2.5. Горные породы и их свойства.

По происхождению (генезису) горные породы подразделяют на три большие группы, которые в свою очередь делят на подгруппы по условиям происхождения согласно следующей таблицы:

Таблица 2. 1.

Многие горные породы широко применяют в качестве строительных материалов. Они также используются в качестве естественных оснований зданий и сооружений.

Горные породы поверхностной толщи земной коры, находящиеся в сфере инженерного воздействия на них, в практике получили название г р у н т о в.

Изверженные и метаморфические горные породы занимают основное место - 95% от общей массы земной коры. На поверхности Земли наи­большее распространение имеют осадочные породы.

2.5.1. Магматические горные породы.

Изверженные (магматические) горные породы образовались путем застывания расплавленной магмы. Она образуется в глубоких недрах зем­ной коры и представляет собой расплавленную сложную по составу сили­катную массу, насыщенную различными газообразными веществами. В сос­таве магмы содержится от 80 до 85% кремнезёма ( SiO₂ ).

По трещинам в земной коре магма поднимается в поверхностные толщи или же изливается на дневную поверхность. Если магма не в сос­тоянии прорвать поверхностные толщи и медленно охлаждается, не дос­тигнув земной поверхности, то в этом случае образуются глубин­ные (интрузивные) породы.

Таковы, например, граниты, сиениты и диориты. Если же магма изливается на поверхность Земли в виде лавы, то она сравнительно быстро охлаждается

образуя излившиеся (эффу­зивные) горные порода, например, диабазы, базальты, порфириты (Рис.2.3.). Условия остывания магмы в глуби­не и на поверхности земли различны. Глубинные магматические породы образуются в условиях вы­сокого давления, медленного и равно­мерного остывания. В этом случае происходит полная кристаллизация магмы и образуются плотные, массив­ные, полнокристаллические породы типа гранита, габбро, которые за­легают крупными массивами. Излившиеся магматические породы формируются в виде лавовых потоков на поверхности

Рис. 2. 3. Схема образования

изверженных горных пород:

а–глубинные ; б-излившиеся.

Земли. Это проис­ходит при низком давлении и температуре, при быстрой отдаче тепла и газовых компонентов. При таких условиях кристаллизации возникают породы с обилием аморфного стекла, часто с больной пористость, например, базальт, пемза. Излившиеся породы, образовавшиеся в пале­озойскую эру и раньше, называют древними, а в более позднее время - молодыми.

В состав магматических пород входит большое число минералов. Основное место занимают полевые шпаты, амфиболы, пироксены, кварц и слюды. Это первичные минералы, образовавшиеся в про­цессе кристаллизации магмы. Кроме того, в магматических породах, особенно в наиболее древних, могут присутствовать вторичные минералы (карбонаты, глинистые минералы), которые возникли из пер­вичных минералов в процессе выветривания. Их количество может слу­жить показателем степени выветрелости пород. Выветрелость может быть очень значительной, например, вплоть до превращения гранита в "гнилой камень".

Свойства пород зависят от особенностей их внутреннего строе­ния и сложения в массиве, В связи с этим возникает необходимость изучения их структуры и текстуры.

Под структурой подразумевают особенности внутренне­го строения породы, обусловленные размерами, формой и количественным соотношением ее составных частей – минералов. В магматических породах по степени их кристаллизации различают:

- зернистые (полнокристаллические) структуры, типичные для глубинных пород;

- полукристаллические структуры (совместное нахождение кристаллов и аморфного стекла);

• стекловатые, типичные для излившихся пород.

По величине кристаллов структуры делят на:

- крупнозернистые - более 5 мм;

- среднезернистые – 5-1 мм;

- мелкозернистые - менее I мм.

Текстура (сложение) характеризует пространственное расположение составных частей порода в ее объеме. Для магматичес­ких пород характерны следующие текстуры:

- массивная текстура - равномерное плотное расположение зерен минералов;

- полосчатая текстура - чередование в породе участков различного минерального состава или различной структуры;

- шлаковая текстура - порода содержит видимые глазом пустоты.

Остывание магмы сопровождается некоторым уменьшением ее объема и появлением в породах тончайших трещин. Этими трещинами масса по­роды разделяется на отдельности разнообразной формы. В зависимос­ти от системы расположения трещин возникают:

- столбчатая отдельность (базальт);

- глыбовая (гранит);

- шаровая (диабаз) и т.д.

Строительные свойства невыветрелых магматических пород высокие. Это объясняется минеральным составом и жесткими кристаллизационными связями в структурах. Наибольшей прочностью отмечаются мелкозернис­тые и равномерно-зернистые структуры. Менее прочны крупнозернистые, порфировые, стекловатые породы. При оценке качества магматичес­ких пород следует отдавать предпочтение массивной текстуре.

Магматические породы являются наиболее надежным основанием сооружений. На оценку их надежности влияют степень выветрелости, наличие трещиноватости, форма залегания, структурно-текстурные особенности и другие характеристики.

