Лекция 2. Минералы горных пород. Горные породы и процессы в них

Минералом называют природное химическое соединение (или химический элемент), возникающее в результате определенных физико-химических процессов, протекающих в земной коре или на ее поверхности.

Большинство минералов - твердые тела. Но минералы могут быть жидкими (вода, ртуть) и газообразными (углекислый газ, метан).

По своему внутреннему строению минералы подразделяют на кристаллические и аморфные.

Аморфные минералы

Для аморфныхминералов характерно беспорядочное расположение слагающих их частиц (молекул или атомов). Аморфными являются все жидкие, газообразные и некоторые твердые минералы (опал, янтарь, обсидиан).

Кристаллические минералы

В кристаллическихминералах атомы, ионы или молекулы располагаются в строго определенном порядке, образуя пространственную кристаллическую решетку. Это проявляется в их внешней правильной форме.

Кристаллическим веществам свойственны явления изоморфизма и полиморфизма

Изоморфизм(равноформенность) - свойство элементов заменять друг друга в химических соединениях родственного состава.

В природе шире распространены не единичные кристаллы минерала, а различные их срастания, или агрегаты. Зернистые агрегаты. В зависимости от формы слагающих зерен различают собственно зернистые (состоящие из изометричных зерен), а также пластинчатые, листоватые, чешуйчатые, волокнистые, игольчатые, шестоватые и другие агрегаты. По величине зерен бывают агрегаты крупнозернистые – более 5 мм в поперечнике; среднезернистые – от 1 до 5 мм и мелкозернистые – с зернами менее 1 мм. Зернистыми агрегатами сложено, в частности, большинство изверженных и метаморфических горных пород, а также многие осадочные породы, некоторые типы сульфидных руд и др.

Друзы – сростки правильных, хорошо образованных кристаллов минералов на стенках пустот различной формы (трещин, каверн, «погребов», «занорышей», «пещер» и др.). В морфологическом отношении бывают весьма разнообразны: «щетки» кристаллов, «кристаллические корки» (мелкие тесно сросшиеся кристаллики, сплошь покрывающие стенки узких трещин), «гребенчатые» сростки и др. Друзы кристаллов типичны для пегматитов, некоторых типов гидротермальных жил и жил альпийского типа.

Секреции – выполнения пустот изометричной, часто округлой формы, отличающиеся концентрически-зональным строением. Внешние зоны секреций часто бывают выполнены аморфными или скрытокристаллическими минералами, а во внутренней их части сохраняется полость, на стенках которой нарастают друзы кристаллов или натечные агрегаты минералов. Мелкие секреции, встречающиеся в излившихся породах и туфах, называются миндалинами, крупные, особенно характерные для пегматитов и альпийских жил, – жеодами.

Конкреции – шарообразные или неправильной формы стяжения и желваки, образующиеся в рыхлых осадочных породах (илах, глинах, песках и др.). В отличие от секреций, конкреции разрастаются от какого-либо центра (обломочного зерна, органического остатка и т.д.), вокруг которого образуется сгусток коллоидального вещества, впоследствии раскристаллизованного. Конкреции характерны для фосфоритов, сидеритовых, марказитовых и других типов руд осадочного происхождения.

Оолиты – подобно конкрециям имеют сферическую форму, но величина их гораздо мельче: от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров. Они образуются путем наслоения коллоидального материала на песчинки и органические обломки, находящиеся в подвижных водных средах во взвешенном состоянии. Оолиты весьма характерны для некоторых известняков, осадочных железных и марганцевых руд, а также бокситов.

Натечные формы выделений минералов образуются на стенках различных пустот и полостей при медленном стекании растворов. К ним относятся известковые и ледяные сталактиты и сталагмиты пещер, по форме сходные с обычными ледяными сосульками, почковидные, гроздевидные выделения минералов в зонах окисления и выветривания рудных месторождений и др. Размеры и формы натечных образований могут быть самыми разнообразными: от долей миллиметра до громадных столбов (в больших пещерах). Натечные формы выделений характерны для многих гипергенных и низкотемпературных гидротермальных минералов: кальцита, арагонита, малахита, гематита, гидроокислов железа, марганца, опала, гипса, некоторых сульфидов, смитсонита и др.

