Осадочные породы их классификация. Осадочные горные породы. Химический и минеральный составы осадочных пород. Важнейшие виды осадочных пород и их строительные свойства. Свойства структур обломочных пород
Осадочные горные породы (ОГП) образуются при механическом и химическом разрушении магматических пород под действием воды, воздуха и органического вещества.
Осадочные горные породы – породы, существующие в термодинамических условиях, характерных для поверхностной части земной коры, и образующиеся в результате переотложения продуктов выветривания и разрушения различных горных пород, химического и механического выпадения осадка из воды, жизнедеятельности организмов или всех трёх процессов одновременно.
Под воздействием ветра, солнца, воды и из-за перепада температур магматические породы разрушаются. Сыпучие обломки магматических пород образуют рыхлые отложения и из них образуются слои осадочных пород обломочного происхождения. Со временем эти породы уплотняются и образуются сравнительно твёрдые плотные осадочные породы.
Более трёх четвертей площади материков покрыто ОГП, поэтому с ними наиболее часто приходится иметь дело при геологических работах. Кроме того, с ОГП генетически или пространственно связана подавляющая часть месторождений полезных ископаемых. В ОГП хорошо сохранились остатки вымерших организмов, по которым можно проследить историю развития различных уголков Земли. В осадочных породах содержатся окаменелости (фоссилии). Изучая их, можно узнать, какие виды населяли Землю миллионы лет назад. Фоссилии (лат. fossilis - ископаемый) - ископаемые остатки организмов или следы их жизнедеятельности, принадлежащих прежним геологическим эпохам.
Рис. Фоссилии: а) трилобиты (морские членистоногие найденные в кембрийском, ордовикском, силурийском и девонском периодах) и б) окаменевшие растения.
Исходным материалом при формировании ОГП являются минеральные вещества, образовавшиеся за счёт разрушения существовавших ранее минералов и горных пород магматического, метаморфического или осадочного происхождения и перенесённые в виде твёрдых частиц или растворенного вещества. Изучением осадочных горных пород занимается наука «Литология».
В формировании осадочных горных пород участвуют различные геологические факторы: разрушение и переотложение продуктов разрушения ранее существовавших пород, механическое и химическое выпадение осадка из воды, жизнедеятельность организмов. Случается, что в образовании той или иной породы принимает участие сразу несколько факторов. При этом некоторые породы могут формироваться различным путём. Так, известняки, могут быть химического, биогенного или обломочного происхождения.
Примеры осадочных горных пород: гравий, песок, галька, глина, известняк, соль, торф, горючий сланец, каменный и бурый уголь, песчаник, фосфорит и др.
Горные породы не вечны и они изменяются со временем. На схеме показан процесс круговорота горных пород.
Рис. Процесс круговорота горных пород.
По признаку происхождения осадочные породы делят на три группы: обломочные, химические и органические.
Обломочные горные породы образуются в процессах разрушения, переноса и отложения обломков горных пород. Это чаще всего каменистые осыпи, галечники, пески, суглинки, глины и лёссы. Обломочные породы разделяют по крупности:
· грубообломочные (> 2 мм); остроугольные обломки – дресва, щебень, сцементированные глинистыми сланцами, образуют брекчии, а окатанные – гравий, галька – конгломераты);
· среднеобломочные (от 2 до 0,5 мм) – образуют пески;
· мелкообломочные, или пылеватые – образуют лёссы;
· тонкообломочные, или глинистые (< 0,001 мм) – при уплотнении превращаются в глинистые сланцы.
Осадочные породы химического происхождения – соли и отложения, образующиеся из насыщенных водных растворов. Они имеют слоистое строение, состоят из галоидных, сернокислых и карбонатных минералов. К ним относятся каменная соль, гипс, карналлит, опоки, мергель, фосфориты, железо-марганцевые конкреции и т.д. (табл. 2.4). Они могут образовываться в смеси с обломочными и органическими отложениями.
Мергель образуется при вымывании из известняков карбоната кальция, содержит глинистые частицы, плотный, светлый.
Железо-марганцевые конкреции образуются из коллоидных растворов и под действием микроорганизмов и создают шариковидные залежи железных руд. Фосфориты образуются в форме шишковидных конкреций неправильной формы, при слиянии которых возникают фосфоритные плиты – залежи фосфоритовых руд серого и буроватого цветов.
Горные породы органического происхождения широко распространены в природе – это останки животных и растений: кораллы, известняки, ракушечники, радиоляриевые, диатомовые и различные черные органические илы, торф, каменные и бурые угли, нефть.
Осадочная толща земной коры формируется под воздействием климата, ледников, стока, почвообразования, жизнедеятельности организмов, и ей присуща зональность: зональные донные илы в Мировом океане и континентальные отложения на суше (ледниковые и водно-ледниковые в полярных областях, торф в тайге, соли в пустыне и т. д.). Осадочные толщи накапливались в течение многих миллионов лет. За это время картина зональности многократно менялась в связи с переменами в положении оси вращения Земли и другими астрономическими причинами. Для каждой конкретной геологической эпохи можно восстановить систему зон с соответствующей ей дифференциацией процессов осадконакопления. Строение современной осадочной оболочки – это результаты перекрытия множества разновременных зональных систем.
На большей части территории земного шара почвообразование идет на осадочных горных породах. В северной части Азии, Европы и Америки обширные пространства заняты породами, отложенными ледниками четвертичного периода (мореной) и продуктами размывания их талыми ледниковыми водами.
