Наука изучающая горные породы
Горными породами— называют естественные устойчивые минеральные агрегаты, сформировавшиеся в результате геологических процессов. Выделено около 1000 горных пород, не имеющих химических формул, их состав оценивается валовым химическим анализом.
Горные породы характеризуются составом, строением, формой залегания.
Различают три пути образования горных пород:
1. непосредственно из так называемой магмы,
2. в результате сложного процесса образования различных твердых осадков и формирования их в горную породу,
3. путем коренного изменения (метаморфизации) каких-либо ранее образованных пород в результате мощных воздействий температуры и давлений, приводящих к метаморфизму.
В соответствии с указанными путями возникают горные породы: магматические г.п., осадочные и метаморфические.
Магматические г.п. Магматическими горными породами (или изверженными) горными породами называют г.п., которые образовались в результате кристаллизации магмы при ее остывании в недрах Земли или на ее поверхности.
Магма – сложный силикатный высокотемпературный расплав, насыщенный газами. Магма возникает в виде очагов в мантии при изменениях давления и температуры в результате протекающих там физико-химических процессов. При благоприятных условиях магма изливается на поверхность. Излившаяся на поверхность магма –лава. При охлаждении или кристаллизации магмы образовывались агрегаты силикатных минералов.
Для химической характеристики магматических пород используют в качестве показателя содержание окиси кремния SiO2. По этому показателю различают магматические породы:
— кислые (SiO2 от 75 до 65%)
— средние (SiO2 от 65 до 55%)
— основные (SiO2 от 55 до 45%)
— ультраосновные (SiO2 менее 45%).
В зависимости от содержания SiO2 меняется плотность и цвет магматических пород. Кислые породы имеют светлую окраску и наибольший удельный вес 2,7г/см3, основные имеют темную окраску и удельный вес 2,8-3,1 г/см3. С уменьшением SiO2 в глубинных породах возрастает плотность, понижается температура плавления, породы лучше поддаются полировке, окраска их становится темнее.
Скорость остывания магмы зависит от того на какой поверхности идет остывание, а также в сравнительно тонком слое или в глубине массива. По этим условиям различают:
— глубинные (интрузивные) породы, образующиеся когда магма внедряется в толщу пород, но не выходит на поверхность и остывает медленно. При этом проходят процессы кристаллизации и порода приобретает ярко выраженную кристаллическую структуру. Это – гранит , в котором различимы кристаллы отдельных минералов, входящих в его состав.
— излившиеся (эффузивные) породы, которые образуются при быстром остывании магмы, вылившейся на поверхность Земли. Процесс кристаллизации произойти не успевает, порода приобретает аморфную структуру, без видимых кристаллов. Это обсидиан (вулканическое стекло).
— жильные породы. Они образуются, когда магма внедряется в разлом земной коры. Свойства жильных пород могут иметь промежуточный характер.
Наибольшие размеры пород по мощности можно ожидать у глубинных массивов, наименьшие – у излившихся и ещё наименьшие размеры у жильных пород.
Минералы магматических пород – это силикаты, имеют ковалентную связь между основными структурными элементами, сто и создает высокую прочность магматических пород. Это и дуниты, периодиты, пироксениты. Важным является их изменение в результате выветривания, скорость и интенсивность которого в значительной мере определяется особенностями минералогического состава. Наиболее устойчив минерал к выветриванию – кварц. Слюды легко расслаиваются под влиянием колебаний температуры, особенно если происходит попеременное замораживание и оттаивание. Пирит легко окисляется и в присутствии воды образует серную кислоту, тем самым ускоряя процесс выветривания других минералов в горной породе.
На устойчивость магматических пород к выветриванию, на их прочностные и деформационные характеристики влияет не только минералогический состав, но и их структурно-текстурные особенности.
