Основные сведения о геологии и инженерной геологии. Сведения о Земле, геологических процессах. Понятие о геохронологии.

Лекция № 1

Основные сведения о геологии и инженерной геологии. Сведения о Земле, геологических процессах. Понятие о геохронологии.

1. Определение дисциплины «Инженерная геология», ее задачи и связь со смежными науками геологического и технического цикла.

2. Объекты и методы И.Г. как науки.

3. Сведения о Земле: форма; размеры геосфер, и их взаимодействие.

4. Геологические процессы на земной поверхности.

5. Геологическая хронология земной коры.

 

Вопрос 1.

Геология - комплекс наук о составе, строении, истории развития Земли, движения земной коры и размещении в недрах Земли полезных ископаемых.

Основным объектом изучения геологии является земная кора - внешняя твердая оболочка Земли, имеющая важнейшее значение для осуществления жизни и деятельности человека.

Инженерная геология – часть общей геологии, которая изучает геологические процессы верхних горизонтов земной коры и физико-механические свойства горных пород в связи с инженерно-строительной деятельностью человека.

Основные задачи инженерной геологии

1. Изучение состава, строения, состояния, свойств и условий распространения горных пород, определяющих их поведение при взаимодействии с инженерными сооружениями.

2. Изучение геологических процессов, как природных, так и возникающих в связи с возведением и эксплуатацией зданий, сооружений с целью установления их влияния на построенные объекты и на окружающую среду.

3. Установление закономерностей пространственного распределения инженерно-геологических условий.

Современный инженер-строитель-технолог должен:

- знать виды горных пород, слагающих верхнюю оболочку Земли (земную кору);

- знать законы движения подземных вод;

- уметь составить задание на инженерно-геологические изыскания;

- уметь прочесть геологическую карту, геологический разрез и др. документы, лежащие в основе проектирования;

- уметь оценивать соответствие поставляемых материалов. Выданным на них документам.

Инженерная геология тесно связана со следующими геологическими науками:

Минералогия – наука о составе, происхождении и свойствах природных соединений – минералов, слагающих земную кору.

Петрография - наука о горных породах, их составе, строение, происхождении, условиях залегания.

Динамическая геология - наука о процессах, изменяющих облик Земли.

Стратиграфия - наука о слоях земной коры.

Историческая геология – наука, изучающая строение земной коры в исторической последовательности.

Гидрогеология - наука о подземных водах.

Механика грунтов - наука, изучающая физико-механические свойства грунтов, распределение в них напряжений и деформаций.

 

Вопрос 2.

Объектом изучения И.Г. является геологическая среда – пространство, на которое распространяется жизнедеятельность человека и влияние внешних геосфер: космосферы, атмосферы, гидросферы, биосферы.

К методам И.Г. относят:

- палеонтологический – метод изучения последовательности напластования осадочных пород по окаменевшим остаткам животных и растений;

- визуальный метод;

- экспериментально-расчетный метод.

 

Вопрос 3.

Форма Земли

Форма Земли близка к трехосном эллипсоиду вращения с полярным сжатием: у современной Земли полярный радиус 6356,78 км, а экваториальный 6378,16 км. Длина земного меридиана составляет 40008,548 км, длины экватора 40075,704 км. Для практических расчетов радиус Земли принимают равным 6371 км. Полярное сжатие обусловлено вращением Земли вокруг полярной оси и величина этого сжатия связана со скоростью вращения Земли. Иногда форму Земли именуют сфероидом, но для Земли есть и собственное наименование формы, а именно - геоид.

Поверхность Земли на 70,8% (361,1 млн.км²) занята поверхностными водами (океанами, морями, озерами, реками, искусственными водохранилищами). Суша составляет 29,2% (148,9 млн. км²). Средняя плотность Земли 5,52 г/см³.

Строение Земли

В общем виде Земля сложена как бы несколькими концентрическими оболочками: внешними - атмосфера (газовая оболочка), гидросфера (водная оболочка), биосфера (область распространения живого вещества, по В.И.Вернандскому) и внутренними, которые называют собственно геосферами (ядро, мантия, литосфера).

 

 

Рис. 1. Геосферы Земли (а) и строение Земли (б).

 

Атмосфера - толщина 3000 км, состоит из тропосферы, стратосферы, ионосферы (снизу вверх).

Гидросфера – толщина 3,8 км; покрывает земную поверхность на 70,8%.

