Классификация горных пород по признакам их строения

Редькин Геннадий Михайлович - доктор технических наук, профессор кафедры высшей математики, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, [email protected]

Красюкова Елена Игоревна - старший преподаватель кафедры высшей математики, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, [email protected]

Овчарова Наталья Владимировна - ведущий инженер кафедры высшей математики, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, [email protected]

Аннотация: в статье рассмотрено структурно-текстурное строение горных пород, в зависимости от условий их образования. Это три главнейшие генетические группы: магматические, осадочные и метаморфические породы. Кроме того, приведен установленный в строительном материаловедении закон конгруэнции, из которого следует индуцирование свойств компонентов системы в свойства конгломератов, строительных и дорожно-строительных материалов. Построенная классификации горных пород по их базовым физическим свойствам в силу закона конгруэнции дает возможность систематизированного изучения и прогнозирования свойств, не только горных пород, но и строительных, и дорожно-строительных материалов.

Ключевые слова: материаловедение, закон конгруэнции, минералы, горная порода, структура, текстура, классификация.

Введение.

Эффективные технологии рационального использования горных пород в промышленности строительных и дорожно-строительных материалов возможны в том случае, когда они базируются на изученности свойств горных пород [1...3].

Основными признаками, определяющими свойства пород, являются их минералогический состав и строение [4]. В строительном материаловедении И.А. Рыбьевым [5] установлен закон конгруэнции, заключающийся в индуцировании свойств компонентов системы в свойства конгломератов, строительных и дорожно-строительных материалов на их основе.

Классификация горных пород по базовым физическим свойствам дает возможность систематизированного их изучения и способствует прогнозированию свойств. В силу же закона конгруэнции данная классификация может быть положена в основу систематизированного изучения и прогнозирования свойств конструируемых строительных и дорожно-строительных материалов. Ниже рассмотрим генезис, строение, анизотропию горных пород и их классификацию по признакам строения.

Основная часть. Горные породы. Горные породы образовывались в недрах Земли и на ее поверхности в результате, соответственно, эндогенных и экзогенных геологических процессов.

Под действием экзогенных процессов, включающих: дезинтеграцию, перенос, накопление осадочных масс и их литифики-цию, сформировались осадочные породы.

Магматические же и метаморфические породы индуцированы эндогенными геологическими процессами. Так, при плавлении пород образуется флюидно-силикатный расплав - магма, кристаллизация которой приводит к формированию магматических гор ных пород. А высокое давление, температура, горячие газоводяные растворы в земных недрах способствуют преобразованию магматических горных пород в метаморфические.

Кроме того, при погружении на глубину, осадочные, вулканогенно-осадочные породы уплотняются, литифицируются и, изменяясь, переходят в метаморфические горные породы.

В свою очередь, попадая на поверхность, магматические и метаморфические горные породы подвергаются процессам выветривания с последующим их переходом в осадочные горные породы [3].

Из изложенного выше следует, что горные породы являются продуктом целого комплекса сложных физико-химических природных процессов и представляют собой устойчивые формы парагенетических минеральных агрегатов определенного состава и строения, залегающие в земной коре в виде самостоятельных тел.

В свою очередь, минералы представляют природные химические соединения однородные по своему составу, внутреннему строению и физическим свойствам. Минералы являются химическими соединениями элементов, а горные породы-механическими соединениями минералов [4].

Известны около 3000 различных твердых, жидких и газообразных минералов, из которых порядка 30, так называемых породообразующих, участвуют в образовании горных пород. Наиболее распространены полевые шпаты - натриевые, калиевые и кальциевые алюмосиликаты, составляющие 60 % верхней части земной коры, амфиболы и пироксены - 17 %, кварц - 12 % и слюды -3,8 % [4].

Горные породы отличаются не только по минеральному составу, но и по строению, которое объединяет понятия структуры и текстуры. Структура горных пород отражает зернистость и определяется формой, размерами минеральных составляющих -минеральных зерен, минеральных агрегатов, включений. При описании строения пород выделяют структуры: крупно-, средне-, мелкозернистые, афанитовые, скрытокри-сталлические, стекловатые, порфировые, лепидо-, немато-, грано-, бластовые и др.

Пространственное взаиморасположение минеральных зерен, составляющих горную породу, определяют текстуры, из которых отметим наиболее типичные: массивную, пористую, слоистую, полосчатую, сланцеватую.

Анизотропные горные породы

Анизотропией (от греч. Anisos -неравный и tropos - направление) называют различие тех или иных свойств среды в разных направлениях. Поэтому тела, материалы, горные породы, обладающие различными свойствами в различных направлениях, называют анизотропными.

Анизотропия горных пород связана прежде всего с особенностями их структурно-текстурного строения, которое находится в причинной зависимости от формирующихся их генетических процессов в земной коре и воздействия внешних факторов: тектонических движений, деформаций и дислокаций земной коры, выветривания, седиментации, давления, температурных колебаний.

Осадочные породы представлены известняками, песчаниками, глинами, трепелами, ископаемыми углями и др. Одним из основных признаков их строения является слоистость, которая сформировалась в результате диагенеза путем выветривания материнской породы, транспортировки, седиментации, литификации стратифицированных слоистых толщ в условиях относительно низких температур и давлений.

Магматические породы - граниты, диориты, базальты, габбро и др. возникли из магмы при остывании последней. Слоистость в них практически отсутствует. Если магма затвердела на глубине, внутри земной коры, то образовались породы интрузивные (глубинные) с полнокристаллической структурой и чаще всего массивной текстурой. Если магма затвердела на земной поверхности в результате излияния, то породы будут эффузивные (излившиеся), неполнокристаллические, стекловатой или скрытокристаллической структуры. Текстура излившихся пород чаще всего флюидаль-ная со следами течения. Если движение магмы продолжалось в период и после про-цес с а к р и сталлизации, то развивались такие текстурные особенности породы, как флюидальность, полосчатость и линейная ориентировка породообразущих минералов. Если при своем движении магма захватывала и ассимилировала чужеродные породы, то обломки, преимущественно мелкие, вытягивались в направлении движения, образуя шлировую полосчатость [3].

Отличительной особенностью происхождения метаморфических горных пород, представленных: кварцитами, гнейсами, кристаллическими сланцами, мраморами и др., является их одностороннее давление (стресс) в условиях высоких температур и циркулирующим по трещинам и порам горячих растворов.

Это приводит к взаимному расположению пластинчатых, чешуйчатых и игольчатых минералов, а также к деформации габитуса изометрических кристаллов и формированию тем самым, в основном, сланцеватых, слоистых и полосчатых текстур. При этом геолого-структурные элементы - зерна, минералы, минеральные агрегаты упорядочено располагаются по слоистости, сланцеватости, флюидальности, трещиноватости.

Таким образом структуры: лепидо-, немато-, гранобластовые и текстуры: слоистая, сланцеватая, полосчатая, флюи-дальная, характеризующие рассмотренные выше виды осадочных пород, магматических и метаморфических пород, индуцируют анизотропию физико-механических параметров данных пород.

Классификация горных пород по признакам строения

Минеральный состав, стуктурно-текстурное строение, связи между минеральными зернами - это основные характеристики горных пород и строительных материалов, от которых зависят их физические, механические и технологические свойства.

По характеру связей между минеральными зернами выделяют следующие типы пород: твердые (скальные и полускальные) породы, представленные гранитами, диабазами, песчаниками, гнейсами и др., связи между минеральными зернами которых сильные; связные (глинистые) породы -глины, суглинки, бокситы с водно-коллоидными связами между частицами; рыхлые (раздельно-зернистые) породы -механические смеси несвязанных между собой минеральных зерен, например: песок, гравий, галечник.

Далее, в зависимости от формы и размеров зерен, составляющих породу, от степени их отсортированности, сцементированности и уплотненности делят породы на пористые и практически непористые. Кроме того, горные породы рассматривают как системы: статистические, определяемые однородным распределением минералов и матричные, когда в основной каркас породы вкраплены минеральные включения.

Строение систем оценивают по размерам и формам зерен, пустот (пор), включений и выделяют изотропные и анизотропные

породы. Изотропные породы характеризуются формами зерен, пустот и включений, близкими к шару, а анизотропные породы -вытянутыми формами, причем вытянутость может быть в одном направлении (линейная) - типа прожилковатости, либо в двух (п лоскостная) - типа слоистости.

Классификацию горных пород по рассмотренным признакам их строения приведем в табл.

Таблица

Классификация пород по признакам строения

С к Ю н е а Статистические и матричные Матричные

о р изотропные анизотропные слоистые прожилковатые

и Связные и рыхлые о р и с т ы е 3,1 3,2 3,3

Классификация представляет таблицу с двумя входами, имеющую г строк и к столбцов (г, к = 1, 2, 3), где г и к номера соответственно строк и столбцов. Номер строки г указывает на характер связности между минеральными зернами породы и ее пористость. Номер столбца к характеризует размеры и формы зерен, пустот, включений, т.е. строение породы. Пересечение г-ой строки с к -ым столбцом определяет тип г, к горной породы, которому отвечают совокупность характеристик, принадлежащих г-ой строке и к-му столбцу.

Заключение. Анизотропные горные породы типов 1.2, 2.2, 3.2, 1.3, 2.3, 3.3 (табл.) в том числе и метаморфические сланцы широко распространены в недрах земли, они ассоциируют с железисто-кремнистыми породами и являются вмещающими горными породами многих месторождений железных руд метаморфогенного типа. Только на месторождениях КМА их разведано порядка 1 млрд.

Более 80 % железорудных месторождений разрабатывают открытым способом, при котором попутно извлекают вмещающие породы и складируют их в отвалы, которые выводят из сельскохозяйственного оборота значительные площади плодородных

земель, загрязняют окружающую среду, портят ландшафт, требуют больших затрат на их устройство и содержание.

В свете изложенного, особую актуальность приобретает проблема рационального и эффективного использования попутно добываемых анизотропных горных пород и, в частности, метаморфических сланцев в строительной индустрии при производстве бетонов, асфальтобетонов, оснований дорожных одежд, силикатного кирпича, строительного щебня и других строительных и дорожно-строительных материалов. Однако решение данной проблемы возможно лишь на основе всестороннего изучения и математического описания физико-механических и технологических свойств.

Приведенная классификация способствует систематизированному изучению и прогнозированию свойств горных пород, которые, согласно закону конгруэнции, индуцируются в строительные и дорожно-строительные материалы.