Магма, поднимающаяся к земной поверхности, быстро охлаждается, вязкость увеличивается за счет потери воды и газов. Это способствует формированию вулканического стекла с пелитовой или сферолитовой структурой. В поверхностных условиях потоки магмы затвердевают быстро, что не позволяет развиваться крупным кристаллам и вследствие этого эффузивы характеризуются афанитовой структурой. Горные породы с подобными структурами имеют высокую механическую прочность, но, как правило, излившиеся (эффузивыные) породы образуются на поверхности Земли при низких давлениях и температурах при быстром охлаждении и дегазации вещества магмы. В этом случае часть расплава застывает в виде аморфной массы, формируя породы неполнокристаллической структуры. Наличие газов в застывающей на поверхности магме определяет повышенную пористость эффузивных пород.
Вулканические породы обладают довольно пузырчатой текстурой, т.е. эффузивы усеяны газовыми пузырьками различной формы. Вулканические и вулканокластические породы образуются при вулканических извержениях как на континентах, так и в морских бассейнах. Магма быстро остывает и происходит процесс интенсивной потери растворенных газов и паров. Это ведет к образованию вулканических стекол, высокопористых пород типа пемзы, а также рыхлых вулканических пород.
Структура и текстура глубинных пород иная. Магматический расплав внутри Земли кристаллизуется постепенно под влиянием высокого давления в условиях медленного охлаждения и участия летучих веществ, растворенных паров и газов. Наиболее характерной особенностью интрузивных образований является полнокристаллическая относительная крупная и равномерно-зернистая структура. При инженерно-геологической оценке породы большое значение имеет размер зерен, мелкозернистые породы наиболее прочны и устойчивы к выветриванию, чем крупнозернистые.
Установлено, что минералы кристаллизуются в определенной последовательности, в зависимости от химического состава магмы (основная и кислая), температуры плавления и т.п.
Жильные породы образуются при кристаллизации магмы в трещинах горных пород, зачастую с интенсивным гидротермальным воздействием. В данных условиях кристаллизация происходит при сложной дифференциации вещества магмы, что приводит к формированию полнокристаллической структуры.
Все магматические горные породы имеют много общего между собой (общность физико-механических характеристик, жестких кристаллизационных связей между зернами минералов, возникающих в процессе формирования породы). Все магматические породы имеют высокую прочность, значительно превышающую нагрузки, нерастворимые в воде и практически водонепроницаемы в сохранном виде. Поэтому широко используются в качестве оснований фундаментов, более 30% высоких плотин на Земле построено на магматических породах.
Недостатки: 1) трещиноватость массива и выветрелость приводят к осложнениям при строительстве, 2) чрезвычайно широкий диапазон изменений показателей физико-механических и деформационных свойств горных пород в зависимости от их состава и структуры.
Структуры и текстуры магматических пород определяются генезисом. В составе магматических пород основное место занимают полевые шпаты, амфиболы, пироксены, кварц и слюды. В наиболее древних породах могут присутствовать вторичные минералы (карбонаты, глинистые), которые возникают в процессе выветривания из первичных минералов. Свойства пород зависят от особенностей их внутреннего строения и сложения в массиве.
Структура – особенности внутреннего строения породы, обусловленные формой, размерами, количественным соотношением ее составных частей – минералов. В магматических породах различают ряд структур: 1)зернистые, типичные для глубинных пород, 2) полукристаллические (совместное нахождение кристаллов и аморфного стекла), 3) стекловатые, типичные для излившихся пород.
Текстура (сложение) характеризует пространственное расположение частей породы в ее объеме «рисунок» породы. Для магматических пород характерны следующие текстуры: 1) массивная – равномерное, плотное расположение минералов, 2) полосчатая – чередование в породе участков различного минерального состава или различной структуры, 3) шлаковая – порода, содержащая видимые глазом пустоты.
Отдельности. При остывании магмы в связи с изменением объема в породах возникают тончайшие трещины, которые разбивают массив на отдельные участки (формы). В зависимости от расположения трещин возникают отдельности: столбчатая (базальт), глыбовая (гранит), шаровая (диабаз) и др.
Строительные свойства магматических пород высокие. Это объясняется их минеральным составом и жесткими кристаллизационными связями в структурах. Наибольшей прочностью отличаются мелко- и равномерно-зернистые структуры.
При оценке качества следует отдавать предпочтение массивной текстуре. Полосчатое сложение и отдельности облегчают разработку, но снижают качество породы.