Внутреннее строение Земли по современным представлениям состоит из ядра, мантии и литосферы. Границы между ними достаточно условны, вследствие взаимопроникания как по площади, так и по глубине.

Земное ядро состоит из внешнего (жидкого) и внутреннего (твердого) ядра. Радиус внутреннего ядра примерно 1200-1250 км, переходный слой между внутренним и внешним ядром имеет мощность 300-400 км, а радиус внешнего ядра равен 3450-3500 км (соответственно глубина 2870-2920 км). Плотность вещества во внешнем ядре с глубиной возрастает с 9,5 до 12,3 г/см³. В центральной части внутреннего ядра плотность вещества достигает почти 14 г/см³. Все это показывает, что масса земного ядра составляет до 32% всей массы Земли, в то время как объем его всего примерно 16% от объема Земли. Современные специалисты считают, что земное ядро почти на 90% представляет собой железо с примесью кислорода, серы, углерода и водорода, причем внутреннее ядро имеет железо-никелевый состав.

Мантия Земли представляет собой силикатную оболочку между ядром и подошвой литосферы. Масса мантии составляет 67,8% от общей массы Земли. Геофизическими исследованиями установлено, что мантия, в свою очередь, может быть подразделена на верхнюю (до глубины 400 км) и нижнюю мантию (с подошвой на глубине примерно 2900 км). Весьма важным элементом в строении мантии является зона, подстилающая подошву литосферы. Физически она представляет собой поверхность перехода сверху вниз от охлажденных жестких пород к частично расплавленному веществу мантии, находящемуся в пластическом состоянии. По современным представлениям мантия имеет ультраосновной состав. Мантия в настоящее время оценивается, как источник сейсмических и вулканических явлений, горообразовательных процессов, а также зона реализации магматизма.

Литосфера - это каменная оболочка Земли, объединяющая земную кору и подкорковую часть верхней мантии. Характерным признаком литосферы является то, что в нее входят породы в твердом кристаллическом состоянии, и она обладает жесткостью и прочностью. Вниз по разрезу от поверхности Земли наблюдается рост температуры. Расстояние в метрах, на которое надо углубиться в Землю по вертикали для того, чтобы температура повысилась на 1^оС, называется геотермической ступенью. Прирост температуры в градусах при углублении на единицу глубины, например на 100 метров, называется геотермическим градиентом. В среднем геотермический градиент принимается равным 3^о на 100 м, а соответствующая ему ступень - около 33 м.

Расположенная под литосферой пластичная оболочка мантии, в которой при высоких температурах вещество частично расплавлено и вследствие этого в отличии от литосферы не обладает прочностью, может пластично деформироваться и даже течь под действием малых избыточных давлений. Это показывает, что верхняя мантия в масштабах геологического времени ведет себя как вязкая жидкость. Таким образом, литосфера способна к движению относительно нижней мантии.

Мощность литосферы меняется от нескольких километров под рифовыми долинами срединных океанических хребтов до 100 км под периферией океанов, а под древними щитами мощность литосферы достигает 300-350 км.

Земная кора представляет собой верхний слой Земли, который имеет нижнюю границу (или подошву) по слою Мохоровичича, где отмечено скачкообразное увеличение скоростей распространения упругих (сейсмических) волн до 8,2 км/сек.

В настоящее время выделяют два типа земной коры: " базальтовая " океаническая и " гранитная " континентальная.

Океаническая кора. Верхний слой представлен осадочным материалом, представленным карбонатными осадками и бескарбонатными красными глубоководными глинами. Второй слой сложен подушечными лавами базальтов океанического типа. Океаническая кора образуется в рифовых зонах срединно-океанических хребтов за счет происходящего под ними выделения базальтовых расплавов верхней магмы.

Континентальная кора резко отличается от океанической по мощности, строению и составу. Ее мощность меняется от 20 до 80 км. Мощность континентальной коры под древними платформами в среднем составляет 40 км.

Континентальная кора сложена тремя слоями, верхний из которых осадочный, а два нижних представлены кристаллическими породами. Осадочный слой представлен глинистыми осадками и карбонатами мелководных морских бассейнов и имеет мощность от 0 на древних щитах до 15 км в краевых прогибах платформ. Под осадочным слоем залегают "гранитные" породы, зачастую преобразованные процессами регионального метаморфизма. Под этим слоем залегает базальтовый. Отличием континентальной коры от океанической является наличие в ней гранитного слоя. Далее океаническая и континентальная кора подстилаются породами верхней мантии.