Моренные суглинки и супеси. Эти породы отличаются неоднородностью состава: они представляют сочетание глины, песка и валунов различного размера. Супесчаные почвы содержат больше Si02 и меньше других окислов. Окраска большей частью красно-бурая, иногда палевая или светло-бурая; сложение плотное. Более благоприятную среду для растений представляют моренные отложения, содержащие валуны известковых пород.
Покровные глины и суглинки - безвалунные, мелкоземистые породы. Состоят преимущественно из частиц меньше 0,05 мм в диаметре. Окраска буровато-желтая, большей частью обладают мелкой пористостью. Содержат больше элементов питания, чем описанные выше пески.
Лессовидные суглинки и лессы – безвалунные, мелкоземистые, карбонатные, палевые и желто-палевые, мелкопористые породы. Для типичных лессов характерно преобладание частиц диаметром 0,05-0,01 мм. Встречаются также разновидности с преобладанием частиц диаметром меньше 0,01 мм. Содержание углекислого кальция колеблется от 10 до 50%. Верхние слои лессовидных суглинков нередко бывают освобождены от углекислого кальция. В бескарбонатной части преобладают кварц, полевые шпаты, глинистые минералы.
Красноцветная кора выветривания. В странах с тропическим и субтропическим климатом широко распространены мелкоземистые отложения третичного возраста. Они отличаются красноватой окраской, сильно обогащены алюминием и железом и обеднены другими элементами.
Типичный пример: латериты, красноцветная порода богатая железом и алюминием в жарких и влажных тропических областях, образованная в результате выветривания горных пород.
Рис. Латеритные коры выветривания
Коренные породы. На значительных территориях на поверхность выходят морские и континентальные породы дочетвертичного возраста, объединяемые под названием «коренные породы». Названные породы особенно распространены в Поволжье, а также в предгорьях и горных странах. Среди коренных пород широко распространены карбонатные и мергелистые суглинки и глины, известняки, а также песчаные отложения. Следует отметить обогащенность многих песчаных коренных пород элементами питания. Кроме кварца эти пески содержат значительные количества других минералов: слюд, полевых шпатов, некоторых силикатов и т. д. В качестве материнской горной породы они резко отличаются от древнеаллювиальных кварцевых песков. Состав коренных пород очень разнообразен и недостаточно изучен.
В составе литосферы на долю осадочных пород приходится лишь около 5 %, однако они занимают до 75 % площади поверхности Земли. Характерным для осадочных пород является слоистость залегания (их называют пластовыми) и в большинстве случаев более пористое строение и меньшая прочность, чем у плотных магматических пород. В зависимости от условий образования осадочные породы подразделяют на три группы: механические отложения (обломочные), химические осадки, органогенные отложения.
Механические отложения (рыхлые и цементированные) образовались в результате разрушения других пород под воздействием процесса выветривания (действие воды, ветра, колебаний температуры, замораживания и оттаивания и других атмосферных факторов). В результате даже самые прочные массивные магматические породы разрушаются, образуя обломки разных размеров: глыбы, куски и более мелкие частицы.
Наряду с механическими разрушениями в результате взаимодействия составных частей горных пород с веществами, находящимися в окружающей среде, может происходить химическое разрушение. Так, полевые шпаты под действием воды, содержащей диоксид углерода, разрушаются, образуя водные силикаты алюминия.
Продукты разрушения остаются на месте или чаще переносятся водными потоками, ветром, ледниками в другие места и после осаждения образуют рыхлые скопления пластов обломочных осадочных пород (песка, глины, гравия, природного щебня). Некоторые из них в последующем подвергаются цементированию природными цементами, выпавшими в толще рыхлых осадков из омывающих их растворов, образуя сплошные (сцементированные) горные породы различной плотности (песчаники, конгломераты, брекчии).
Химические осадки образовались в результате выпадения в осадок веществ, перешедших в состав водных растворов в процессе разрушения горных пород. Они являются следствием изменения условий среды, взаимодействия растворов различного состава и испарения (гипс, ангидрит, магнезит, доломит, известковые туфы).
Органогенные отложения - породы, образующиеся в результате отложения отмирающего растительного мира и мелких животных организмов водных бассейнов. Многие морские организмы при жизни извлекают из воды соли кальция, растворенный кремнезем для построения своих скелетов, раковин, панцирей, стеблей. После отмирания, осаждаясь на дно и уплотняясь, они образуют пластовые отложения органогенных пород. Для строительных целей используют мел, известняки разных видов, диатомиты и трепелы.
Рис.1. Диатомит природный
Химический и минеральный составы осадочных пород
Средневаловой химический состав всех осадочных пород близок к составу магматических пород, но между собой отдельные осадочные породы различаются значительно больше, чем магматические. Осадочные породы, применяемые для строительных целей, чаще всего содержат следующие химические соединения: кремнезем в кристаллическом и аморфном состояниях (безводный и водный), алюмосиликаты (главным образом водные), карбонаты (безводные), сульфаты (безводные и водные).
Из этих соединений и состоят основные минералы осадочных пород, используемых в строительном деле: кварц, опал, каолинит, кальцит, магнезит, доломит, гипс, ангидрит.
Кварц (кристаллический кремнезем ) благодаря высокой стойкости при выветривании остается химически неизменным и входит в состав многих осадочных пород (песков, песчаников, глин и др.). В аморфном состоянии кремнезем в осадочных породах встречается в виде минерала опала.