Землистые массы – рыхлые, мягкие, мучнистые агрегаты аморфного или скрытокристаллического строения, сажистые (черного цвета) или охристые (желтого, бурого и других ярких цветов). Чаще всего образуются при химическом выветривании горных пород и в зоне окисления руд (например, руды марганца).

Налеты и примазки – тонкие пленки различных вторичных минералов, покрывающие поверхность кристаллов или пород. Таковы пленки лимонита на кристаллах горного хрусталя, примазки медной зелени по трещинам в горных породах, вмещающих сульфидные месторождения с минералами меди, и т.п.

Выцветы – периодически появляющиеся (в сухую погоду) и исчезающие (в дождливые периоды) рыхлые корочки, пленки, налеты, часто пушистые или моховидные, на поверхности сухих почв, руд и горных пород и по трещинам в них. Эти образования сложены чаще всего легкорастворимыми водными хлоридами, сульфатами разных металлов или же другими водно-растворимыми солями.

Свойства минералов.

А. Твердость - способность минерала противостоять внешнему механическому воздействию (царапанью, вдавливанию, шлифованию и т. д.).

Для определения относительной твердости минерала широко применяют шкалу Мооса,составленную австрийским минералогом Ф. Моосом в 1811 г. Твердость устанавливается путем сравнения исследуемого минерала с эталонным, твердость которого известна.

Шкала твердости Мооса:

Тальк Mg,[Si₄O₁₀] (ОН).

Гипс CaSO₄·2H,O

Кальцит СаСО₃

Флюорит CaF₂

Апатит Са₅ [РО₄]₃ (F, C1, ОН)

Ортоклаз (полевой шпат) К [AlSi₃O₈]

Кварц SiO₂

Топаз Al₂ [SiO₄] (F, ОН)₂

Корунд А1₂ О₃

Алмаз С

В полевых условиях при отсутствии шкалы твердости используют широко распространенные предметы с известной твердостью.

Если минерал оставляет черту на бумаге, то его твердость - 1.

Ноготь имеет твердость приблизительно 2,5,

Железный гвоздь — 4-4,5,

Оконное стекло - 5,

Лезвие бритвы, стального ножа - 5-6,

Напильник - 7.

Б. Плотность - это масса единичного объема вещества. В минералогии обычно измеряется в г/см³.

По плотности минералы распределяют на три группы:

легкие - с плотностью до 2,5 (графит, сера);

средние - от 2,5 до 4 (кварц, полевые шпаты);

тяжелые - больше 4.

К последней группе относятся руды многих металлов: железа - гематит (плотность 5,2), свинца - галенит (7,5), ртути - киноварь (8). Большая плотность является важным диагностическим признаком самородных металлов: медь - 8,5-9, серебро - 10-11, золото - 15,6-19, платина - 14-21.5.

В. Цвет(окраска) - зависит от сложного сочетания различных факторов: основного химического состава, строения, наличия различных примесей, условий образования.

Если основная окраска минерала обычно определяется его основным химическим составом, то другие цвета и цветовые оттенки обусловлены различными примесями.

У большинства минералов цвет непостоянный.

Окраска некоторых минералов может меняться в зависимости от освещения.

Г. Цвет черты

Для определения некоторых минералов часто используют цвет черты - способность давать окрашенную черту на белой фарфоровой пластинке с шероховатой, не покрытой эмалью поверхностью. Цвет черты - это цвет минерала в тонком порошке.

Д.Блеск - интенсивность света, отраженного от поверхности минерала.

По характеру блеска минералы делятся на две группы: с металлическим блеском и неметаллическим блеском.

Е. Спайность

Спайность - способность минералов раскалываться по определенным направлениям с образованием ровных, гладких поверхностей. Спайность зависит от особенностей кристаллической решетки минерала.

Ж. Излом. Для некоторых минералов важным диагностическим признаком является излом - неровная поверхность, появляющаяся при раскалывании минерала не по плоскости спайности.

