качества минерального сырья.

Твердость минералов характеризует их поверхностную прочность. Существует десятибалльная шкала твердости Мооса, в которой в качестве эталона принята твердость 10 минералов, расположенных по возрастающей твердости (см. п. 2.3).

Спайность – способность минералов раскалываться по определенным направлениям с образованием гладких зеркальных поверхностей – плоскостей спайности. Одни минералы легко расщепляются на тончайшие пластинки (например, слюда), у других это свойство проявляется плохо или совсем отсутствует. Спайность совместно с показателем твердости способствует предварительной оценке механических свойств материалов.

Излом – характеристика неровной поверхности раскола минерала. Различают виды раскола: ровный, ступенчатый, раковистый.

Окраска – важный диагностический признак минералов, имеет большое значение для декоративной характеристики природного камня. Окраска зависит от присутствия красящих компонентов в составе минерала, в частности, хрома, железа, марганца и др.

Блеск возникает в результате отражения световых лучей от поверхности минерала и имеет важное диагностическое значение, одновременно является характеристикой декоративных или ювелирных достоинств минерала.

В зависимости от химического состава минералы делятся на следующие основные классы: силикаты, оксиды, карбонаты, сульфаты.

Класс силикатов

Этот класс наиболее многочисленный – он включает до 500 минералов. Земная кора (до 16 км) на 75 % по массе состоит из силикатов. Минералы этого класса, сходные по составу и строению, объединяются в следующие группы:

- полевые шпаты;

- железисто-магнезиальные силикаты;

- слюды;

- глинистые минералы.

Полевые шпаты – важнейшая группа самых распространенных породообразующих минералов, составляющих около 60 % массы земной коры. Различают две разновидности полевых шпатов: плагиоклазы – алюмосиликаты Na и Ca (химические формулы CaAℓ₂Si₂О₈ и NaAℓSi₃О₈), обладают большой прочностью и ортоклазы – алюмосиликаты К (химическая формула К(AℓSi₃О₈), тоже имеют большую прочность. Эти минералы входят в состав многих горных пород, ценное сырье (плавни) в стекольной и керамической промышленности.

Железисто-магнезиальные силикаты. Сюда относятся минералы: пироксены (авгиты), амфиболы (роговые обманки, оливин). Эти минералы обладают большой плотностью, прочностью и вязкостью, однако, под воздействием атмосферных факторов сравнительно легко разлагаются. Например, оливин, присоединяя воду, переходит в серпентин, увеличиваясь в объеме. Одной из разновидностей серпентина является хризотиласбест – сырье для асбестоцементной промышленности.

Слюды – алюмосиликатные минералы сложного химического состава, способны расщепляться на тонкие пластинки. Наиболее распространена белая калиевая слюда (мусковит) и черная магнезиальная (биотит). Слюды входят в состав горных пород, что снижает их строительные свойства: в процессе выветривания расслоение слюд уменьшает прочность породы и способствует их разрушению.

Глинистые минералы образовались на поверхности земли в процессе выветривания алюмосиликатных (полевошпатовых) минералов. К ним относятся: каолинит − водный алюмосиликат Aℓ₂O₃·2SiО₂·2Н₂О, применяется в керамической промышленности; монтмориллонит [Aℓ₂O₃·4(SiО₂)_n·2Н₂О].

Класс оксидов

Они включают около 200 минералов и составляют до 17 % массы земной коры. Один из самых распространенных минералов этого класса – кварц, а также опал, оксиды железа и др.

Кварц – кристаллическая форма кремнезема (SiО₂) входит во многие горные породы.

Содержание кварца в полиминеральных породах, например в граните, может доходить до 25 % и более, а в осадочных (кварцевые пески) – до 100 %.

Плотность кварца 2,65 г/см³, твердость 7, прочность при сжатии очень высока, около 2000 МПа. Кварц стоек при истирании, химически неактивен: под действием кислот (кроме плавиковой) не разрушается, со щелочами при обычной температуре не взаимодействует. При нагревании до температуры 575 ºС кварц из β-модификации переходит в α-модификацию, увеличиваясь в объеме примерно на 15 %; плавится при температуре 1710 ºС, а при быстром остывании расплавленной массы образуется кварцевое стекло (аморфный кремнезем – плотность 2,3 г/см³). Аморфный кремнезем – опал (SiО₂·nН₂О) имеет твердость 5...6,5; плотность 1,9...2,5 г/см³. В отличие от кварца обладает большой реакционной (химической) способностью.