Опал (SiO 2 nH 2 O) менее плотен (плотность -1900… 2500 кг/м3), прочен и стоек, чем кварц. Он отличается повышенной внутренней микропористостью и высокодисперсной структурой, обладает большой реакционной способностью к гидроксиду кальция и другим основным оксидам. Это свойство аморфного кремнезема широко используют при изготовлении минеральных смешанных вяжущих веществ.
Рис.2. Опал
Каолинит - водный силикат алюминия, образуется при выветривании полевых шпатов и слюд. Цвет каолинита без примесей - белый, плотность - 2600 кг/м3, твердость - 1. Каолинит и другие водные алюмосиликаты типа А l 2 О з -nSiO 2 — m Н 2 О являются основными при образовании глин. Они часто встречаются в виде примесей в известняках, песчаниках, гипсовых и других осадочных породах. Наличие этих примесей понижает водо- и морозостойкость пород.
Рис.3. Каолинит
Кальцит (СаСО 3) имеет совершенную спайность по трем направлениям, плотность 2700 кг/м3, твердость 3. Кальцит растворяется в кислотах, в обычной воде - мало (около 0,03 г/л). Это распространенный минерал, слагающий различные виды известняков. Окраска белая, серая, иногда он прозрачен.
Рис.4. Кальцит
Магнезит (MgCO 3) имеет плотность 2900… 3100 кг/м3, твердость 3,5…4,5. Он распространен значительно меньше кальцита и образует породу того же названия.
Рис.5. Магнезит
Доломит (CaCO 3 -MgCO 3) по физическим свойствам близок к кальциту, но более тверд - 3,5…4, плотен (плотность-2900 кг/м3) и прочен. Цвет доломита от белого до темно-серого в зависимости от примесей. Он встречается чаще, чем магнезит, образуя породу того же названия или входя в состав известняков и других осадочных пород.
Рис.6. Доломит
Гипс (CaSO 4 -2H 2 O) - минерал кристаллического строения, его кристаллы имеют зернистое, столбчатое, пластинчатое, игольчатое или волокнистое строение. Он белого цвета, иногда окрашен примесями. Обладает спайностью в одном направлении. Плотность гипса 2300 кг/м3, твердость 2, сравнительно легко растворяется в воде. Гипс образует породу того же названия.
Рис.7. Гипс пластинчатый
Ангидрит (CaSO 4) - безводная разновидность гипса, образует породы одноименного названия. Плотность ангидрита 2900…3000 кг/м3, твердость З…3,5.
Рис. 8. Ангидрит
Важнейшие виды осадочных пород и их строительные свойства
Многие осадочные породы используют как сырье для получения других строительных материалов, а некоторые для непосредственного применения в качестве строительного камня.
Песок и гравий - горные породы, образовавшиеся в результате выветривания различных горных пород. Размер зерен песка 0,6…5 мм, гравия - 5…70 мм и более.
Глины являются тонкообломочными отложениями, образовавшимися в результате выветривания полевошпатовых горных пород (граниты, гнейсы и др.). По составу глины представляют собой смесь минералов каолинитовой группы с зернами кварца, слюдой, оксидами1 железа, карбонатами кальция и магния. Каолинитовые глины (каолин) имеют белый цвет, другие глины в зависимости от вида и количества примесей могут иметь разный цвет, вплоть до черного. Глина при увлажнении приобретает пластические свойства и после обжига переходит в камневидное состояние. Она является основным сырьем в керамической промышленности и при производстве цементов (см. гл. 3 и 5).
Гипс и ангидрит - породы химического происхождения, состоящие в основном из минерала гипса и ангидрита. Внешне и по своим физико-механическим свойствам они мало отличаются друг от друга. Их применяют для производства вяжущих веществ, а некоторые разновидности - для внутренней облицовки зданий.
Магнезит - порода химического происхождения, состоящая в основном из минерала магнезита. Его применяют для изготовления огнеупорных изделий, частично для получения вяжущих веществ (каустического магнезита).
Мел - порода органогенного происхождения, обычно белого цвета, землистого сложения, представлена микроскопическими раковинами простейших организмов. По химическому составу почти целиком состоит из карбоната кальция, имеет небольшую прочность. Применяют в качестве белого пигмента в красочных составах, приготовлении замазки, а также при производстве извести и портландцемента.
Диатомит - органогенная порода, образовавшаяся из панцирей диатомовых водорослей и отчасти из скелетов радиолярий и губок, между которыми осаждались тончайший ил и глина. Состоит в основном из аморфного кремнезема в виде минерала опала
Трепел - порода, образовавшаяся раньше диатомита, и в отличие от него состоит из аморфного кремнезема в виде мельчайших шариков опала, сцементированного опаловым же цементом. Диатомит и трепел близки и по свойствам. Их пористость 60..,70 %, плотность 350…950 кг/м3, теплопроводность 0,17…0,23 Вт/(м*°С). Содержание активного кремнезема составляет 75…96 %. Трепел и диатомит используют для изготовления теплоизоляционных материалов, в качестве активных минеральных добавок к вяжущим веществам. С течением времени трепел превращается в тонкопористую или плотную, трудно размокающую породу - опоку, почти полностью состоящую из аморфного кремнезема.
В качестве строительного камня главным образом применяют известняки различных видов, доломиты и песчаники.