З. Прозрачность - способность минералов пропускать свет. По степени прозрачности различают: прозрачныеминералы (топаз); полупрозрачные, через которые видны только расплывчатые очертания предметов (изумруд, халцедон); просвечивающиев тонких пластинках (полевые шпаты); непрозрачные, не пропускающие свет даже в тонких пластинках (пирит, магнетит).

Образование минералов в природе происходит различными способами, и процессы их образования (генезис), преобразования и распада происходят в соответствии с физико-химическими условиями в земной коре и на ее поверхности.

Возникающие в результате минералы обладают химическим составом и физическими свойствами, которые находятся в равновесии с физико-химическими и биологическими условиями (температурой, давлением и концентрацией элементов) окружающей их обстановки. Если изменяются эти условия целиком или частично, то происходит преобразование или разрушение минерала.

Генезис минералов и горных пород определяется геологическими процессами, формирующими земную кору. Последние, в зависимости от места их возникновения, физико-химических и биологических условий среды, разделяются на эндогенные, экзогенные и космогенные.

К эндогенным (внутренним) геологическим процессам относятся процессы, происходящие внутри Земли за счет энергии, выделяемой в процессе преобразования вещества в глубинных зонах Земли (главным образом при распаде радиоактивных элементов), а также в результате действия силы тяжести (притяжения Луны и Солнца), вращения Земли вокруг оси, прецессии, нутации земной оси, движения по эллиптической орбите и, отчасти, за счет солнечной энергии. Этому сопутствуют высокие температуры и большие давления в недрах Земли.

К экзогенным процессам относятся процессы, развивающиеся в результате взаимодействия горных пород и минералов земной коры с атмосферой, гидросферой и биосферой. Существенное значение в развитии экзогенных процессов имеет техногенная деятельность человека. Большую роль в экзогенных процессах играет сила тяжести (гравитация), электромагнитное поле Земли, потоки солнечной энергии и вещества из космоса, деятельность организмов и человека. При этом происходит поверхностное разрушение и преобразование минералов, созданных эндогенными процессами в верхних горизонтах земной коры и на ее поверхности как без участия высоких температур и больших давлений, так и с участием – при падении метеоритов, астероидов.

Горные породы - природные агрегаты минералов относительно постоянного минералогического и химического состава, которые образуют самостоятельные геологические тела, слагающие земную кору.

Каждая горная порода образуется в строго определенных физико-химических условиях.

Для определения любой горной породы используют внешние признаки:

минеральный состав,структуру (строение).

По минеральному составу породы делятся на:

мономинеральные, состоящие из одного минерала

полиминеральные, состоящие из нескольких минералов

Минералы, слагающие основную массу горной породы (95% и более), содержащиеся в ней в определенных количествах и влияющие на отнесение ее к тому или иному виду, являются главными породообразующими.

Кроме них, в горных породах могут присутствовать второстепенные минералы, часто ценные в практическом отношении, но не влияющие на их диагностику.

Альмандин-кварц-биотитовый сланец содержит главные породообразующие минералы: альмандин (гранат), кварц биотит (слюда).

Под структурой понимают строение породы, т.е. степень кристалличности минерального агрегата, форму, размеры и взаимоотношения входящих в его состав зерен минералов.

Примеры разных типов строения:

Зернистое (минералы представлены зернами),

Порфировое (на плотном фоне разбросаны вкрапления зерен),

Обломочное (обломки разной величины, сцементированные плотной массой),

Плотное (зерна неразличимы невооруженным глазом),

Пористое (ясно видны поры),

Сланцеватое (сланцеватость – способность горных пород при ударе раскалываться на плитки),

Несцементированные обломки (обломки различной величины, формы и цвета находятся в сыпучем виде).

По своему происхождению (генезису) горные породы подразделяются на три класса: магматические (изверженные), осадочные, метаморфические.

Магматические горные породы образуются при застывании природных силикатных растворов сложного состава (магм, лав). Они слагают более 60 % объема земной коры.

В зависимости от условий, в которых происходит застывание магмы, магматические горные породы делятся на две группы: интрузивные и эффузивные.