Трещиноватость пород сокращает количество выпускаемой каменной продукции, обусловливает фильтрацию подземных вод.
В России м.п. широко распространены в горных районах Урал, Кавказ, а также в Карелии, Сибири и т.д.
Формы залегания м.п. Глубинные горные породы залегают в виде батолитов (рис.3) – огромных массивов площадью до нескольких сотен км,
1-жилы,2-покров,3-поток,4-вулканический конус, 5 батолит, 6-лакколит, 7 – толща осадочных пород
залегающих глубоко от земной поверхности; штоков – ответвлений от батолитов; лакколитов – грибообразных форм, образованных при внедрении магмы между слоями осадочных толщ; жил, возникающих при заполнении магмой трещин в земной коре.
Для излившихся горных пород характерными являются купола – сводообразные формы; лаковые покровы, образовавшиеся в результате растекания магмы на поверхности Земли; потоки – вытянутые формы, возникающие в результате излияния магмы из вулканов.
| Характеристика групп магматических пород – самостоятельно. |
Осадочные горные породы – образуются при разрушении любых пород и минералов и последующем механическом или химическом отложении продуктов этого разрушения, а также благодаря жизнедеятельности человека. Осадочные г.п. образуются в поверхности земли при низких температурах и невысоких давлениях в результате разрушения других пород, выпадение в осадок различных веществ из водной среды, накопления продуктов растительных и животных организмов, а также скопления обломочного материала выбрасываемого вулканами.
Среди осадочных пород выделяют:
— обломочные (пески, глинистые породы, крупнообломочные типа гравия, щебня и т.п.). Эти породы образуются из обломков других пород, причем процесс образования этих обломков м.б.достаточно сложным,
— органогенные (торф, известняк и др.), в образовании которых участвуют растительные и животные останки,
— химически осажденные (каменная соль, гипс и др.), образование которых связано с процессами растворения и выпадения химических осадков из растворов.
Осадочные породы составляют 5% земной коры, земная поверхность на 75% своей площади покрыта именно этими породами, строительство производится в основном на осадочных породах. Инженерно-геологические свойства осадочных пород находятся в зависимости от особенностей их состава, строения и состояния. Это формируется от ее генезиса. Т.О., инженерно-геологические свойства осадочных горных пород складываются в процессе литогенеза.
Под литогенезом понимают совокупность геологических процессов, определяющих современный состав, строение, состояние и свойства осадочных горных пород. Процессы литогенеза условно подразделяют на ряд стадий:
— гипергенез – выветривание – разрушение кристаллических и других пород, образование новых минералов, обломков пород, коллоидных и истинных растворов;
— седиментогенез – перенос и отложение материала – образование осадка;
— диаогенез – превышение осадка в осадочную породу;
— катагенез – начальные изменения осадочной породы;
— метагенез – глубокие изменения осадочной породы – образование метаморфизованных осадочных пород.
Особенности осадочных пород. Осадочные породы приобретают ряд особенностей, которые отличают их от магмат. и метаморф. 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 минералов, из которых формировался рыхлый осадок (кварц, полевые шпаты и др.), принимают участие минералы, возникающие в 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 ти 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 плотных химических осадков. Поры бывают мелкие, крупные и в виде каверн. Суглинки пористость 40-50%, пески -35-40% и т.д. В порах может располагаться вода, газ, органический материал.
Слоистость. Осадочные породы залегают в виде слоев, которые образуются в процессе периодического накопления осадков в водной и воздушной среде. В составе слоя м.б. микрослоистость, отражающая осадконакопление в различные времена года. Микрослоистость характерна для озерных и речных отложений.
слое м.б. также тонкие слои других пород их называют прослоями. Например, в слое песка м.б. тонкий прослой глины. При резком различии слоев по составу, например слой песка лежит на слое известняка и сравнительно большой занимаемой площади слои называют пластами. В таких случаях слои (пласты) ограничены с двух сторон четко выраженными поверхностями, которые называют плоскостями (поверхностями) напластования, в т.ч. верхнюю плоскость называют – кровлей, нижнюю – ложе, а расстояние между ними – мощностью слоя (пласта). Наибольшей мощностью обладают морские отложения. Комплекс слоев, объединенных сходством состава или возраста называют толщей. Например толщи лессовых пород, мощность которых достигает десятков метров.