Известняки в большинстве случаев являются органогенными породами, но встречаются известняки химического происхождения (известковые туфы). Известняки в основном сложены из минерала кальцита, но часто содержат различные примеси (кремнезем, глину, доломит, оксиды железа, органические соединения), в зависимости от которых цвет известняков может быть от белого до темно-серого с различными оттенками.
Примесь глины в известняках, применяемых в качестве строительного камня, даже в небольшом количестве (3…4 %) резко уменьшает их водо- и морозостойкость. Вредное влияние на строительные свойства известняков оказывает также пирит РеБг. Известняки, содержащие некоторое количество кремнезема, более прочны и стойки, чем другие виды известняков. Известняки, в которых присутствует доломит, называют доломитизированными.
Плотные известняки (плотность более 1800 кг/м3), состоящие из мелких зерен кальцита, связанных непосредственным сцеплением кристаллов или различными природными цементами (известковым, известково-кремнистым), используют в виде бутового камня (для фундаментов, стен неотапливаемых зданий или жилых домов в районах с теплым климатом), плит и фасонных деталей для облицовки стен, цоколей и карнизов, ступеней, а также в качестве щебня для бетона, основания для дорог и сырья для получения извести и портландцемента.
Известняки-ракушечники - пористые горные породы характеризуются небольшой плотностью, низкой прочностью и малой теплопроводностью. Их применяют в виде камней правильной формы для кладки стен, а наиболее плотные разновидности - для облицовки стен, а также в качестве щебня для легкого бетона.
Рис.9. Ракушечник крымский
Известковые туфы - пористые известняки химического происхождения. Несмотря на значительную пористость, известковые туфы характеризуются достаточной морозостойкостью, так как они вследствие ячеистого строения (поры замкнутые или крупные) имеют относительно низкое водопоглощение. Разновидность известкового туфа - травертин, имеющий мелконоздреватое строение и высокую прочность при сжатии (до 80 МПа), применяют для облицовки зданий.
Доломит - порода химического происхождения, состоящая из минерала доломита. Свойства его близки к известняку плотному. Применяют доломит для тех же целей, что и известняки, а также для производства огнеупоров и теплоизоляционных материалов.
Песчаники, конгломераты, и брекчии - породы, образовавшиеся из рыхлых отложений разрушившихся горных пород в результате цементации их различными природными цементами (известковым, кремнистым, глинистым, железистым и др.). В результате цементации песков образуются песчаники, зерен гравия - конгломераты, природного щебня - брекчии. В качестве строительного камня применяют наиболее прочные и стойкие известковые и кремнистые песчаники, а также конгломераты и брекчии на этих природных цементах. Большинство песчаников - плотные, тяжелые и теплопроводные материалы. Их используют главным образом для кладки фундаментов, стен неотапливаемых зданий, ступеней, тротуаров, облицовки зданий, а также в виде щебня для бетонов и других целей. Конгломераты и брекчии, обладающие декоративностью, используют в качестве облицовочного камня.
Происхождение осадочных пород. Любая находящаяся на земной поверхности порода подвергается выветриванию, т. е. разрушительному воздействию воды, колебаний температур и т. д. В результате даже самые массивные, прочные магматические породы постепенно разрушаются, образуя обломки разных размеров и распадаясь до мельчайших частиц.
Продукты разрушения переносятся ветром, водой и на определенном этапе переноса отлагаются, образуя рыхлые скопления или осадки. Накопление происходит на дне рек, морей, океанов и на поверхности суши. Из рыхлых скоплений (осадков) с течением времени формируются (уплотняются, приобретают структуру и т. д.) различные осадочные породы.
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 именно этими породами, в связи с чем строительство и производится в основном на осадочных породах. Инженерная геология этим породам уделяет наибольшее внимание.
Мощность толщ осадочных пород колеблется в широких пределах - в одних местах она очень мала, в других исчисляется километрами.
Инженерно-геологические свойства осадочных горных пород находятся в непосредственной зависимости от особенностей их состава, строения и состояния, равно как и другие горные породы, что нами неоднократно подчеркивалось выше. Наряду с этим надо отметить, что строение, состав и состояние породы формируются в зависимости от ее генезиса. Таким образом, инженерно-геологические свойства осадочных горных пород складываются в процессе литогенеза.
Под литогенезом принято понимать совокупность геологических процессов, определяющих современный состав, строение, состояние и свойства осадочных горных пород.
Процессы литогенеза достаточно условно подразделяют на ряд стадий:
гипергенез - выветривание - разрушение кристаллических и других пород, образование новых минералов, обломков пород, обломков минералов, коллоидных и истинных растворов;
седиментогенез - перенос и отложение материала - образование осадка;
диагенез - превращение осадка в осадочную породу;
катагенез - начальные изменения осадочной породы;
метагенез - глубокие изменения осадочной породы - образование метаморфизованных осадочных пород.
Последние две стадии иногда объединяются под одним понятием - эпигенез. Осаждение вещества, его диагенетические и постдиагенетические преобразования протекают по-разному, в зависимости от физико-химических условий среды, температуры, давления, длительности и интенсивности процесса, например скоростей течения воды, движения воздуха, льда и т. п.
Особенности осадочных пород. Осадочные породы в силу специфических условий образования приобретают ряд особенностей, которые существенно отличают их от магматических и метаморфических пород. Это проявляется в минеральном и химическом составе, структурах, слоистости, пористости, зависимости состава и свойств пород от климата, в содержании органических остатков.
