Какие физические свойства горных пород

Горная порода образуется в определенных геологических условиях, что отражается на форме ее залегания и внешних физических признаках: цвете, минералогическим составе, строении, физическом состоянии и т. д.

Окраска породы определяется цветом породообразующих минералов или различными примесями. Выделяют светлые породы (белые, светло-серые и др.) и темно-окрашенные (черные, серые и др.).

Минералогический состав пород являются одним из факторов, определяющих свойства пород. Породы бывают мономинеральными (например, известняк состоит из одного минерала – кальцита) и полиминеральными (гранит – из кварца, полевых шпатов, слюды). Тип горной породы определяют главные породообразующие минералы, которые входят в качестве постоянных, существенных компонентов в состав породы, каждый их которых составляет более 5%, а сумме около 95%. Второстепенные минералы слагают около 5% породы. Среди минералов выделяются первичные, образовавшиеся в процессе формирования горной породы, и вторичные – в результате замещения первичных минералов (например, замещение калиевого полевого шпата – каолинитом). Количество вторичных минералов служит показателем степени выветренности пород, что влияет на изменение ее физико-механических свойств.

Под строением горной породы понимается структура и текстура.

Структура (с лат. структура – строение) – характеризует внутреннее строение породы и определяется размером, формой и количественным соотношением отдельных минеральных частиц (зерен) или их агрегатов.

Текстура (от лат. текстура – ткань, сплетение) – отражает внешний облик породы, обусловлена пространственным размещением минеральных частиц или агрегатов в породе и монолитностью – степенью сплошности породы.

Строение породы отражает условия ее формирования, определяет ее свойства и особенности и влияет прежде всего на неоднородность ее, которая обуславливает анизотропность водопроницаемости, сжимаемости, сопротивлению сдвигу, обуславливающих поведение пород при возведении сооружений и устойчивости их.

По физическому состоянию выделяют рыхлые породы (например, песок) и плотные (гранит, известняк).

Горные породы – это сложные природные агрегаты, состав, строение и состояние которых существенно влияют на их физико-механические свойства.

Основными факторами являются:

– минералогический состав;

– зернистость (изменения в размерах зерен, преобладающие фракции в мм);

– форма зерен (изометрическая, игольчатая, таблитчатая и т. д.);

– тип цемента (базальный, контактовый и др.);

– примеси, включения, конкреции;

– текстура;

– пористость;

– трещиноватость (особенно в массиве).

По происхождению (генезису) горные породы делятся на магматические, осадочные и метаморфические, что отражается на их внешних признаках.

Магматические горные породы

Образуются в результате остывания и кристаллизации природного огненно-жидкого расплава (магмы, от греч. магма – тесто) как под Землей, так и на ее поверхности. В первом случае, затвердевание происходит медленно, вся магма успевает закристаллизоваться и образуются глубинные (интрузивные, от лат. интрузио – внедрение) горные породы, в во втором – при быстром поднятии магмы и резком падении температуры – излившиеся, поверхностные (эффузивные, от греч. эффузио – излияние) породы. Различные условия затвердевания магмы обусловили неодинаковые структурно-текстурные особенности пород (рис. 1).

а                    б                            в                          г

Рис. 1. Структуры магматических пород:

а – неравномерно-зернистая; б – равномерно-зернистая; в – порфировая;

г – порфировидная

Для интрузивных пород характерны полнокристаллические (зерна ясно различимы простым глазом), равномерно или неравномерно зернистые структуры и массивная (однородная, беспорядочная) текстура (рис. 2).

Рис. 2. Текстуры магматических пород:

а – массивная; б – миндалекаменная; в– полосчатая;

г – пузыристая; д – пятнистая; е – течения

Эффузивные породы отличаются стекловатым (аморфным), скрытокристаллическим (кристаллы неразличимы глазом), порфировым (крупные ограненные кристаллы среди плотной нераскристаллизованной основной массы) строением, пористой, миндалекаменной (пустотки – миндалины в породе заполнены вторичным минералом), флюидальной (связанной с течением магмы) текстурами.

Среди излившихся пород по степени их свежести выделяют кайнотипные (от греч. кайнос – новый), т. е. образовавшиеся совсем недавно – неизмененные, свежие породы и палеотипные (от греч. палеос – древний), более древние – в различной степени разрушенные и содержащие вторичные минералы.

При извержении происходят взрывы газов и перегретых паров воды и на поверхность земли выбрасываются раздробленные или распыленные твердые вулканические продукты (пепел, песок, вулканические бомбы). Этот материал в дальнейшем подвергается цементации и образуются пирокластические (вулканогенные – обломочные) породы (например, вулканический туф).

