Основы общей и инженерной геологии. Лекции

      Классификация обломочных и глинистых пород (табл. 3.2) основана на размере и форме их частиц и обломков, с учетом их плотности и состояния (рыхлости и сцементрованности).

      Грубообломочные породы состоят из угловатых (глыбы, щебень, дресва) или окатанных (валуны, галька, гравий) обломков различных пород. Грубообломочные осадочные породы образуются в основном в горных районах, на морских побережьях, в долинах рек, в ледниковой морене. Окатанность и размер их обломков зависит от способа и пути транспортировки материала. Например, речные отложения Кубани, Терека, Кумы и других рек по мере удаления от истоков становятся более мелкими и лучше окатанными.

      К обломочным осадочным породам относят также пирокластические породы – твердые продукты извержения вулканов (вулканические бомбы, песчаные и пылеватые частицы). Оседая на поверхности земли, они образуют сцементированные породы – пепел и туф.

      Песчаные  породы – рыхлые, сыпучие отложения с размером частиц 0,05-2,0 мм, принесенные водой или ветром. Различают – морские, озерные, речные, эоловые (ветровые) пески. В песках преобладают прочные минералы, устойчивые к выветриванию - кварц, полевые шпаты, слюды. Пески могут быть мономинеральные (месторождение с. Спасское, в котором кварц (SiO₂) составляет 99,7 %) и рудные (Бешпагирское месторождение циркониевых песков). Пески состоят из частиц размером 0,05-2,0 мм. По крупности частиц пески делятся на крупные (0,5-2,0 мм), средние (0,25-0,5 мм), мелкие (0,1-0,25 мм) и пылеватые (менее 0,1 мм). В песках преобладают стойкие к выветриванию зерна минералов (в основном кварц, меньше слюды и др.). Мономинеральные чистые пески встречаются редко. В Ставропольском крае есть Спасское месторождение кварцевых песков, Происхождение песков – речное, ветровое, морское и т.д. 

        Глинистые породы составляют около 50% объема осадочных пород и чаще всего служат основаниями зданий и сооружений. Они делятся на супеси, суглинки и глины – в зависимости от количественного содержания глинистой, пылеватой и песчаной фракций. Основные свойства глинистых пород определяется содержанием глинистых частиц размером менее 5 мк: пластичность, набухание, усадка, водопроницаемость и т. д. В глинистых грунтах не всегда преобладают глинистые частицы, в супесях и суглинках могут преобладать и пылеватые частицы размером 0,05-0,005 мм, представленные тонко раздробленным кварцем (до состояния пыли), полевыми шпатами, карбонатами. Глинистые частицы образуются не в результате дробления пород, а в процессе сложных химических реакций на уровне коллоидных и истинных растворов.

      Лессовые  породы относятся к наиболее распространенным отложениям, особенно на Северном Кавказе, где они занимают около 75 % площади степной зоны и часто покрывают поверхности террас в предгорьях Кавказа. Это, в первую очередь, хорошо известные покровные суглинки, характеризуемые следующими признаками:

      - цвет палево-серый и буровато-серый,

      - отсутствие слоистости, высокая  однородность,

      - на ощупь мягкие и мучнистые,  пылеватые, легко растираемые  пальцами рук, иногда с ощущением  тонкого песка, 

      - высокая пористость (до 50 и более  %), часто макропористые с видимыми  порами-канальцами до 1 мм,

      - маловлажные, почти сухие и  поэтому находящиеся в твердом  состоянии, способные сохранять  отвесные откосы в котлованах  и вертикальные обрывы по берегам  рек (Кубань, Дон, Кума, Малка, Терек  и др.),

      - содержат горизонты ископаемых (погребенных)  гумусированных почв толщиной 0,5-1.5 и более м, которые можно часто видеть в береговых обрывах рек и глубоких котлованах,

      - вскипают от соляной кислоты,  т.к. содержат около 10 % CaCO₃ (карбонатов),

      - содержание легкорастворимых солей  до 2 % от массы породы (до 30 кг в 1 м³ грунта), что при орошении и подъеме грунтовых вод приводит к засолению почв, 

      - быстро размокают и легко размываются,  из-за чего мутная вода степных  рек,

      - при замачивании котлованов и  под фундаментами зданий могут  давать дополнительную осадку, называемую просадкой.

      Лессовые  грунты широко распространены в Китае (т.н. Лессовое плато), в Средней Азии (Ташкент, Самарканд, Душанбе и др.), на Украине, Болгарии, Румынии, Венгрии, в США, Аргентина. Общая площадь лессовых пород на Земном шаре составляет 13 млн. км², в границах бывшего СССР – 14%.

      Повсеместно лессовые отложения залегают в виде покровных толщ переменной мощности от первых метров до 100 и более м.