Минеральный и химический состав. В образовании осадочных пород, кроме минералов, из которых формировался рыхлый осадок (кварц, полевые шпаты и др.), принимают участие минералы, возникающие в данной породе в процессе ее существования (кальцит, каолинит и др.). Во многих случаях они играют существенную роль. Осадочные породы разнообразны по химическому составу. Это могут быть алюмосиликаты, карбонаты, оксиды, сульфаты и др.
Структура осадочных пород разнообразна. Почти каждый тип породы имеет свою, присущую только ему структуру. Для рыхлых пород характерны обломочные структуры, для сцементированных - брекчиевидные и т. д.
Пористость типична для всех осадочных пород, за исключением некоторых плотных химических осадков. Поры бывают мелкие, крупные и в виде каверн. Общая пористость может быть велика, например суглинки - 40-50%, пески - 35-40% и т. д. В порах могут располагаться вода, газ, органический материал.
Слоистость. Осадочные породы залегают в виде слоев (рис. 21), которые образуются в процессе периодического накопления осадков в водной и воздушной среде. В составе слоя может быть микрослоистость, отражающая осадконакопление в различные времена года. Микрослоистость характерна для озерных и речных отложений. В слое горной породы могут быть также тонкие слои других пород. Их называютпрослоями. Например, в слое песка может быть тонкий прослой глины.
При резком различии слоев по составу, например, слой песка лежит на слое известняка; более или менее постоянной мощности и сравнительно большой занимаемой площади слои называют пластами. В таких случаях слои (пласты) обычно ограничены с двух сторон четко выраженными поверхностями, которые называютплоскостями (поверхностями)напластования, причем верхнюю плоскость называют -кровлей , нижнюю -ложе , а расстояние между ними -мощностью слоя (пласта). Наибольшей мощностью пластов обладают морские отложения (до сотен и даже тысяч метров). Континентальные образования четвертичной системы, залегающие непосредственно под слоем почвы, имеют, как правило, относительно небольшую мощность (10-50 м).
Комплекс слое», объединенных сходством состава или возраста, или один слой, но значительной мощности, нередко называют толщей. Примером могут служить толщи лессовых пород, мощность которых может достигать десятков метров.
Слои образуются в процессе накопления осадков в морях, озерах, долинах рек и т. д. Это обусловливает образование слоев различной формы как по размеру в плане, так и по очертаниям по вертикали. Наиболее обычным является нормальный слой (рис. 22), для которого характерна сравнительно большая мощность и протяженность, параллельность кровли подошве. Для континентальных отложений характерны такжелинзы - слои, занимающие малые площади с выклиниванием мощности к краям слоя, ивыклинивающиеся слои, мощности которых уменьшаются в одну сторону.
Важное практическое значение для инженерной геологии представляет сочетание слоев. При согласном залегании слои лежат параллельно друг другу (рис. 23, 24), чахце всего горизонтально. Такое залегание слоев характерно равнинам. В других случаях за счет тектонических движений земной коры возникает несогласное залегание слоев (см. рис. 23, 24). Одна группа слоев при этом залегает непараллельно другой группе.
Климатические условия влияют на состав и свойства осадочных пород: в пустынях образуются породы обломочного характера, в замкнутых бассейнах накапливаются отложения солей и т. д. Окраска пород зависит от климатических условий: породы тропиков и субтропиков обладают красноватой окраской, холодному климату свойственны серые тона.
Органические остатки наблюдаются в большинстве осадочных пород. Это остатки растений или скелетных частей, раковин организмов в виде окаменелостей.
Классификация осадочных пород. Осадочные породы принято подразделять на три основные группы: 1) обломочные, 2) химического происхождения (хемогенные); 3) органогенные, возникшие в результате жизнедеятельности организмов. Это деление несколько условно, так как многие породы имеют смешанное происхождение, например, отдельные известняки содержат в своем составе материал органогенного, химического и обломочного характера.
Обломочные породы. Породы обломочного происхождения состоят из продуктов механического разрушения магматических и метаморфических пород, а также ранее образовавшихся осадочных пород (песчаников, известняков и др.).
В табл. 6 приведена основная классификация обломочных пород. В ее основе: размеры обломков - грубые, песчаные, пылеватые, глинистые; внешние очертания обломков (угловатые или окатанные) и наличие структурных связей между обломками (рыхлые скопления или сцементированные между собой обломки).
Следует отметить, что глинистые частицы к обломкам отнесены условно, так как их происхождение больше связано с химическими процессами и меньше с механическим разрушением.
Окатанность возникает в процессе переноса обломков водой. В природе чаще всего встречаются скопления, состоящие из обломков разного размера. Название обломочной породе при этом дается по обломкам, которые в породе занимают более 50%.
К обломочным породам в виде самостоятельной группы относят пирокластические породы, которые формируются из твердых вулканических продуктов (пепла, песка). Оседая на поверхность земли, песок и пепел образуют сцементированные накопления (пепел, туфы и др.).
Грубообломочные породы. В их состав входят угловатые (глыбы, щебень, дресва) и окатанные (валуны, галька, гравий) обломки различных горных пород. Наибольшее количество приходится на горные районы, морские побережья, речные долины, районы ледниковых отложений.
Песчаные породы - рыхлые накопления, состоящие из обломков минералов песчаного размера (2-0,05 мм). Таких частиц в породе должно быть не менее 50 %. По крупности частиц пески подразделяют на крупные (2-0,5 мм), средние (0,5-0,25 мм), мелкие (0,25-1 мм) и пылеватые (менее 0,1 мм). В песках преобладают минералы, наиболее устойчивые к выветриванию (кварц, слюды и др.).