Земная кора имеет алюмосиликатный состав, представленный, главным образом, легкоплавкими соединениями. Химический состав земной коры, %, следующий: кислород -46,8; кремний - 27,3; алюминий - 8,7; железо - 5,1; кальций - 3,6; натрий - 2,6; калий - 2,6; магний - 2,1; другие элементы - 1,2.

 

Вопрос 4.

Вопрос 5.

Лекция №2

Вопрос 1.

Минералы

Минералами называются природные химические соединения, возникающие в результате различных процессов, протекающие в земной коре. Минералы являются составными частями горных пород и руд, они отличаются друг от друга по химическому состав и физическим свойствам (цвет, плотность, твердость, блеск и т.д.).

В природе насчитывается около 4000 минеральных видов и примерно такое же количество их разновидностей. Практическое значение минералов огромно. Нет ни одной отрасли промышленности, где бы ни использовались те или иные полезные ископаемые, состоящие из различных минералов.

Некоторые минералы сами по себе представляют ценные полезные ископаемые и применяются в народном хозяйстве в естественном виде, например слюды, алмаз, сера, кварц, каменная соль и т.д. Значительная часть минералов содержит в себе ценные компоненты, которые извлекаются из них путем технологической обработки и используются в промышленности и сельском хозяйстве. Так получают практически все металлы, многие виды химического сырья, удобрения и др. Ряд минералов используется как драгоценные и поделочные камни, абразивные и строительные материалы и т.п.

Каждый минерал образуется в конкретных физико-химических условиях и характеризуется определенными пределами устойчивого состояния. В случае резкого повышения или понижения температуры, давления и концентрации химически активных компонентов минералы подвергаются изменениям, которые могут привести или к разрушения последних, или к замещению их другими минералами, устойчивыми в новых термодинамических условиях.

 

Вопрос 2.

Происхождение минералов

Условия, в которых образуются минералы в природе, отличаются большим разнообразием и сложностью. Все многочисленные процессы, в результате которых происходит образование (генезис) минералов, можно разделить на три большие группы.

Эндогенные процессы, происходящие внутри Земли и связанные с магматической деятельностью. Минералообразование протекает в условиях высоких температур и больших давлений. Эти процессы весьма сложны и большей частью недоступны непосредственным наблюдениям (за исключением вулканических процессов).

Образование минералов происходит в результате застывания силикатного расплава, называемого магмой. С точки зрения физической химии, магма представляет собой многокомпонентную силикатную систему, содержащую газовую фазу. В магме может находиться в растворенном состоянии до 8-10% газовой фазы (летучих компонентов).

Предполагается, что химические элементы находятся в расплаве в виде комплексных анионов [SiO₄], [AlO₄], [AlSiO₄], [AlSi₃O₈] и свободных катионов металлов (Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Fe²⁺, Fe³⁺ и т.д.).

Что касается газовой фазы, то она представлена в большей или меньшей степени диссоциированной водой, а также СО₂, СН₄ и др.

Таким путем образуются, например, кварц и различные силикаты. Эндогенные минералы обычно плотные, с большой твердостью, стойкие к воде, кислотам и щелочам.

Экзогенные процессы совершаются на поверхности земной коры.При этом процессе минералы формируются на суше и водной среде. В первом случае их образование связано с процессом выветривания, т.е. с разрушительным воздействием воды, агрессивных сред, колебаний температуры на эндогенные минералы. Так образуются глинистые минералы (каолин, гидрослюда и др.), различные железистые соединения (сульфиды, оксиды и др.). Во втором случае минералы формируются в процессе выпадения химических осадков из водных растворов (галит, сильвин и др.). В экзогенных процессах ряд минералов образуется также за счет жизнедеятельности различных организмов (опал и др.).

Экзогенные минералы разнообразны по свойствам. В большинстве случаев они имеют низкую твердость, активно взаимодействуют с водой или растворяются в ней.