2.5.2. Осадочные горные породы.

Осадочные горние породы образуется в результате разрушения ранее существовавших на поверхности Земля горных пород и последующего отло­жения и накопления продуктов разрушения в виде пластов.

Осадочные породы, в зависимости от происхождения, резко отлича­ются друг от друга. Поэтому, их принято подразделять на четыре группы:

1. Обломочные породы, образующиеся при механическом разрушении любых пород и накоплении обломков на месте или после переноса водой, ветром, силой тяжести.

2. Глинистые породы, в образовании которых принимали участие механическое разрушение, химическая и физическая переработ­ки, а также процессы осаждения вещества из водных взвесей.

3. Химические осадки, выпадающие из растворов или образовавшиеся на суше при химическом выветривании.

4. Органогенные осадочные порода, обязанные своим происхождением жизнедеятельности организмов.

Осадочные породы слагают самые верхние слои земной коры, покры­вая своеобразным чехлом породы магматического и метаморфического происхождения. Несмотря на то, что осадочные породы составляют всего 5% земной коры, земная поверхность на 75% своей площади покрыта толь­ко этими породами. В связи с этим строительство ведется, в основном, на осадочных породах, т.е. они служат основанием зданий и сооружений и широко используются как строительные материалы. Поэтому, им уделяется большое внимание в инженерной геологии. Мощность толщи осадочных пород колеблется в очень широких пределах - от нескольких сантиметров до 10-12 км и более.

Осадочные породы в силу специфичности условий образования при­обретает ряд особенностей, которые их существенно отличают от магматических и метаморфических. Это проявляется в минералогическом и химическом составе, структуре, слоистости, пористости, в содержании органических остатков.

В образовании осадочных пород, кроме минералов первичного происхож­дения, т.е. тех, из которых формировался рыхлый осадок (кварц, поле­вые шпаты, слюды и др.), принимают участие минералы вторичные, т.е. возникшие в данной породе в процессе ее существования. Во многих случаях вторичные минералы играют главную роль, например, в глинис­тых породах.

Осадочные породы являются самыми разнообразными по химическому составу.

Структура осадочных пород весьма разнообразна. Почти каждый тип породы имеет свою присущую только ему структуру. Для обломочных пород характерны обломочные структуры, для сцементирован­ных - брекчиевидные и т.д.

Слоистость. Осадочные породы залегают в виде слоев или пластов. Отдельные слои отличаются друг от друга окраской, сос­тавом и свойствами. Все это является следствием специфических условий накопления осадочного материала в воздушной и водной среде.

Пористость . Типичное свойство всех осадочных пород, за исключением химических осадков, которые нередко обладают высокой плотностью. Поры бывают мелкие, крупные и в виде каверн. Общая величина пористости в осадочных породах может быть очень велика: ил – 70 – 80%; глины и суглинки – 40 – 50%; пески – 30 – 40%; известня­ки-ракушечники – 30 – 40%; песчаники – 10 – 15% и т.д. Это показывает, что значительная часть объема осадочных пород может быть занята водой, газом или органическим материалом, например нефтью.

Климатические условия накладывают опреде­ленный отпечаток на состав и свойства осадочных пород. В пустынях отлагаются породы обломочного характера, в замкнутых морских бассей­нах накапливаются отложения солей и т.д. Окраска осадочных пород разнообразна и в известной мере зависит от климата. Например, по­родам тропиков и субтропиков свойственна красноватая окраска, холод­ному сырому климату - светло-серые тона и т.д.

2.5.3. Метаморфические горные породы.

Под метаморфизмом горных пород принято понимать совокупность процессов в недрах земли, приводящих к коренным изменениям горных пород, к превращению их в новые породы в результате длительного действия на них большого давления, высокой температуры, горячих газов и паров.

Метаморфизму (изменению) при указанных выше условиях подвер­гаются все горные породы - осадочные, изверженные и метаморфические.

Под влиянием больших давлений на глубине происходит образование новых минералов, а также изменяется сложение горных пород. В из­вестных случаях породы приобретают, так называемое, сланцеватое сложе­ние, характеризуемое тем, что зерна минералов приобретают вытянутую или сплющенную форму в виде тонких лент.

В зависимости от преобладания той или иной обстановки, обуслов­ливающей коренные изменения в горных породах, различают следующие ти­пы метаморфизма:

1. Контактовый;

2. Дислокационный ( динамометаморфизм );

3. Региональный.

Контактовый метаморфизм непосредственно связан с внедрением маг­мы в земную кору. При этом благодаря высокой температуре внедривше­гося магматического расплава идут процессы перекристаллизации минера­лов, входящих в состав горных пород. Горные породы также испытывают сильное воздействие газов и паров воды, что усиливает коренное измене­ние химического состава соприкасавшихся пород.