Мономинеральные пески, например кварцевые, встречаются редко. «Вредными» в строительном отношении примесями являются оксиды железа, гипс, слюды, глинистые частицы. Происхождение песков - речное, ветровое, морское и т. д.
Глинистые породы. Глинистые частицы являются основными составными частями супесей, суглинков и глин. Каждая из этих пород в зависимости от количественного взаимоотношения пылеватых и глинистых частиц имеет свои разновидности. Так, супесь бывает легкая крупная, легкая пылеватая, тяжелая пылеватая; суглинки - легкие, легкие пылеватые, тяжелые, тяжелые пылеватые; глины - опесчаненные, жирные.
Глинистые породы составляют около 50 % общего объема осадочных пород и чаще всего являются основаниями различных зданий и сооружений.
Инженерно-геологическая характеристика осадочных горных пород без жестких связей . Обломочные, глинистые, некоторые представители хемогенных и органогенных пород достаточно условно можно объединить в группу пород без жестких связей* что полностью характеризует «взаимоотношения» слагающих их элементов. Эта группа объединяет большой и разнообразный круг пород - от высокодисперсных глин до грубообломочных пород. Группа описываемых пород подразделяется на три крупные подгруппы: первая объединяет глинистые и пылеватые, или связные, вторая - обломочные несцементированные, или несвязные, третья - биогенные. В подгруппу связных входят глинистые и лессовые породы, для которых характерно значительное содержание глинистых и пылеватых частиц. Отдельно рассматриваются породы, имеющие жесткие связи, - это сцементированные породы типа песчаников или аргиллитов.
Глинистые частицы формируются, в основном, в процессе химического выветривания. Наличие этих частиц в породах в значительном количестве обусловливает проявление нового характера связей между всеми элементами (частицами). В данном случае говорить только о минералах нельзя, так как частицы могут быть представлены как отдельными минералами, так и их агрегатами, обломками минералов, пород и т. д. Это коллоидные связи, которые являются следствием действия сил молекулярного и электростатического притяжения как непосредственно между самими частицами, так и между частицами и молекулами воды, содержащейся в породе. При непосредственном взаимодействии между частицами устанавливаются достаточно прочные связи, обусловливающие вполне высокую прочность породы в целом. В том случае, когда минеральные частицы окружены оболочками воды, взаимодействие может осуществляться лишь через эти оболочки, и, естественно, что связи между частицами (они называются водноколлоидными) оказываются менее прочными. При таких связях частицы под влиянием внешних усилий могут перемещаться без нарушения сплошности всей массы породы, а это означает, что порода обладает способностью к значительным пластическим деформациям. Такие породы, которые могут при определенной степени влажности (увлажнения) переходить в пластичное состояние, с инженерно-строительной точки зрения должны быть выделены в отдельную общность грунтов, которая именуется связными или пластичными.
К связным относят различные глины, суглинки, супеси, лессы и лессовидные породы. Все они формируются преимущественно под влиянием процессов выветривания и денудации (хотя имеются и морские глины различных генетических типов), когда наряду с агентами физического выветривания активно действуют агенты химического выветривания.
Благодаря этому изменяется не только минеральный состав пород, но и степень йх дисперсности. Химические реакции, протекающие в природе, приводят к возникновению и накоплению глинистых частиц (размером менее 0,001мм), коллоидных частиц (размером менее 0,025 мм). Агенты химического выветривания являются основным фактором, обусловливающим особенности состава пород, входящих в связные.
Связные породы обладают целым рядом свойств, значительно отличающих их от других грунтов. К числу наиболее характерных особенностей следовало бы отнести изменение их свойств в зависимости от влажности. Так, с ростом влажности прочность резко снижается, в сухом же состоянии эти породы способны выдерживать без разрушения весьма значительные нагрузки.
При большом содержании воды порода вообще способна перейти в текучее состояние. Связные грунты при определенной влажности проявляют пластичность и липкость, они набухают при увлажнении и дают усадку при высыхании. Пористость обычно высокая, однако, несмотря на это, водопроницаемость незначительна, так как пористость породы сформирована преимущественно замкнутыми микропорами.
Связные породы, в свою очередь, подразделяют на глинистые, лессовые и алевритовые.
К глинистым относят породы, у которых содержание глинистых частиц превышает 3 %. Эти грунты обладают хорошо выраженными пластическими свойствами и способностью к набуханию в воде. Во влажном состоянии они практически водонепроницаемы.
По петрографическому составу глинистые грунты можно разделить на глины, суглинки и супеси.
К глинам обыкновенно относят породы, у которых содержание глинистых частиц превышает 30 %. Встречаются глины, обладающие высокой дисперсностью, у них количество глинистых частиц может достигать 60 % и более. Как правило, в глинах содержится много коллоидов. Среди глин преобладают полиминеральные. Описанные выше особенности связных или глинистых грунтов выражены у глин особенно ярко.
Супеси содержат от 3 до 10 % глинистых частиц, вследствие чего по своим инженерно-геологическим свойствам они занимают как бы промежуточное положение между глинистыми и песчаными грунтами.
Глинистые грунты могут формироваться под воздействием различных природных процессов. В соответствии с этим при их подразделении в инженерно-геологических целях выделяют не только петрографические, но и генетические типы.
Каждый тип характеризуется присущими ему особенностями состава, структуры и текстуры глинистых толщ. Выделяют элювиальные, делювиальные, пролювиальные, аллювиальные, флю- виогляциальные, озерные, озерно-болотные, морские, моренные, эоловые супеси, суглинки и глины (кроме, пожалуй, эоловых глин). Глинистые породы являются одним из наиболее широко распространенных типов грунтов. Они встречаются среди отложений различного возраста, начиная с кембрия и кончая современными, по сути еще формирующимися образованиями. По мнению Л.Б. Рухина, глинистые породы составляют не менее 60 % общего объема осадочных пород. Эти породы часто вовлекаются в сферу интересов инженеров-строителей и в связи с этим необходимо достаточно серьезное к ним отношение, с учетом того, что состав глинистых грунтов, структурно-текстурные особенности, а также строение слагаемых ими толщ определяются генезисом. Кроме того, ощутимое влияние на свойства глинистых грунтов оказывают их возраст и условия залегания.
Пески имеют чрезвычайно широкое распространение. Согласно данным Л.Б. Рухина, площадь, которая занята в СНГ песками, равняется примерно2млн км 2 , из которых чуть меньше трети (600 тыс. км 2) приходится на территорию Европейской части СНГ. Массивы песков Средней Азии и Казахстана имеют площадь около 1 млн км 2 . Интенсивное использование песков в строительной практике в различных целях предопределяет необходимость тщательного их изучения. Песчаные породы открывают в нашем описании распространенную группу несвязных грунтов, не имеющих или почти не имеющих аналогичных глинистым грунтам связей между частицами и реализующие свои прочностные и деформационные характеристики за счет других особенностей своего внутреннего строения.
Состав, строение и свойства песков определяются, как и у всех пород, их генезисом. Установлено, что разные генетические типы песков имеют различное распространение: в Европейской части СНГ, включая страны Балтии, 51 % площади занимают аллювиальные пески, 24 % -водноледниковые, 11,3 % - эоловые, 3,6 % -аллювиальные, 5-6%-морские, 1,6 %-озерные, 1,5% - остальные типы.
Крупнообломочные породы представляют собой преимущественно обломки пород размером более 2 мм. Обломки эти несцемен- тированы и аналогичны во взаимодействии друг с другом песчаным грунтам, т. е. в них отсутствуют связи, характерные для глинистых грунтов и грунтов с жесткими кристаллизационными связями. Обломки пород, в основном определяющие свойства и поведение грунтов под сооружениями, могут иметь различный петрографический состав и различную форму, степень обработан- ности, что, с одной стороны, определяется составом пород, а с другой (и это главное) - генезисом крупнообломочных пород (рис. 25).
■ Инженерно-геологическая характеристика осадочных пород с жесткими связями. Обломочные сцементированные породы. Рыхлые обломочные породы в природных условиях могут подвергаться цементации за счет веществ, выделяющихся из циркулирующих в них водных растворов; в поры может вноситься («вмываться») пылеватый и глинистый материал. Кроме того, в них могут выпадать из растворов в осадок гипс, кальцит, кремнекислота, гидроксиды железа и другие соединения. Появление этих веществ в толще несцементированных обломочных грунтов приводит не только к увеличению плотности последних, но и вызывает образование проч-
ОСАДОЧНЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ
Осадочные породы покрывают три четверти суши планеты и лишь одна часть занята магматическими и метаморфическими породами. Значение осадоч-ных пород велико. В них сосредоточены почти все месторождения каустобио-литов (нефть, газ, уголь, горючие сланцы и многие другие полезные ископае-мые. Известно, что отложения осадков происходят, главным образом, благода-ря механическим, химическим и биологическим процессам. Осадочные горные породы подразделяются на механические, хемогенные и биогенные. Услов-ность такого разделения очевидна. Трудно обнаружить породы, целиком и пол-ностью образованные в результате какого-либо одного процесса. Более пра-вильно группировать их по составу на обломочные и глинистые породы и по-роды химического и биогенного процессов. Такое их подразделение также име-ет условный характер, так как обломочные породы в процессе диагенеза под-вергаются воздействию разнообразных химических и биологических процес-сов, которые оставляют следы в виде определенных минералов и отражаются на строении этих пород. Однако, как рабочая схема разделения осадочных по-род на три группы удобна и ей обычно пользуются.
В целом осадочные породы занимают скромное место в земной коре, сос-тавляя 8 % её объёма. При этом на долю обломочных пород приходится 1,7 %, глины и глинистые сланцы – 4,2 % и на химогенные и органогенные, главным образом, карбонатные породы – 2 %. Основная масса осадочных образований сосредоточена на континентах и их подводных окраинах. Не более трети всего объёма осадков и осадочных пород находится на дне океанов.
Определение структуры и текстуры в осадочных породах зачастую вызы-вает большие затруднения. Наиболее простым случаем является строение неко-торых обломочных пород, структура которых определяется величиной облом-ков, а текстура различными видами слоистости. Однако в них часто имеются образования, возникновение которых связано с различными стадиями литоге-неза. Например, при характеристике песчаников надо отмечать не только струк-туру обломочной части, сформировавшуюся в процессе осадконакопления, но и структуру цемента, который возник при диагенезе.