Интрузивные, или глубинные, горные породы образуются при застывании магмы, внедрившейся в земную кору.

Если магма, поднимаясь по тектоническим трещинам или через жерла вулкана достигает земной поверхности и изливается в виде лавы, которая быстро остывает, то образуются эффузивные, или излившиеся, горные породы.

А. Интрузивные, или глубинные, горные породы

На больших глубинах господствует высокое давление, препятствующее отделению летучих компонентов (газов, паров воды). Застывание магмы происходит очень медленно из-за плохой теплопроводности вмещающих магму пород. Такие условия способствуют лучшему росту кристаллов.

Поэтому структура таких пород полнокристаллическая (породы полностью состоят из зерен, входящих в них минералов, плотно прилегающих друг к другу), равномернозернистая.

Б. Эффузивные, или излившиеся, горные породы

Быстрое снижение температуры и давления, потеря уходящих в атмосферу газов и паров воды приводят к тому, что расплав не успевает раскристаллизоваться полностью и затвердевает в виде аморфного вулканического стекла или в форме агрегата очень тонких зерен.

Эффузивные, или излившиеся, горные породы

Структура эффузивных пород может быть стекловатой (аморфной, лишенной зернистости), скрытокристаллической (кристаллы различимы только под микроскопом) и порфировой. Последняя возникает при медленном подъеме магмы с больших глубин к земной поверхности.

Текстура эффузивных пород может быть пористой, обусловленной выделением газов из застывающей лавы.

Магматические горные породы подразделяются по содержанию в них кремнезема (SiO₂) на кислые, средние, основные и ультраосновные

Магматические горные породы подразделяются по содержанию в них кремнезема (SiO₂) на кислые, средние, основные и ультраосновные:

Классификация пород	Содержание кремнезема (SiO2)	Примеры горных пород-аналогов
Интрузивная	Эффузивная
Кислые	65-75 %	Гранит	Липарит, кварцевый порфир
Средние	55-65 %	Сиенит, диорит	Трахит, порфирит, андезит
Основные	40-55 %	Габбро	Базальт, диабаз
Ультраосновные	менее 40 %	Дунит, перидотит	-

 

Главные факторы метаморфизма — температура, флюиды, давление

Эти факторы оказывают влияние на любые горные породы, находящиеся на различной глубине, при этом время не особенно важно при метаморфизме.

Метаморфические изменения в горных породах начинаются при повышении температуры до 200 °С и увеличении всестороннего, т. е, литостатического, давления, вызванного весом вышележащих пород. Не меньшее значение имеет стресс, боковое давление, обеспечивающее различное напряженное состояние горных пород, в результате которого открываются пути для миграции глубинных мантийных флюидов, являющихся главными переносчиками теплоты. Именно стресс вызывает появление характерной сланцеватости многих метаморфических образований.

 

Вопросы для самоподготовки:

1. Что изучает геология?

2. Что изучает минералогия?

3. Что изучает петрология?

4. Что изучает стратиграфия?

5. В чем заключается теория большого взрыва?

6. Каковы характеристики Земли?

7. Что такое земная кора, мантия и ядро?

8. Что такое минерал?

9. Что такое аморфный и кристаллический минерал?

10. Что такое изоморфизм и полиморфизм?

11. Что такое друзы?

12. Что относят к секрециям?

13. Что понимают под конкрециями и оолитами?

14. Опишите свойства минералов?

15. Способы образования минералов?

Лекция 3. Грунтоведение

Грунтоведение, являющееся одной из составных частей инженерной геологии, изучает грунты, как объект инженерной деятельности человека.

Под грунтами следует понимать почвы и горные породы, изучаемые, как основа под фундаменты или как естественные строительные материалы для различных сооружений.

Предметом изучения грунтоведения является изучение физико-механических свойств горных пород, определяющих их поведение под воздействием инженерных сооружений и природной обстановки. Этими свойствами являются, прежде всего, прочность и деформируемость грунтов, а также изменчивость этих свойств во времени, что, в свою очередь, определяется типом грунта и условиями его залегания - естественными или нарушенными. Причем, изучение свойств горных пород затруднено тем обстоятельством, что свойства пород в отдельных небольших образцах резко отличаются от свойств той же породы, залегающей в естественных условиях - массиве ненарушенного сложения.