Метаморфические процессы заключаются в глубоком преобразовании ранее сформировавшихся минералов вследствие изменения физико-химических условий (температуры, давления и концентрации химически активных компонентов). Под воздействием высоких температур и давлений, а также магматических газов и воды на некоторой глубине в земной коре происходит преобразование (метаморфизм) минералов и горных пород, ранее образовавшихся в экзогенных процессах. Минералы изменяют свое первоначальное состояние, перекристаллизовываются, приобретают плотность, прочность. Так образуются многие минералы-силикаты (роговая обманка, актинолит).

Следует указать, что в природе нет четких границ между всеми названными процессами, они тесно между собой связаны. Примером минералообразования, связанным с развитием одновременно нескольких процессов, может служить осадконакопление на дне морей и океанов при подводных извержениях вулканов. Естественно, что при этом образуется осадочная порода, но вместе с типично осадочным материалом она состоит в значительной степени из пепла, а слои осадочных пород часто перемежаются с потоками лав. Таковы, например, осадочно-вулканогенные образования.

 

Вопрос 3.

Основные свойства минералов

Минералы обладают кристаллической структурой или бывают аморфными. Большинство минералов имеет кристаллическое строение, в котором атомы расположены в строго определенном порядке, создавая пространственную решетку. Благодаря этому многие минералы имеют вид правильных многогранников (кристаллов). Примером может служить кварц.

Аморфные кристаллы не имеют кристаллической структуры и для них характерна неправильная внешняя форма (опал).

Каждый минерал имеет ту или иную форму, цвет, может быть легким или тяжелым, характеризуется определенным блеском, чертой, т.е. отличается внешними признаками, по которым, в первом приближении, он и опознается, т.е. определяется макроскопически (визуально).

Все физические свойства минералов связаны с их внутренним строением. Разберем последовательно главнейшие физические свойства минералов и определяющие их факторы. Главнейшими из них являются: внешняя форма, оптические характеристики (цвет, блеск, прозрачность), показатели твердости, спайности, излом, плотность.

Внешняя форма минералов разнообразна. Минералы могут иметь изометрическую форму, примерно одинаково развитую во всех трех направлениях (галит, пирит); вытянутую в одном направлении, призматическую, игольчатую (кварц, асбест); вытянутую в двух направлениях, плоскую, листоватую, чешуйчатую (слюда, графит). В природных условиях они чаще всего приобретают неправильные очертания. Хорошо ограненные кристаллы встречаются сравнительно редко. Для многих минералов характерны также формы землистого облика, агрегатных скоплений (дендриты, натечные формы) и др.

Цвет для очень многих минералов строго постоянен. Их условно разделяют на светлые (кварц, полевые шпаты, гипс и др.) и темные (роговая обманка, авгит и др.).

Блеск - способность поверхности минералов отражать в различной степени свет. Блеск может быть металлическим и неметаллическим, который в свою очередь может быть стеклянным (силикаты), жирным (тальк), шелковистым (асбест) и т.д.

Прозрачность – способность минералов пропускать цвет. Минералы могут быть прозрачными (кварц, мусковит); полупрозрачными (гипс, халцедон); непрозрачными (пирит, графит).

Твердость - способность минералов противостоять внешним механическим воздействиям. Каждому минералу присуща определенная твердость, которая ориентировочно оцениваться по 10-бальной шкале Мооса (табл.1).

Таблица 1

Твердость минералов

Эталонные минералы	Твердость по шкале Мооса	Число истинной твердости, МПа	Визуальные признаки	Твердость по группам минералов
Тальк Гипс Кальций Флюорит Апатит Ортоклаз Кварц Топаз Корунд Алмаз			Чертится ногтем то же то же то же то же царапает стекло то же режет стекло то же то же	мягкие то же средней твердости то же то же твердые то же очень твердые то же то же

 

Спайность - способность минералов раскалываться или расщепляться по определенным направлениям с образованием плоскостей раскола. Это свойство обусловлено внутренним строением кристаллов и не зависит от их внешней формы.

Излом характеризует поверхность излома и раскалывания минералов. Различают излом по спайности (кальцит), раковистый (кварц), землистый (каолинит) и др.

Цвет черты. Одним из физических признаков минералов является цвет черты, который определяется следом, оставленным минералом на неглазурованной фарфоровой пластинке. Очень часто он не совпадает с цветом определяемого минерала. Так, темно-серый гематит дает характерную вишнево-красную черту; ярко желтый халькопирит - темно-серую с зеленоватым оттенком и т.д.

Плотность минералов различна и колеблется в пределах от 0,6 до 19 г/см³. Наиболее распространенные значения плотности находятся в пределах от 2,5 до 3 г/см³.