Осадочные горные породы классифицируются по условиям образования (табл. 4). Механические осадки (обломочные породы) образуют немногим бо-лее 20 % всей массы осадочных пород. Они в первую очередь разделяются по структуре, т.е. по размерам обломков, слагающих породу. Выделяют четыре группы структур обломочных пород: грубые (псефитовые) обломки имеют раз-меры более 2 мм, средние (псаммитовые) или песчаные зёрна – 2-0,05 мм, мелкие (алевритовые) зёрна – 0,05-0,005 мм, тонкие (пелитовые) частицы име-ют размеры менее 0,005 мм. Кроме хорошо отсортированных пород встреча-ются смешанные – разнозернистые.
Обломочные породы подразделяются также по наличию или отсутствию связующего вещества (цемента) на рыхлые и сцементированные. Обычно выде-ляют следующие виды цементов: глинистый, железистый, сульфатный, карбо-натный и кремнистый. Грубообломочные породы делят с учетом размера (сте-пени окатанности) обломков. По составу обломочной части пески, песчаники подразделяют на мономинеральные (обычно кварцевые), олигомиктовые и полимиктовые (среди которых выделяют аркозы и граувакки).
Текстуры обломочных пород не менее разнообразны, чем их структуры. Существуют текстуры первичные – параллельно-слоистые, косо-слоистые, волнисто-слоистые, неслоистые. Сами породы могут быть рыхлыми, сыпучими, сильно уплотненными, сцементированными. Минералы в осадочных породах могут быть в кристаллическом, аморфном и коллоидном состоянии.
Средний минеральный состав осадочных пород по У.Х. Твенхофелу, %: 34,80 кварц; 15,60 полевые шпаты, в том числе плагиоклазы; 15,00 мусковит,
Таблица 4
Классификация осадочных пород по А.Л. Архангельскому
ОСАДОЧНЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ (а. sedimentary rocks; н. Sedimentargesteine, Sedimentgesteine; ф. roches sedimentaires; и. rocas sedimentarios, rocas de lecho sedimentario) — горные породы , возникшие путём осаждения вещества в водной среде, реже из воздуха и в результате деятельности ледников на поверхности суши, в морских и океанических бассейнах. Осаждение может происходить механическим путём (под влиянием силы тяжести и изменения динамики среды), химическим (из водных растворов при достижении ими концентраций насыщения и в результате обменных реакций), а также биогенным (под влиянием жизнедеятельности организмов). В зависимости от характера осаждения разделяются на обломочные, химические и органогенные ().
Источником вещества для образования осадочных горных пород являются: продукты выветривания магматического, метаморфического и более древних осадочных пород, слагающих земную кору; растворённые в природных водах компоненты; газы, различные вещества, возникающие при жизнедеятельности организмов; вулканогенный материал (твёрдые частицы, выброшенные вулканами , горячие водные растворы и газы, выносимые вулканическими извержениями на поверхность Земли и в водные бассейны). В современных океанических осадках (красная глубоководная глина , ил и др.) и в древних осадочных породах встречается также космический материал (мелкие шарики никелистого железа , силикатные шарики и т.п.).
Кроме того, в составе осадочных горных пород, как правило, присутствуют органические остатки (растительного и животного происхождения), синхронные времени их образования, реже более древние (переотложенные). Некоторые осадочные горные породы (известняки, угли, диатомиты и др.) целиком сложены органическими остатками. Размер частиц (зёрен), их форма и взаимное сочетание определяют структуру осадочных горных пород.
Осадочные горные породы образуют пласты , слои, линзы и другие геологические тела разной формы и размера, залегающие в земной коре нормально-горизонтально, наклонно или в виде сложных складок. Внутреннее строение этих тел, обусловливаемое ориентировкой и взаимным расположением зёрен (или частиц) и способом выполнения пространства, называется текстурой осадочных горных пород. Для большинства этих пород характерна слоистая текстура: типы текстуры зависят от условий их образования (главным образом от динамики среды).
Образование осадочных горных пород происходит по следующей схеме: возникновение исходных продуктов путём разрушения материнских пород, перенос вещества водой, ветром, ледником и осаждение его на поверхности суши и в водных бассейнах. В результате образуется рыхлый и , насыщенный водой, полностью или частично, осадок, сложенный разнородными компонентами.
Он представляет собой неуравновешенную сложную физико-химическую и частично биологическую систему, с течением времени постепенно превращающуюся в осадочную породу.
Образование и размещение на поверхности Земли осадочных горных пород определяется главным образом климатическими и тектоническими условиями. Так, в областях гумидного климата (влажного и тёплого) образуются глинозёмистые, железистые, марганцевые породы и различные каустобиолиты; для аридных (засушливых) областей характерны отложения доломитов, гипса , галита , калийных солей , красноцветных пород; для нивальных областей (полярных и высокогорных) — продукты физического выветривания, представленные различными обломочными породами. Влияние тектонического режима не менее важно. В геосинклиналях накапливаются мощные толщи осадочных горных пород, которые, как правило, характеризуются изменчивостью в пространстве и пёстрым (многокомпонентным) составом обломочного и другого материала, наличием пластов вулканогенно-осадочных пород и т.п. Наоборот, на платформах залегают небольшие по мощности толщи осадочных горных пород, часто с пластами, выдержанными в пространстве, с более однородным (однокомпонентным) составом обломочного материала и т.п. Условия осадконакопления в прежние геологические эпохи (особенно в течение фанерозоя) были близки или аналогичны современным. Поэтому распределение типов пород на поверхности Земли в древние геологические периоды позволяет восстанавливать палеогеографическую и палеотектоническую обстановку геологического прошлого.