Слои образуются в процессе накопления осадков в морях, озерах, ре и т.д. Это образование различной формы как по размеру так и по очертаниям по вертикали. Наиболее обычным является нормальный слой (рис.4), для которого характерна большая мощность и протяженность, параллельность кровли иподошве. Для континентальных отложений характерны линзы – слои, занимающие малые площади с выклиниванием мощности к краям слоя.
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 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 и скелетных частей, раковин организмов в виде окаменелостей.
Общая характеристика групп осадочных пород. Породы обломочного происхождения состоят из продуктов механического разрушения магматических и метаморфических пород, а также ранее образовавшихся осадочных пород (песчаников, известняков и др.).
Классификация обломочных осадочных пород
| Размер обломков, мм | Обломки | Обломочные породы | Фракции по ГОСТ 25100-95 | |||
| угловатые | окатанные | рыхлые | Сцементированные из частиц | |||
| угловатые | окатанные | |||||
| > 200 | глыбы | валуны | грубообломочные | брекчии | коншомераты | Валунная (каменистая) |
| 200-40 | щебень | Галька | Галечная (щебенистая) | |||
| 40-2 | дресва | гравий | Гравийная (древесная) | |||
| 2-0,05 | песчаные | песчаные | песчаники | Песчаная | ||
| 0,05-0,005 | пылеватые | пылеватые | алевролиты | Пылеватая | ||
| < 0,005 | глинистые | глинистые | аргиллиты | глинистая |
Глинистые частицы к обломкам отнесены условно, т.к. их происхождение связано с химическими процессами и меньше с механическим разрушением. Окатанность возникает в процессе переноса обломков водой.
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).
Рыхлые обломочные породы. Грубообломочные породыв их состав входят угловатые (глыбы, щебень, дресва) и окатанные (валуны, галька, гравий) обломки различных горных пород. Наибольшее количество приходится на горные районы, морские побережья, районы ледняковых отложений.
Песчаные породы– рыхлые накопления, состоящие из обломков минералов песчаного размера (2-0,05) . Таких частиц должно быть не менее 50%. По крупности частиц пески подразделяют на крупные (2-0,5мм), средние (0,5-0,25мм) мелкие (0,25-1мм) и пылеватые менее 0,1мм. В песках преобладают минералы, 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 частями супесей, суглинков и глин. Каждая из этих пород в зависимости от количественного взаимоотношения пылеватых и глинистых частиц имеет свои разновидности. Супесь бывает легкая крупная, легкая пылеватая, тяжелая пылеватая; суглинки- легкие, легкие пылеватые, тяжелые, тяжелые пылеватые; глины – песчанистые, жирные.
Глинистые породы составляют 50% общего объема осадочных пород и являются основаниями различных зданий и сооружений.
| Инженерно-геологическая характеристика осадочных пород без жестких связей и с жесткими связями – самостоятельно. |
Метаморфические г.п. возникают в результате преобразований ранее существующих осад. и магмат.пород, происходящих в земной коре под воздействием высоких температур, большого давления, газовых и водных растворов.
В наше время известно около 3т.минералов. В земной коре примерно 92% всей её массы составляют силикаты – 75% и оксиды-17%.
Различают три вида метаморфизма: динамометаморфизм, контактный метаморфизм и региональный метаморфизм.
Под динамометаморфизмом понимают изменение исходной породы под действием ориентированного давления. Контактный метаморфизм возникает в результате внедрения магмы в какую-нибудь породу в зону с высокой температурой от магмы. Региональный проявляется в том, сто на некоторых участках земная кора под действием собственного веса погружается а подстилающие породы и переходит в пластичное состояние под действием высокой температуры. Например на глубине 12-15км из глинистых пород формируются глинистые сланцы – метаморфическая порода.
Метаморфические породы по внешнему виду и условиям залегания занимают промежуточное положение между магматическими и осадочными породами. По минеральному составу они ближе к магматическим. Типичными минералами являются слюды, кварц, хлорит, тальк.
Метаморфическим породам присуща кристаллическая структура. Наиболее характерны следующие текстуры: сланцеватая – однообразное расположение (параллельно друг другу) пластинчатых минералов и полосчатая – обособление минеральных скоплений в форме полос, в виде слоев. Для пород типа кварцита характерны массивные текстуры.
Форма залегания. Метаморфические породы, возникшие из глубинных магматических пород, более сохраняют их первоначальную форму залегания. При метаморфизации осадочных пород слоистость сильно деформируется. При контактном метаморфизме образуются своеобразные оболочки метаморфических пород, окружающих магматические породы. Динамометаморфизм образует мощные зоны смятия, возникают сложные складки. При региональном метаморфизме измененные осадочные породы часто сохраняют первичную слоистость.
В процессе движения земной коры метаморфические породы могут быть выведены на дневную поверхность и служить объектом строительной деятельности человека. Они являются хорошим скальным основанием для зданий и сооружений. При строительстве подземных сооружений сланцеватость оказывает неблагоприятное действие, т.к. возможны обвалы. Породы чаще всего бывают трещиноватыми. Метаморфические породы имеют различную прочность и стойкость к выветриванию во времени. Например, кварциты в городских условиях начинают разрушаться через 200-400 лет, мраморы через 20-130 лет.
Классификация метаморфических пород основана на структурных признаках и минеральном составе. Среди них выделяют породы:
— массивные – (зернистые) – кварцит, мрамор,
— сланцеватые – гнейс и кристаллические сланцы различного минерального состава.
Физико-механические свойстваметаморфических горных пород близки к магматическим, что обусловлено наличием у них жестких, преимущественно кристаллизационных связей. Имеют прочность, значительно превышающие нагрузки, возникающие в строительной практике. Метаморфические породы практически водонепроницаемы за исключением карбонатно-доломитовых разностей не растворяются в воде. Деформируемость и фильтрация в массивах этих пород обусловлены трещиноватостью, а также в зонах, затронутых выветриванием. Метаморфические породы не являются полным аналогом магматических по свойствам, имеют отличия, которые диктуются генезисом.
К породам, которые подвергались воздействию глубокого регионального метаморфизма и имеют наибольшее распространение относятся: гнейсы, кварциты, кристаллические сланцы. Реже встречаются мраморы и мраморизованные известняки.
Физико-механические параметры гнейсов в зависимости их состава, структуры и текстуры меняются в значительных пределах. При выветривании наибольшей стойкостью обладают кварцевые гнейсы.
Наиболее прочными и устойчивыми метаморфическими породами являются кварциты. Они слагают массивы мощностью до 100м и более и залегают в виде прослоев различной мощности. Кварциты – это массивные породы различной зернистости, обладающие очень высокой прочностью, сопротивлением истиранию, твердостью.
Вопрос.
Минералы –это природные тела, которые имеют определенный химический состав, физические свойства и образуются в результате геохимических процессов, протекающих в земной коре. Генезис – происхождение минералов. Минералы изучает наука — минералогия.
В наше время известно около 3т.минералов. В земной коре примерно 92% всей её массы составляют силикаты – 75% и оксиды-17%.
Различают три вида метаморфизма: динамометаморфизм, контактный метаморфизм и региональный метаморфизм.
Под динамометаморфизмом понимают изменение исходной породы под действием ориентированного давления. Контактный метаморфизм возникает в результате внедрения магмы в какую-нибудь породу в зону с высокой температурой от магмы. Региональный проявляется в том, сто на некоторых участках земная кора под действием собственного веса погружается а подстилающие породы и переходит в пластичное состояние под действием высокой температуры. Например на глубине 12-15км из глинистых пород формируются глинистые сланцы – метаморфическая порода. Наличие у метаморфической породы слоистой текстуры является признаком того, что эта порода образовалась в результате метаморфизма осадочных пород.
Существует группа искусственных минералов. В результате производственной деятельности человеком создано более 150 искусственных минералов. Промышленность получает два вида искусственных минералов: аналоги и техногенные. Аналоги – это повторение природных минералов (алмаз, корунд, горный хрусталь и др.). Техногенные- это вновь созданные минералы с наперед заданными свойствами (алит- вяжущие свойства, муллит – огнеупорность и т.д.).
Такие минералы входят в состав различных строительных материалов: в цемент – алит, в огнеупорность – муллит и др.
Различают три основных процесса минералообразования: эндогенный, экзогенный и метаморфический.
Эндогенный процесс— связан с внутренними силами Земли и проявляется в ее недрах. Минералы формируются из магмы – силикатного огненно-жидкого плава- (кварц, силикаты). Они обычно плотные, с большой твердостью, стойкие к воде, кислотам и щелочам.
Экзогенный процесс свойственен поверхности земной коры. Минералы формируются на суше и в море. В первом случае их создание связано с процессом выветривания, т.е. разрушительным воздействием воды, кислорода, колебаний температуры на эндогенные минералы. Таким образом образуются глинистые минералы (гидрослюда, каолинит и др.), различные железистые соединения (сульфиды, оксиды и др.). Во втором случае минералы формируются в процессе выпадения химических осадков из водных растворов (галит, сильвин идр.).
Экзогенные минералы имеют низкую твердость, активно взаимодействуют с водой или растворяются в ней.
Метаморфический процесс . Под воздействием высоких температур и давлений, а также магматических газов и воды на некоторой глубине в земной коре происходит преобразование минералов, ранее образованных в экзогенных процессах. Минералы изменяют свое первоначальное состояние перекристализовываются, приобретают плотность, прочность. Это минералы-силикаты (роговая обманка, актинолит и др.).
Твердые минералы подразделяются на кристаллические и аморфные.
Кристаллическим присуще упорядоченное внутреннее строение, в котором атомы расположены в строго определенном порядке, создавая пространственную решетку. Поэтому внешне имеют вид правильных многогранников (кристаллов) – кварц. Со строением и характером пространственной решетки связаны свойства кристаллических тел. Минералы обладают однородностью строения, состава и свойств, вплоть до размеров ячейки, они обладают одинаковым кристаллическим строением и химическим составом. Свойства минералов могут быть одинаковыми по всем направлениям (изотропные свойства) или разными по различным направлениям (анизотропные свойства).
Аморфные минералы не имеют кристаллической структуры, по своим свойствам изотропны и для них характерна неправильная внешняя форма.
Химический состав. Каждый минерал характеризуется определенным химическим составом. В отдельных случаях можно встретить минералы сходного химического состава, но в этом случае они имеют различное внутреннее строение 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. Например: — AI4 Si4O10 (OH)8— каолинит. Химическая формула аморфных минералов отражает только количественное соотношение элементов.
В состав минералов экзогенного происхождения содержится вода. Молекулярная вода не участвует в строении пространственной решетки и ее удаление обезвоживает минерал. Например, после нагревания гипса CaSO4∙2H2O остается CaSO4 называемый ангидритом. Химическая связанная вода в (ОН) входит в пространственную решетку глинистых минералов и ее удаление приводит к разрушению минерала.
Физические свойства. Каждый минерал имеет определенные физические свойства. Главнейшими являются: внешняя форма, оптические характеристики (цвет, прозрачность, блеск), показатели твердости, спайность, излом, плотность.
Внешняя форма минералов разнообразна. Чаще всего приобретают неправильные очертания. Для многих минералов характерны формы землистого облика, агрегатных скоплений и др.
Цвет для многих минералов строго постоянен. Их условно разделяют на светлые (кварц, полевые шпаты, гипс, кальцит и др.) и темные (роговая обманка, авгит и др.).
Прозрачность – способность минералов пропускать свет. Выделяют три группы минералов: прозрачные (кварц, мусковит и др.), полупрозрачные (гипс, халцедон и др.) и непрозрачные (пирит, графит 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.
Твердость – способность минералов противостоять внешним механическим воздействиям. Каждому минералу присуща определенная твердость, которая ориентировочно оценивается по 10-бальной шкале твердости Мооса.