Каждый минерал характеризуется определенным химическим составом. В отдельных случаях можно встретить минералы сходного химического состава, но и в этом случае они обязательно имеют различное внутреннее строение, а, следовательно, и различную внешнюю форму.

Химический состав кристаллических минералов выражается кристаллохимической формулой, которая одновременно показывает количественные соотношения элементов и характер их взаимной связи в пространственной решетке. Примерами таких формул минералов являются: каолинит - Al₂[Si₄O₁₀](OH)₈, авгит - Ca(Mg, Ge, Al)x[(Si, Al)₂O₆]. Химическая формула аморфных минералов отражает только количественное соотношение элементов.

В составе многих минералов экзогенного происхождения содержится вода. Молекулярная вода не участвует в строении пространственной решетки и ее удаление лишь обезвоживает минерал. Например, после нагревания гипса CaSO₄×2H₂O остается CaSO₄, называемый ангидритом. Химически связанная вода в виде (ОН) входит в пространственную решетку, например глинистых минералов, и ее удаление приводит к разрушению минералов.

 

Вопрос 4.

Классификация минералов

Классификационной единицей в минералогии служит минеральный вид. Одно из определений минерального вида было дано акад. В.С.Соболевым, который к минеральным видам относит природные соединения, имеющие однотипную структуру и состав, изменяющийся в определенным пределах.

Все минералы разделяют на 10 классов (табл.2).

Таблица 2

Классы минералов и типичные для них минералы

 

Класс	Минералы	Класс	Минералы
Силикаты Карбонаты Оксиды Гидроксиды Сульфиды	Ортоклаз K[AlSi3O8] Кальцит СаСО3 Кварц SiO2 Опал SiO2×nH2O Пирит FeS2	Сульфаты Галоиды Фосфаты Вольфрамиты Самородные элементы	Гипс СаSO4×H2O Галит NaCl Апатит Ca5(F,Cl)[PO4]3 Вольфрамит (Fe,Mn)WO4 Алмаз С

 

В земной коре содержится более 7000 минералов и их разновидностей. Большинство из них встречаются редко и лишь немногим более 100 минералов встречаются часто и в достаточно больших количествах входят в состав тех или иных горных пород. Такие минералы называют породообразующими.

Ниже дается краткая характеристика основных классов минералов, которые имеют наибольшее распространение в земной коре и краткая характеристика основных породообразующих минералов этого класса.

Силикаты - наиболее многочисленный класс, включающий до 800 минералов, являющихся основной составной частью большинства магматических и метаморфических пород. Среди силикатов выделяют группы минералов, характеризующиеся некоторой близостью состава и строения - полевые шпаты, пироксены, амфиболы, слюды, а также оливин, тальк, хлориды и глинистые минералы. Все они по своему составу алюмосиликаты.

Полевые шпаты по химическому составу представляют собой алюмосиликаты - соединения кремнезема с оксидом алюминия и оксидами щелочных металлов K₂O, Na₂O, CaO. Они широко распространены среди минералов земной коры. Количество их по весу составляет 50%. Полевые шпаты имеют плоскости спайности, легко раскалываются по этим плоскостям и отличаются различной окраской. По характеру спайности полевые шпаты делят на ортоклазы и плагиоклазы. Ортоклазы K₂O×Al₂O₃×6SiO₂ прямо раскалывающиеся минералы; плагиоклазы - изоморфная смесь альбита или натриевого полевого шпата Na₂O×Al₂O₃×6SiO₂ и анорита или кальциевого шпата СаО×Al₂O₃×2SiO₂. Полевые шпаты имеют R_сж. = 120-170 МПа, плотность от 2,5 т/м³ (ортоклаз) до 2,76 т/м³ (снорит). Полевые шпаты нестойки против выветривания. Продуктами выветривания являются алюмосиликаты, в частности каолинит ×Al₂O₃×2SiO₂×2H₂O, входящий в состав глин, а иногда и кальцит CaCO₃.

Полевые шпаты являются основными породообразующими минералами изверженных пород.

Физические свойства плагиоклазов – цвет белый, серый; блеск – стеклянный; спайность совершенна в двух направлениях; твердость 6-6,5; плотность 2,62 (альбит) – 2,7 (анортит).

К железисто-магнезиальным минералам относятся пироксены, роговая обманка и оливин (Mg×Fe)× SiO₄. Эти минералы имеют сложный химический состав, в основном это силикаты магния, железа и входят преимущественно в состав изверженных горных пород.

Физические свойства оливина – цвет желтый; блеск стеклянный; излом раковистый; спайность несовершенная; твердость 6-7; плотность 3,3-4,3.

Слюды - водяные алюмосиликаты сложного и разнообразного состава. Их делят на два вида: биотит и мусковит. Мусковит - калиевая слюда K₂O×Al₂O₃×6SiO₂×2H₂O, плотностью g₀ = 2,76-3,1 т/м³, светлая тугоплавкая, химически стойкая. Биотит - железисто-магнезиальная слюда K₂O×(Mg×Fe)×O×Al₂O₃×6SiO₂×2H₂O очень темного цвета, плотностью 3,02-3,12 т/м³. Слюды легко расщепляются на тонкие пластинки. Биотит входит в состав многих изверженных горных пород, выветривается быстрее, чем мусковит. Последний встречается в изверженных и осадочных горных породах.

Физические свойства биотита – цвет темно-бурый до черного; блеск стеклянный; спайность совершенная; твердость 2-3; плотность 3-3,1.

Физические свойства мусковита – бесцветен; блеск стеклянный; спайность весьма совершенная; твердость 2-3; плотность 2,7-2,8.

Каолинит - представляет собой водный силикат алюминия Al₂O₃×2SiO₂×2H₂O. Отдельные пластинки и чешуйки его бесцветные, а сплошная масса может иметь белый, желтоватый, буроватый и голубовато-зеленый цвета.

Физические свойства каолинита – цвет белый; блеск матовый; спайность весьма совершенная; твердость 1; плотность 2,6.

Карбонаты. К ним относится более 80 минералов. Наиболее распространены кальцит, магнезит, доломит. Происхождение карбонатов в основном экзогенное и связано с водными растворами. В контакте с водой они немного снижают свою механическую прочность; хотя и слабо, но растворяются в воде, разрушаются в кислотах.

Кальцит СаСО₃ (известковый шпат) является одним из наиболее распространенных минералов земной коры. Кальцит образует крупно-, средне- и мелкозернистые породы.

Физические свойства кальцита – цвет молочно-белый; спайность совершенная по ромбоэдру; бурно выделяет СО₂ при действии соляной кислоты; твердость 3; плотность 2,6-2,8.

Магнезит MgCO₃, в отличии от кальцита встречается в природе значительно реже, он имеет несколько большую твердость и меньшую растворимость, чем кальцит.

Физические свойства магнезита – цвет белый; блеск стеклянный; спайность у кристаллического магнезита совершенная по ромбоэдру; без нагревания в соляной кислоте не вскипает; твердость 4-4,5; плотность 2,9-3,1.

Доломит MgCO₃×СаСО₃ - минерал по химическому составу представляет собой двойную углекислую соль магния и кальция. По физическим свойствам он аналогичен магнезиту.

Физические свойства доломита – цвет белый; блеск перламутровый; с соляной кислотой без нагревания реагируют слабо; спайность совершенная; твердость 3,5-4; плотность 2,8-2,9.

Оксиды и гидроксиды. Эти два класса объединяют около 200 минералов, на их долю приходится до 17% всей массы земной коры. Наибольшее распространение имеют кварц, опал и лимонит.

Кварц по химическому составу представлен диоксидом кремния SiO₂. Это наиболее распространенный минерал земной коры, находящийся в природе в виде самостоятельной горной породы или входящий в состав полиминеральных горных пород. R_сж. = 2000 МПа. Кварц стоек к действию кислот, за исключением плавиковой и обладает высокой атмосферостойкостью. При температуре 18-20⁰С не реагирует с известью Ca(OH)₂, но в среде насыщенного пара и при температуре 150-200⁰С вступает с ним в реакцию, образует гидросиликаты. Кварц - важнейший минерал многих изверженных (граниты, кварцевые порфиры), осадочных (песчаники, пески) и метаморфических (кварциты) горных пород. При температуре 1710⁰С кварц плавится, образуя после быстрого остывания кварцевое стекло.

Физические свойства кварца – бесцветный, белый, серый, реже розовый, фиолетовый (аметист), прозрачный (горный хрусталь), иногда дымчатый до черного (морион); блеск стеклянный; спайность несовершенная, излом раковистый; твердость 7; плотность 2,65-2,66.

Сульфиды насчитывают до 200 минералов. Типичный представитель пирит. Сульфиды в зоне выветривания разрушаются, поэтому их примесь снижает качество строительных материалов.

Пирит, серный колчедан FeS₂, авгит (кальциевая соль фосфорной кислоты) и другие встречаются в горных породах в качестве второстепенных минералов.

Физические свойства пирита – цвет золотисто-желтый, латунно-желтый; блеск металлический, черта зеленовато-черная; спайность несовершенная, твердость 6-6,5; плотность 4,9-5,2.

Сульфаты. Этот класс объединяет до 260 минералов, происхождение которых связано с водными растворами. Характеризуются небольшой твердостью, светлой окраской. Сравнительно хорошо растворяются в воде. Наибольшее распространение имеют гипс и ангидрит. При соприкосновении с водой ангидрит переходит в гипс, увеличиваясь в объеме до 33%.

Гипс CaSO₄×2H₂O - минерал пластичного, волокнистого или зернового строения. Гипс имеет белый цвет, иногда окрашен в различные цвета. Гипс обладает сравнительно легкой растворимостью в воде (в 75 раз больше, чем кальцит). Физические свойства гипса – цвет белый; блеск стеклянный, перламутровый; спайность весьма совершенная; твердость 2; плотность 2,3.

Ангидрит CaSO₄ - безводная разновидность гипса. Плотность 2,8...3,0 т/м³, твердость 3...3,5, цвет от красновато-белого до серого.

Физические свойства ангидрита – цвет белый; спайность по трем взаимно перпендикулярным направлениям; блеск – жирный, стеклянный; твердость 3-3,5; плотность 2,8-3,0.

Галоиды. Содержат около 100 минералов. Происхождение их связано в основном с водными растворами. Наибольшее распространение имеет галит. Может быть составной частью осадочных пород, легко растворяется в воде.

Физические свойства галита – большей частью бесцветный, белый; блеск стеклянный; легко растворим; спайность совершенная по кубу; твердость 2; плотность 2,1-2,2.

Минералы классов фосфатов, вольфраматов и самородных элементов встречаются гораздо реже, чем другие.

В результате производственной деятельности человеком создано более 150 искусственных минералов. В настоящее время промышленность получает два вида искусственных минералов: аналоги и техногенные. Аналоги – это повторение природных минералов (алмаз, корунд, горный хрусталь и др.). Техногенные – это вновь созданные с наперед заданными свойствами (например, алит – вяжущие свойства, муллит – огнеупорность и т.д.). Такие минералы входят в состав различных строительных материалов: в цемент – алит 3СаО×SiO₂ , белит 2СаО×SiO₂; в огнеупоры – муллит 3Al₂O₃×2SiO₂, периклаз MgO; абразивы – карборунд SiС.

Лекция № 3

 

Горные породы

 

Горные породы представляют собой природные минеральные агрегаты, которые «рождаются» в земной коре. Каждой породе свойственно известное постоянство химического и минерального состава, структуры, а иногда и условий залегания в земной коре.

Горные породы чаще всего полиминеральны, но в ряде случаев они состоят в основном из одного минерала (кварцит из кварца, мрамор из кальцита). Горные породы не имеют химических формул. Их состав оценивается валовым химическим анализом, например, химический состав базальта: SiO₂ – 49-52%, Al₂O₃ – 10-14%,×Fe₂O₃ 4-14%, СаО – 8-10% и т.д.

Сейчас в земной коре установлено около 1000 горных пород. По своему происхождению (генезису) ГП делятся на три типа: магматические, осадочные и метаморфические. Отправной точкой генезиса ГП является магма. Из магмы формируются магматические породы. Со временем эти породы видоизменяются. В том случае, если они остаются в глубине земной коры, под действием высоких температур и давлений из них образуются метаморфические породы. Если в результате тектонических процессов МП выходят на поверхность и под действием процесса выветривания разрушаются, то из них возникают осадочные породы. В течение миллионов лет ОП перекрываются новыми толщами осадочных отложений и попадают в условия метаморфических процессов. Из этих осадочных пород, в свою очередь, формируются тоже метаморфические породы.