Инженерно-геологическое описание по стандартному полному перечню свойств, общая последовательность этого описания такова:

1. название (глина, песок, известняк):

2. минеральный состав;

3. цвет (сочетание цветов); в сухом и влажном состоянии

4. гранулометрический состав или блочность (содержание зерен или блоков определенных размеров);

5. форма зерен;

6. цементация (состав, тип связей, структура);

7. нестойкие составляющие (растворимые, органические и т.д.), тип, распределение в пространстве;

8. пористость (размер пор, их распределение);

9. трещиноватость (размер, направление трещин, наличие заполнителя, его инженерно-геологическое описание);

10. включения (форма, размер и характер распределения);

11. сложение (размеры и форма отдельности);

12. текстурные особенности (слоистость, ритмичность, массивность),

13. выветрелость (новообразования, изменения цвета, цементации, прочности);

14. влажность;

15. консистенция;

16. размокание;

17. прочность;

18. характер изменения грунта в пределах описываемого обнажения.

Показатели, которые для грунта данного вида не могут быть охарактеризованы, или их характеристика лишена смысла, пропускаются. Например, минеральный состав для глинистых грунтов в полевых условиях, как правило, не определяется; для скальных - лишено смысла определение консистенции. При описании грунтов следует пользоваться лупой, скальпелем, реактивами, предметными стеклами.

При оценке свойств грунтов, выступающих в роли оснований, большое внимание уделяется их деформативным ипрочностным по­казателям. Показатели в большой степени находятся в зависимости от многих другихособенностей грунтов: химико-минерального cocтава, структур и текстур, характера взаимодействия грунтов с водой, степени их выветрелости и ряда других. Недоучет тех или иных особенностей свойств «грунтов-оснований» влечет за собой ошибки при проектировании и строительстве зданий и сооружений, что в итоге приводит к утрате прочности грунтов в период эксплуатации.

Классификация грунтов

Классификация грунтов могут быть общими, частичными, регио­нальными и отраслевыми.

Задача общих классификаций—по возможности охватить все наиболее распространенные типы горных пород и охарактеризовать их как грунты. Такие классификации должны основываться исключитель­но на генетическом подходе, при котором оказывается возможным связать инженерно-геологические свойства горных пород с их генети­ческими особенностями и проследить изменение этих свойств от одной группы грунтов к другой. Эти классификации служат базой для разра­ботки всех других видов классификаций.

Частные классификации подразделяют и детально расчленяют грунты на отдельные группы по одному или нескольким признакам. К таким классификациям относятся классификации:

- осадочных, обломочных, песчано-глинистых грунтов по гранулометрическому составу,

- глинистых пород — по числу пластичности,

- лессовых пород — по степени просадочности и т. п.

Эти классификации могут быть развитием или составной частью общих классификаций.

Региональные классификации рассматривают грунты применительно к определенной территории. В их основе лежит возрастное и генетическое подразделение пород, встречающихся на данной терри­тории. Разделение групп фунтов проводят, базируясь на формационно-фациальном учении о горных породах.

Отраслевые классификации фунтов составляются применительно к запросам определенного вида строительства. Естественно, такие классификации базируются на положениях вышеописанных класси­фикаций и являются как бы конкретным результатом общих класси­фикаций для решения вопросов при инженерно-геологической оценке территорий и площадки строительства.

Классификация грунтов отражает их свойства. В настоящее время грунты согласно ГОСТ 25100—95 разделяют на следующие классы — природные: скальные, дисперсные, мерзлые и техногенные образова­ния. Каждый класс имеет свои подразделения. Так, грунты скальных, дисперсных и мерзлых классов объединяются в группы, подгруппы, типы, виды и разновидности, а техногенные грунты вначале разделя­ются на два подкласса, а далее также на группы, подгруппы, типы, виды и разновидности. Классификация фунтов согласно ГОСТ 25100—95 в сокращенном виде показана в таблице: