Основы общей и инженерной геологии. Лекции

ТЕМА  3. 

Магматические, осадочные и метаморфические горные породы. 

3.1. Глубинные и излившиеся магматические породы, их формы залегания,   Классификация   по   условиям   залегания   и   химико-минералогическому   составу   (кислотности).

3.2. Свойства основных представителей магматических пород.

3.3. Осадочные горные породы, их условия образования, классификация, состав и свойства. 

3.1. Глубинные и излившиеся магматические породы, их формы залегания,   Классификация   по   условиям   залегания   и   химико-минералогическому   составу   (кислотности). 

      Горными породами называются минеральные агрегаты, образованные в земной коре и состоящие из одного или нескольких минералов. Они могут быть мономинеральными (каменная соль, гипс, мрамор) и, чаще, полиминеральными (песок, глина, гранит и др.). Известно около 1000 видов горных пород. По условиям образования горные породы, как и минералы, делятся на три больших класса: магматические, осадочные и метаморфические.

      Магматические (или изверженные) горные породы образуются из магмы в недрах Земли (в земной коре - литосфере) или при ее излиянии на поверхность, в том числе и при извержениях вулканов, которые могут быть и подводными.

      Осадочные горные породы образуются на поверхности Земли, на суше и в воде, при обычных температурах и давлениях. Основная масса осадочных пород образуется в морях и океанах. Это мощные пласты глинистых отложений,  известняки, пески, соли. Пример – морские глинистые толщи сармата и майкопа на территории г. Ставрополя и СевКавГТУ. Но осадконакопление идет и на суше. Например, мощные (до 100 м и более) лессовые толщи в степных районах Северного Кавказа образовались из пыли, принесенной в ледниковый период из Прикаспийской низменности. Речной песок, гравий и галька (аллювий рек Кубани и Кумы) образовались в основном при таянии ледников Кавказа в теплые межледниковые периоды.

      Метаморфические горные породы образуются из осадочных и магматических, когда они, в результате тектонических процессов, оказываются в земной коре и под воздействием температуры, давления, газов и паров воды изменяют свой состав, структуру и свойства.

      Эти классы горных пород резко отличаются друг от друга следующими признаками:

      - условиями залегания,

      - химическим и минералогическим составом,

      - структурой, т.е. особенности внутреннего строения (размером и формой минеральных зерен, их расположением и структурными связями),

      - текстурой – сложением породы в пласте, которая может быть однородной (массивной), слоистой, столбчатой, шлаковой (пемза).

      В земной коре преобладают магматические и метаморфические горные породы, но на поверхности они обнажаются реже, т.к. перекрыты покровом осадочных отложений.

      Магматические горные породы.

      Магматические породы делятся на глубинные и излившиеся.

      Глубинные магматические породы застывают на большой глубине при больших давлениях и температурах. При таком медленном остывании магмы сначала происходит кристаллизация высокотемпературных минералов, затем низкотемпературных кристаллов. Образуются полнокристаллические, массивные и плотные породы. В глубинных породах размер зерен-кристаллов достигает 1-5 мм и более.

      Магматические породы имеет следующие формы залегания:

      Батолиты – огромные массивы площадью до нескольких сотен километров, залегающие глубоко от земной поверхности;

      Штоки – ответвления от батолитов;

      Лакколиты – грибообразные формы, образованные при внедрении магмы между слоями осадочных пород. Горы Кавказских Минеральных Вод считаются лакколитами;

      Жилы возникают при заполнении магмой трещин в земной коре.

      Излившиеся (эффузивные) магматические породы остывают быстро, иногда с бурным выделением газов. При этом образуются породы мелкокристаллические и порфировидные (с крупными зернами в скрытокристаллической массе), стекловатые (вулканическое стекло - обсидиан), пористые (пемза). Основные формы залегания излившихся магматических тел:

      Купола  – вулканические  конусы имеют сводообразные формы;

      Лавовые покровы образуются в результате растекания магмы на поверхности Земли;

      Лавовые потоки имеют вытянутые формы, возникшие в результате излиянии магмы из вулканов.

      Магматические породы классифицируются не только по условиям залегания (глубинные и излившиеся), но по химико-минералогическому составу, точнее, по кислотности (содержанию кремнекислоты SiO₂).  

3.2. Свойства основных представителей магматических пород. 

      Основными показателями физико-механических свойств  этих пород являются: плотность, прочность  на сжатие (временное сопротивление  сжатию), деформационные характеристики, водопоглощение, трещиноватость. Их определение производят по ГОСТам. Плотность пород зависит от плотности минералов и пористости породы. В связи с тем, что плотность основных породообразующих минералов (кварц, полевые шпаты и др.) находится в пределах 2,5-3,0 г/см³, то и плотность магматических непористых пород близка к значению 2,7 г/см³.   

      Граниты используются как облицовочный камень, на бордюры, ступени, щебень, волнорезы, так как имеют высокую механическую и химическую стойкость (Р_сж=50-100 МПа). 

      Кварцевые порфиры имеют в мелкозернистой массе зерна кварца, которые раскристаллизовались раньше основной силикатной массы и липариты, их прочность на сжатие Р_сж =100-150 МПа. Применение: строительные материалы и облицовочный камень. Вулканическое стекло (обсидиан - темное стекло) идет на гидравлические добавки. Пемза - пористая легкая (плотность < 1г/см³) порода применяется как заполнитель для легких бетонов, активных добавок к цементам, а также для теплоизоляции. 