В земной коре магматические и метаморфические породы занимают 95% от общей ее массы. Осадочные породы располагаются непосредственно на поверхности Земли, покрывая собой, в большинстве случаев, магматические и метаморфические породы, и занимают более 75% площади земной поверхности.

ГП являются для строителей основным поставщиком минеральных материалов, которые широко используются как в естественном, так и в переработанном виде.

Основной классификацией ГП является их разделение на три типа по генетическому признаку, т.е. на магматические, осадочные и метаморфические.

Другой классификацией ГП служит инженерно-геологическая классификация. Инженерная геология – это наука, изучающая геологические процессы верхних горизонтов земной коры и физико-механические свойства ГП в связи с инженерно-строительной деятельностью человека. Для решения задач ИГ ГП разделяют тоже по их свойствам, но с позиции их несущей способности,, т.е. способности выдерживать нагрузки от зданий и сооружений. ГП разделяют на следующие типы: 1) скальные (магматические, метаморфические, осадочные типа известняков, конгломератов, песчаников); 2) нескальные, куда входят осадочные обломочные породы, песчаные, пылевато-глинистые, биогенные, искусственные почвы.

 

Магматические горные породы

 

1. Происхождение, классификация, форма залегания

2. Химический и минеральный состав

3. Структура, текстура, трещиноватость

4. Общая характеристика МГП

 

Вопрос 1. Магматические (или изверженные) горными породами называют горные породы, которые образовались в результате кристаллизации магмы при ее остывании в недрах Земли или на ее поверхности. Магма (или лава) – это сложный силикатный расплав примерно следующего состава: кислород –46,7%, кремний – 27,7%, алюминий – 8,1%, железо-5,1%, кальций-3,6%, магний-2,1%, натрий-2,7%, калий-2,6%, другие элементы обычно не превышают в среднем 1,4%. Температура магмы различна, но обычно 100-1300 ⁰С.

История формирования магматических горных пород берет начало с образования магмы, которая затем последовательно изменялась под воздействием сложнейших взаимосвязанных физических, химических, физико-химических процессов. Процессы эти во многом завершаются при охлаждении или кристаллизации магмы с образованием агрегатов силикатных минералов. В зависимости от условий, в которых происходит охлаждение и застывание (потеря подвижности) магмы, магматические горные породы делят на интузивные (глубинные) и эффузивные (излившиеся).

Глубинные породы формируются в условиях высокого давления при больших температурах. Остывание магмы происходит медленно, равномерно, нередко при участии газов, паров воды, поэтому образовавшиеся ГП плотные, массивные, полнокристаллические (гранит, габбро).

Излившиеся породы формируются в условиях быстрого остывания магмы (лавы (магма, вышедшая на поверхность земли)) на поверхности земли, низкой температуры и небольшого давления, бурной отдачи газов и паров воды в атмосферу. Образовавшиеся ГП имеют большое количество пор и аморфного стекла, иногда с включением отдельных кристаллов (базальт, обсидиан, пемза, туф). Излившиеся породы разделяют на кайнотипные (новые) и палеотипные (древние, которые в силу своего более древнего возраста бывают значительно разрушены процессами выветривания.)

Классификация магматических пород, кроме деления их на глубинные и излившиеся, основана на содержании в них кремнезема в пересчете на SiO₂ (см. табл.).

Таблица

Классификация магматических горных пород по SiO₂

Состав пород	Породы
содержание оксида SiO2, %	минералы	глубинные	излившиеся (аналоги глубинных)
Кислые породы (75-65)	кварц, полевые шпаты, слюды	граниты	кварцевый порфир, липарит
Средние породы (65-52)	полевые < 12345Следующая ⇒ Поделиться с друзьями: Адаптации растений и животных к жизни в горах: Большое значение для жизни организмов в горах имеют степень расчленения, крутизна и экспозиционные различия склонов... Наброски и зарисовки растений, плодов, цветов: Освоить конструктивное построение структуры дерева через зарисовки отдельных деревьев, группы деревьев... Своеобразие русской архитектуры: Основной материал – дерево – быстрота постройки, но недолговечность и необходимость деления... Папиллярные узоры пальцев рук - маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни...  © cyberpedia.su 2017-2024 - Не является автором материалов. Исключительное право сохранено за автором текста. Если вы не хотите, чтобы данный материал был у нас на сайте, перейдите по ссылке: Нарушение авторских прав. Мы поможем в написании вашей работы! 0.014 с.