Класс карбонатов

Широко распространены в природе. Составляют 1,7 % от массы земной коры. Включает минералы, представляющие собой соли угольной кислоты (Н₂СО₃). К ним относятся: кальцит, магнезит и доломит.

Кальцит – карбонат кальция (СаСО₃), относится к числу распространенных минералов, плотность 2,6...2,8 г/см³, твердость 3, слабо растворим в воде (0,03 г/л). При содержании в воде углекислого газа СО₂ переходит в бикарбонат кальция (СаНСО₃)₂, который в воде растворим в 100 раз больше, чем СаСО₃. Кальцит образует горные породы: кристаллические известняки и мраморы.

Кальцит может быть и не в виде кристаллов. В таком виде он образует такие горные породы, как мел и плотные известняки.

Магнезит (MgCO₃). Встречается в природе реже, чем кальцит. Плотность 3 г/см³, твердость 4...4,5.

Доломит (СаСО₃·MgCO₃), плотность 2,8 г/см³, твердость до 4. Доломит слагает осадочную горную породу того же названия – доломит.

Класс сульфатов

Составляют 0,1 % от массы земной коры. Этот класс насчитывает более 270 минералов, из которых наиболее распространены гипс и ангидрит.

Гипс (СаSО₄·2H₂O) – минерал с плотностью 2,3 г/см³, твердость 1,5...2, растворим в воде. При обезвоживании гипс переходит в ангидрит (СаSО₄) с большой плотностью (2,8...3,0 г/см³) и твердостью 3...3,5. При длительном контакте с водой ангидрит переходит в гипс, увеличиваясь в объеме до 30 %.

 

Классификация горных пород

 

Известно около 1000 видов горных пород. По происхождению (генезису) они делятся на три группы (рис. 3.1):

- изверженные (магматические);

- осадочные;

- метаморфические (видоизмененные).

Каждая из групп делится, в свою очередь, на подгруппы, в каждой из которых представлены основные виды горных пород.

Ниже кратко рассмотрены вопросы образования тех или иных групп горных пород и характеристики некоторых ее представителей.

Краткий анализ образования горных пород изложен последовательно, переходя от одной генетической группы к другой.

 

3.3.1. Изверженные (магматические) горные породы образовались в результате застывания расплавленной магмы глубоко под землей или на ее поверхности.

Породы, которые образовались в толще земной коры, называются интрузивными (глубинными), а на поверхности – эффузивными (излившимися)1).

Различные условия остывания магмы в глубине и на поверхности земной коры обусловливают различные свойства изверженных горных пород.

Интрузивные (глубинные) изверженные породы образовались в условиях высокого давления и медленного равномерного охлаждения. При этом происходит полная кристаллизация магмы, и образуются плотные полнокристаллические породы. К ним относятся гранит, сиенит, диорит, габбро.

Гранит – наиболее распространенная глубинная магматическая горная порода, состоящая в основном из кварца, силикатов и алюмосиликатов. Водопоглощение не превышает 1 %, обладает высокой морозостойкостью и теплопроводностью. Истинная плотность 2,7 г/см³, средняя – 2,6 г/см³, высокая прочность (120...200 МПа), устойчив против выветривания. Однако, граниты не огнестойки, утрачивают прочность при температуре выше 800 ºС.

Из гранитов можно изготавливать все виды каменных материалов – колотые, дробленые, молотые, тесанные и полированные. Красивая окраска некоторых видов гранитов позволяет использовать их для архитектурно-отделочных работ в зданиях, станциях метро, для укрепления берегов рек (набережные).

Крупные месторождения гранита находятся в Карелии, Украине, на Кавказе, Урале, в Прибайкалье, на юге Беларуси (Микашевичи, Глушковичи).

Габбро – более прочная, чем гранит, горная порода (прочность при сжатии – до 350 МПа), средняя плотность от 2,9 г/см³ до 3,2 г/см³. Наряду с высокой прочностью, обладает большой вязкостью, что несколько затрудняет его разработку. Габбро хорошо полируется. В дорожном строительстве габбро, как и гранит, находят применение в для получения различных строительных материалов.

Эффузивные (излившиеся) магматические горные породы изливались на поверхность Земли в виде лавовых потоков при быстром охлаждении, снижении давления и удаления газов и паров, растворенных в магме. В таких условиях образуются породы со скрытокристаллической структурой, а иногда даже аморфной с большой пористостью. К породам такой подгруппы, например, относятся: порфир, диабаз, андезит, базальт.

Базальт – самая распространенная излившаяся горная порода серого и черного цвета. Плотность 2,7...3,3 г/см³, предел прочности при сжатии от 110 до 500 МПа (в среднем 200...250 МПа). Базальты ввиду большой твердости и хрупкости трудно обрабатываются, но хорошо полируются. Применяются, главным образом, в виде бутового камня и щебня для бетонов, в дорожном строительстве (для мощения дорог и улиц, например, брусчатка на Красной площади в Москве), в гидротехническом строительстве. Базальты являются исходным материалом для литых каменных материалов и высококачественной минеральной ваты.

Диабаз – мелкозернистая порода черного цвета. Диабазы характеризуются высокой прочностью, вязкостью и низкой истираемостью. Прочность диабаза составляет 300...450 МПа, плотность равна около 3,1 г/см³. Порода хорошо полируется и раскалывается при ударах на куски сравнительно правильной формы, поэтому из диабаза часто изготавливают высококачественную брусчатку для дорожного строительства.

Диабаз и базальты широко используются в строительстве. Нередко они переплавляются в литой камень – базальтин с изготовлением из него труб, химического оборудования и аппаратуры высокой кислотостойкости и прочности (до 800 МПа), большой долговечности.

Излившиеся обломочные породы – рыхлые или цементированные – легкие пористые материалы, характеризуются малой теплопроводностью и достаточной морозостойкостью.

В подгруппу рыхлых обломочных пород входят вулканический пепел и песок, пемза.

Вулканический пепел и песок – наиболее мелкие частицы лавы, обломки отдельных минералов, выброшенные при извержении вулкана. Происхождение пепла объясняется размельчением лавы при взрывных ее выбросах. Размеры частиц пепла колеблются от 0,1 до 2 мм.

Вследствие быстрого остывания эти горные породы имеют аморфную (стеклообразную) структуру и поэтому обладают определенной химической активностью, благодаря чему, при добавлении извести или цемента, они способны к гидравлическому твердению. Это использовали еще в древнем Риме для придания извести водостойкости (добавляли, например, пепел Везувия).

Пемза – очень пористая (до 80 %) легкая порода в виде кусков размером 5...100 мм. Плотность 0,3...0,7 г/см³. Низкая теплопроводность – 0,14...0,23 Вт/м·К. Прочность пемзы невелика – 2...4 МПа, но это вполне достаточно для ее использования при производстве легких бетонов. Кроме того, пемза используется в молотом виде как добавка к цементам в качестве абразивного порошка (твердость пемзы около 6).

Наиболее типовым представителем обломочных цементированных горных пород является вулканический туф и его наиболее уплотненный вид, называемый трассами.

Вулканический туф – горная порода, образовавшаяся из вулканических пеплов, которые сцементировались в результате спекания или в результате природной цементации. Это пористая порода (пористость 30...40 %) в основном с замкнутыми порами, что обусловливает их высокую морозостойкость. Средняя плотность 0,8-1,8 г/см³, теплопроводность – не более 0,62 Вт/м·К.

Туфы легко обрабатываются, распиливаются, шлифуются, но не полируются. Крупнейшее месторождение – в Армении (продукты ныне потухшего вулкана Арарат).

Туфы используют как облицовочный материал для изготовления стеновых блоков, а также в виде щебня для легких бетонов. В тонкомолотом виде туф используют как добавку к цементам.