Минералогический состав магматических пород весьма разнообразен: наиболее распространены полевые шпаты, кварц, роговая обманка, авгит, слюды и меньше – оливин, нефелин, магнетит, апатит и другие минералы. Типичными процессами вторичного минералообразования являются серицитизация (серицит – тонкочешуйчатая светлая слюда), каолинизация, хлоритизация и др.

Общепринятой является классификация магматических пород по химическому и минералогическому составу. По содержанию SiO2 породы условно разделены на 4 группы: кислые (SiO2 более 65%), средние (SiO2 от 65 до 52%), основные (SiO2 от 52 до 40%) и ультраосновные (SiO2 менее 40%). Здесь в одну группу объединяют породы различные по происхождению, но близкие по вещественному составу. Дальнейшее разделение пород внутри группы производится по минералогическому составу, причем особая роль отводится полевым шпатам, меньше кварцу

Практическое значение классификации выражается в том, что с уменьшением содержания SiO2 окраска пород становится темнее, увеличивается их плотность, понижается температура плавления, породы лучше поддаются полировке.

Степень устойчивости магматических пород по отношению к выветриванию в значительной степени зависит от минералогического состава.

Кварц является одним из наиболее устойчивых минералов в коре выветривания. Породы с большим и равномерным содержанием кварца и мелкокристаллической структурой характеризуются весьма большой стойкостью против выветривания.

Слюды способствуют физическому выветриванию пород. Под влиянием колебаний температуры и периодического замораживания и оттаивания породы, содержащие большое количество слюд, теряют связи и расслаиваются.

Полевые шпаты устойчивы в свежем состоянии. Помутневшие и трещиноватые кристаллы быстро разрушаются. Причем наиболее устойчивы против выветривания ортоклаз и альбит, наименее – основные плагиоклазы.

Роговая обманка и авгит сравнительно устойчивы против выветривания даже при действии кислот, которые образуются при разложении пирита.

Оливиннаименее устойчивый минерал, быстро подвергающийся разложению под влиянием колебания температуры и действия воды, особенно содержащей серную кислоту

Следует отметить также пирит, который легко окисляется, образуя с водой серную кислоту, которая ускоряет процесс разложения других минералов.

Любые вторичные изменения горных пород влияют на их физико-механические параметры. Так, хлоритизация (т. е. замещение некоторых минералов хлоритом) магматических пород вызывает снижение их плотности, прочности, модуля упругости.

Наличие трещин в магматических породах нарушает монолитность массива, расчленяет его на различные отдельности, определяет пути движения подземных вод, наиболее вероятные подвижки отдельных блоков породы в откосах. Трещины влияют на прочность и устойчивость пород, их водопроницаемость, степень обводненности и т. д.

В целом, в районах преобразования магматических пород под влиянием выветривания, различных деформаций при тектонических движениях, антропогенных воздействиях и т. д. наблюдается значительное ухудшение их инженерно-строительной характеристики: увеличение их пористости и трещиноватости, уменьшение плотности, прочности, повышение водопроницаемости и т. д.

Осадочные горные породы

Образуются в поверхностной части земной коры из продуктов разрушения других горных пород (магматических, осадочных или метаморфических), а также в результате жизнедеятельности организмов и растений, химического выпадения осадка из водных растворов. Рыхлые осадки постепенно уплотняются, цементируются и превращаются в горные породы.

Для осадочных пород в отличие от магматических и метаморфических характерны условия залегания преимущественно в вид слоев и линз, различные виды слоистых текстур (рис. 3), остатки флоры и фауны, пористость, более бедный минералогический состав.

Рис. 3. Типы слоистости осадочных пород:

а – горизонтальная; б – волнистая; в – косая

Наибольшее значение имеют минералы устойчивые в зоне осадконакопления или образующиеся при экзогенных процессах: глинистые (каолинит, монтмориллонит и др.), кварц, слюды, халцедон, опал, кальцит, доломит, гипс, ангидрит, лимонит и др.

Большее значение в осадочных породах имеет пористость, которая обуславливает способность к уплотнению породы и в порах которой могут находиться вода, газ, нефть. Величина пористости зависит как от гранулометрического состава и характера упаковки зерен, так и от выщелачивания отдельных участков и составных частиц породы циркулирующими растворами.

По степени пористости различают породы плотные, мелкопористые (мелкие поры можно различать на глаз), крупнопористые (величина пор 0,5-2,5 мм), кавернозные (пустоты более 2,5 мм образовались в результате выщелачивания отдельных участков породы или органических остатков).

По происхождению выделяют обломочные, химические (хемогенные), органогенные (биогенные) и смешанные породы. Химические осадки часто выпадают при прямом или косвенным участии организмов. Такие породы называются биохимическими.

Обломочные породы

Сложены обломками минеральных зерен и различных пород. Классификация обломочных горных пород основана на размере, форме обломков (частиц) и характере их сцементированности (табл. 1).

Таблица 1