Дислокационный метаморфизм связан с тектоническими движениями земной коры, вызывающими складкообразование и изменение горных пород под влия­нием сильного одностороннего давления.

Региональный метаморфизм, в отличие от контактового и дислокаци­онного, носящих местный характер, проявляется в глубоких слоях на огромных площадях и захватывает самые разнообразные горные породы.

Следует подчеркнуть, что минеральный состав конечных продуктов метаморфизма в известной мере зависит от минерального состава исход­ной породы. Например, из известняка гнейс образоваться не может.

В процессе движения земной коры метаморфические породы подни­маются на дневную поверхность, они является хорошим скальным основа­нием для зданий и сооружений. При строительстве подземных сооружений сланцеватость оказывает неблагоприятное действие, так как по плоскос­тям сланцеватости возможны обвалы и обрушения, особенно кровли гори­зонтальных подземных выработок.

2.5.4. Геологическая хронология.

По современным представлениям со времени сформирования Земли прошло около 5 млрд. лет. Развитие начальных белковых веществ в тече­ние длительного времени привело к образованию разнообразных живот­ных и растительных форм. С этого этапа развития Земли начинается ее геологическая история, изучение которой ста­новится возможным для нас благодаря наличию в толщах осадочных по­род ископаемых растений и животных. Эти остатки сохранились до на­ших дней в виде окаменелостей. Они являются убедительными докумен­тами, свидетельствующими о развитии жизни на Земле и ее сложной геологической истории.

Геологическое летоисчисление , т.е. определение возраста гор­ных пород или организмов, ранее существовавших на Земле, может быть абсолютным и относительным, в зависимости от того, определяется ли возраст в годах или в условных отрезках време­ни.

Абсолютный возраст выражается в годах, т.е. определяется, сколь­ко лет прошло с момента образования породы. Он определяется путем учета количества гелия или свинца, выделяющихся в результате распада радиоактивных элементов. Так как скорость распада постоянна, то, зная количество гелия или свинца в минералах, можно определить время, про­шедшее с момента их образования.

Относительный возраст позволяет определять возраст пород отно­сительно друг друга, т.е. устанавливать, какие породы древнее, ка­кие моложе. Для определения относительного возраста используют два метода: стратиграфический и палеонтоло­гический.

Стратиграфический метод применяют для толщ с ненарушенным гори­зонтальным залеганием слоев. При этом считают, что нижележащие слои (породы) являются более древними, чем вышележащие. Из рис. 2 .4.- а видно, что самым молодым является верхний слой 3, самым древним - нижний I. Это метод мало применим при залегании слоев в виде скла­док (рис. 2. 4.- 6).

Рис.2.4. Виды залегания слоев: а – горизонтальное залегание; б – в виде складок.

Палеонтологический метод позволяет определять возраст осадоч­ных пород по отношению друг к другу независимо от характера зале­гания слоев и сопоставлять возраст пород, залегающих на различных участках. В основу метода положена история развития органической жиз­ни на Земле. Развитие органического мира, как известно, происходило от простых организмов к более сложным. Сравнивая органические остат­ки, найденные в горных породах, можно установить более древние и мо­лодые горные породы.

2.5.5. Шкала геологического времени.

В результате изучения строения земной коры и истории развития жизни появилась возможность разделить всю геологическую историю на ряд отрезков времени и составить по данным абсолютного и относитель­ного возраста шкалу геологического времени - геохронологическую шка­лу (см. таблицу 2.2.).

Геологическая история Земли началась с архейской эры. В это время появились первые осадочные породы. До этого Земля находилась в пла­нетарной стадии. Каждому отрезку времени геологической истории соот­ветствует толща пород, которая образовалась на протяжении этого отрезка времени.

Геологическая история делится на 6 эр, соответственно, толща пород земной коры разделяется на шесть групп. Каждая эра делится на периоды (системы пород), период - на эпохи (отделы пород), эпохи - на века (ярусы пород).

Каждый отрезок времени и соответствующая ему толща пород получи­ла свое название и индекс. Например, мезозойская эра индекс Mz , четвертичный период индекс Q и т.д.

При расчленении периода на эпохи к индексу периода прибавляется цифра. Например, эпохи триасового периода Т обозначаются : нижняя – Т₁, средняя – Т₂ и верхняя – Т₃ . При расчленении эпох на века к индексу добавляется еще цифра или буква, которые располагаются справа вверху. Так, индекс Cr₂^dat обозначает датский век верхне­меловой эпохи.

Несколько иные обозначения используют для четвертичного перио­да. Эпохи обозначают римскими цифрами, перед индексом ставят буквы, указывающие на условия образования породы. Например, mQ₁^b следует понимать как породу морского происхождения Древнечетвертичной эпохи, Бакинского века.

Индексы, отражающие возраст и условия образования пород, ис­пользуют для геологических карт и разрезов, которые широко применяют в инженерной геологии.

Таблица 2. 2.