      По  гранулометрическому составу лессовые грунты включают лессовидные пылеватые пески, лессовые супеси (типичные лессы), лессовидные суглинки и глины. В составе лессовых пород практически нет частиц крупнее 0,25 мм. Это пылевато-глинистые грунты, состоящие из двух фракций – пылеватой (0,05-0,005 мм) и глинистой (менее 0,005 мм). В суглинках и глинах почти половину составляют глинистые частицы, в типичных лессах преобладает пылеватая фракция (пыль).

      Пыль состоит в основном из зерен кварца и полевых шпатов, слюды (мусковит, биотит), в среднем 10 % карбонатов (кальцит). В крупной фракции в небольшом количестве найдено более 50 других минералов, в том числе тяжелых и рудных.

      В глинистой фракции преобладают глинистые минералы (каолинит, гидрослюда, монтмориллонит), в меньшем количестве другие тонкодисперсные и коллоидно-дисперсные минералы.

      Лессовые  толщи всего мира образовались в периоды похолоданий по периферии ледниковых массивов из пыли, принесенной сильными ветрами из различных областей питания. Для Северного Кавказа основную пыль принесли восточные ветры из Прикаспийской низменности. На географической карте Ставропольского края восточнее села Степного виден т.н. хвалынский береговой уступ, куда доходила трансгрессия древнего Каспия. К западу от уступа начинается лессовый покров Предкавказья с пылеватых песков, которые сменяются супесями (лессами), затем далее на запад переходят в суглинки и глины. Такой результат ветровой (эоловой) сепарации лессового материала наблюдается и в других регионах мира.

      Мощность  просадочной зоны по глубине разрезов достигает 30-40 и даже 50 м в восточных  районах Ставрополья (Буденновск, Благодарный, Степное), в Чечне, Кабардино-Балкарии, а величина просадки каналов и при замачивании котлованов достигает 2,0-2,5 м. В г. Буденновске силосные корпуса элеваторов просели на 2 м и отклонились от вертикали до 2 м. Там же неудачное строительство завода ЖБИ по проекту Севкавгипроводхоза привело к просадке фундаментов до 180 мм. Большей просадочностью обладают типичные лессы, более пористые и маловлажные. Просадка возрастает также с ростом нагрузки примерно по линейной зависимости.     

      Сцементированные  осадочные породы с жесткими связями образуются за счет цементации рыхлых осадочных пород каким-либо природным цементом – кремнеземом SiO₂nН₂О, карбонатами СаСО₃, гидроокислами железа F₂O₃nH₂O, глинистыми частицами. Наиболее прочным является кремнеземистый (кварцевый) цемент, наименее слабым – глинистый (слабоводостойкий) тип цемента.

      Прочность сцементированных осадочных пород  определяется прочностью структурных  связей, а не прочностью минеральных  зерен породы. Песчаник, сцементированный кремнеземом,  очень прочный и стойкий к выветриванию грунт, приближается к магматическим породам.

      Алевролит (алеврос - пыль) – плотный, сцементированный суглинок, не размокающий в воде.

      Аргиллит – плотная, сцементированная камнеподобная глина, не размокающая в воде. Но прочный вид алевролитов и аргиллитов обманчив, они могут легко разрушаться (выветриваться) в поверхностных условиях при воздействии атмосферных осадков, промерзания и оттаивания, набухания и усадки, химического разрушения минералов.

      Мергель – серая порода морского или озерного происхождения, состоящая из смеси карбонатов (25-30%) и глинистых минералов. При большем содержании CaCO₃ породу называют мергелистый известняк, а при меньшем – глинистый мергель. Структура – тонкозернистая. Залегает толщами (Железноводск), в свежем состоянии – полускальный грунт с прочностью на сжатие до Р_сж=60 МПа. Но в поверхностных условиях мергели быстро выветриваются до состояния щебенки. Мергель бурно вскипает от капли соляной кислоты с образованием на поверхности пятна глины. Могут быть более крепкие доломитизированные и кремнистые мергели. Мергель - ценное сырье для цементной промышленности.

      Хемогенные  осадочные породы – это химические осадки, выпавшие из морской воды усыхающих заливов (бассейнов) и из подземных соленых вод. Осаждение солей начинается с труднорастворимых карбонатов, затем идет среднерастворимый гипс и в конце выпадают в осадок легкорастворимые соли (хлориды и сульфаты натрия и магния).

      Органогенные  породы образуются в результате накопления остатков животных и растений. Основную массу известняка-ракушечника составляют остатки карбонатных ракушек. Мел образовался из фораминифер планктона размером пылеватой фракции. Диатомит – слабо сцементированная, пористая, светло-серая, похожая на мел,  порода с хорошо сохранившимися микроскопическими кремнистыми скелетами диатомей. Трепел – очень пористая, легкая порода плотностью 0,25-1,0 г/см³, схожая с диатомитом. Опока – более плотная, похожая на мергель, но водоустойчивая порода, состоящая из микроскопических кремнистых игл-спикул иглокожих морских и озерных водорослей.

      Фитогенные  породы образуются из растительных остатков. Типичным их представителем является торф, образующийся в болотных условиях без доступа кислорода.