      Сиениты - розовые, красные, светло-серые, мелкозернистые и среднезернистые структуры и массивной текстуры, прочность на сжатие Р_сж =120-180 МПа. Применение аналогично граниту. Отсутствие твердого кварца облегчает полировку.

      Диориты - светло-серые до темно-черной окраски, мелкозернистые и среднезернистые разновидности прочнее и более морозостойкие, Р_сж=180-240 МПа.

      В порфиритах крупные зерна плагиоклаза утоплены в стекловатой массе, Р_сж=160-250 МПа.

      Андезиты - сероватые, буроватые, имеют плитчатую и столбчатую отдельность, которая образуется при быстром остывании магмы (лавы), Р_сж=140-250 МПа.

      Трахиты - белые, серые, желтоватые, шероховатые на ощупь, легко выветриваются, при выветривании образуют глинистые минералы, Р_сж=60 МПа.

      Габбро – среднезернистые и крупнозернистые, от темно-серой до черной окраски. Если преобладает лабрадор, то габбро называется лабрадоритом. Порода вязкая, трудно обрабатывается, но красивый облицовочный камень, Р_сж=80-360 МПа.

      Базальты - темные, черные, плотные, иногда пузырчатые. Структура мелкокристаллическая и скрытокристаллическая. При порфировой структуре выделяются зерна оливина и авгита как низкоплавких минералов. Базальты очень прочная порода, Р_сж=300-500 МПа. Базальты очень хороший строительный материал, кислотоупорный, применяется в каменно-литейной промышленности, получают облицовочную плитку, лестничные марши с прочностью сжатия Р_сж = 1000 МПа.

      Диабазы имеют зеленоватую окраску за счет вторичных хлоритовых минералов, структура мелкозернистая до крупнозернистой.

      Пироксениты – темно-зеленые, почти черные, полнокристаллические, массивные, состоят из авгита с примесью оливина. Порода вязкая, обрабатывается трудно.

      Дунит – темно-зеленая, оливково-зеленая порода,  основной минерал – оливин, ценное сырье для огнеупорных кирпичей.

      Перидотит – темно-серый, почти черный, среднезернистый и крупнозернистый, массивный, состоит из оливина и авгита.

      Ультраосновные магматические породы на поверхности земли легко выветриваются, образуя тальк, серпентин и другие минералы. С этими породами связаны месторождения ценных полезных ископаемых (платина, медь, хром, титан, никель, кобальт, асбест, тальк). Формы залегания этих пород – штоки, жилы, глубокие части лакколитов. Хорошо сохраняются на глубине, на поверхности быстро выветриваются. 

3.3. Осадочные горные породы, их условия образования, классификация, состав и свойства. 

      Осадочные породы занимают верхнюю часть литосферы. Это прерывистый чехол переменной мощности, состоящий из разнообразных пород, которые покрывают поверхность континентов, дно океанов и морей. Осадочные породы в земной коре составляют около 5 %, но они покрывают более 75 % поверхности Земли. Поэтому строителям часто приходится иметь дело с осадочными породами (разнообразными грунтами). Мощность толщ осадочных пород изменяется от нескольких метров до нескольких километров. В Прикаспийской низменности мощность осадочного покрова составляет 15-20 км.

      Образование, или литогенез, осадочных пород происходит по определенной схеме. Для осадочных пород сначала необходимо образование исходных продуктов за счет разрушения (выветривания) магматических, метаморфических и осадочных пород. При выветривании первичных пород образуются новые минералы, обломки пород, коллоидные и истинные растворы. Затем происходит их перенос одним из трех геологических агентов – водой, ветром или ледником. Отложение (накопление) переносимых осадков называется седиментогенезом. Накопление осадочных пород обычно происходит в виде слоев или линз. Тонкие слои называют прослоями. Слоистость пород обусловлена сменой крупности или вещественного состава материала, а также изменением цвета осадка при его накоплении.

        Превращение осадков в осадочные породы называется их диагенезом. Формирование пород происходит в различных физико-химических условиях, которые определяют все особенности пород как грунтов. Такими особенности, отличающие осадочные породы от магматических и метаморфических, являются:

      1. Минералогический  и химический состав, в котором различают, кроме первичных магматических минералов, новые вторичные минералы - соли (кальцит, гипс, галит) и глинистые минералы (каолинит, монтмориллонит, гидрослюды). В осадочных породах минералов больше, чем в магматических, и изучать их труднее (малый размер частиц, коллоидное и аморфное состояние вещества).

      2. Структуры осадочных  пород разнообразны и определяются размером их частиц (зерен минералов, обломков пород, агрегатов частиц) и характером их структурных связей.

      3. Пористость - характерная особенность большинства осадочных пород (кроме химических осадков). Объем пор может быть очень большим: в глинах, суглинках, супесях, лессах пористость Vn=40-60%, ил  имеет пористость до 70-80%, ракушечник – 30-40%, песчаник – 10-15%.

      4. Роль климата (климатическая обусловленность осадконакопления) выражается в формировании определенных типов осадочных пород в разных климатических зонах (пример –моренные суглинки, лессовые породы, соли, латериты).

      5. Присутствие органических  остатков (растений и скелетных частей организмов) во многих осадочных породах позволяет определить условия их образования.

      Классификация осадочных пород. Осадочные породы принято разделять на три группы: 1) обломочные и глинистые, 2) химические (хемогенные) осадки и 3) органогенные, возникшие в результате жизнедеятельности организмов. Такое деление условно, т.к. многие осадочные породы имеют смешанное происхождение (пример, известняки, песчаники, мергели, угли).