Твердость минералов
| Эталонные минералы | Твердость по шкале Мооса | Число истинной твердости, МПа | Визуальные признаки твердости | Твердость по группам минералов |
| Тальк | Чертится ногтем | Мягкие | ||
| Гипс | То же | Тоже | ||
| Кальцит | Чертится ногтем | Средней твердости | ||
| Флюорит | То же | То же | ||
| Апатит | То же | То же | ||
| Ортоклаз | Царапает стекло | Твердые | ||
| Кварц | То же | То же | ||
| Топаз | Режет стекло | Очень твердые | ||
| Корунд | То же | То же | ||
| Алмаз | 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 разрыва и раскалывания минералов. Различают излом по спайности (кальцит), раковистый (кварц), землистый (каолинит) и др.
Плотность минералов различна и колеблется в пределах от 0,6 до 19 г/см3. Наиболее распространенные значения находятся в пределах от 2,5 до 3 г/см3.
Минералы могут обладать рядом физических свойств: хрупкостью, плавкостью, магнитностью, вкусом, запахом и т.д. Для отдельных минералов эти свойства могут быть характерными признаками, галит (поваренная соль)-соленый, сера имеет запах при горении и т.д.
Классификация минералов. Основана на их химическом составе. Все минералы разделяют на 10 классов.
Классы минералов и типичные для них минералы
| Классы | Минералы | Классы | Минералы |
| Силикаты | Ортоклаз –K[AISi3O8] | Сульфаты | Гипс – CaSO4∙2H2O |
| Карбонаты | Кальцит — CaCO3 | Галоиды | Галит — NaCI |
| Оксиды | Кварц — SiO2 | Фосфаты | Апатит – Ca5(F,CI) PO4 3 |
| Гидроксиды | Опал – SiO2∙nH2O | Вольфраматы | Вольфрамит – (Fe, Mn)WO4 |
| Сульфиды | Пирит – FeS2 | Самородные элементы | Алмаз — C |
Силикаты – наиболее многочисленный класс, включающий до 800 минералов, являющейся основной составной частью большинства магматических и метаморфических пород. Среди силикатов выделяют группы минералов, имеющую общность в составе и строении – полевые шпаты, пироксены, амфиболы, слюды, тальк, хлориты и глинистые минералы. Все они по своему составу алюмосиликаты.
Оксиды и гидроксиды. Эти два класса объединяют около 200 минералов, на их долю приходится до 17% всей массы земной коры. Квар, опал и лимонит.
Карбонаты – к ним относится более 80 минералов: кальцит, магнезит, доломит. Происхождение экзогенное и связано с водными растворами. В контакте с водой снижают механическую прочность, хотя и слабо, но растворяются в воде, разрушаются в кислотах.
Сульфаты – этот класс объединяет до 260 минералов, происхождение которых связано с водными растворами. Характеризуются небольшой твердостью, светлой окраской, хорошо растворяются в воде. Наибольшее распространение имеют гипс и ангидрит. При соприкосновении с водой ангидрит переходит в гипс, увеличивая объем до 33%.
Сульфиды – насчитывают до 200 минералов. Типичный представитель пирит. Сульфиды в зоне выветривания разрушаются, поэтому их примесь снижает качество строительных материалов.
Галоиды содержат около 100 минералов. Происхождение связано с водными растворами. Наибольшее распространение имеет галит. Может быть составной частью осадочных пород, легко растворяется в воде.
Минералы классов фосфатов, волфраматов и самородных элементов встречаются реже, чем другие.
Радиоактивность минералов. Различные радиоактивные химические элементы (238U, 232Th,Ra и др) содержат 97 природных минералов. В минералах техногенных материалов могут присутствовать искусственно созданные радиоактивные химические элементы – технеций, прометий, нептуний и др. Минералы и материалы с содержанием радиоактивных элементов дают излучение, интенсивность которого зависит от типа и количества этих элементов. Радиоактивные минералы присутствуют в гранитах и глинах, а известняки и кварцевый песок низкую радиоактивность.
Источник: lektsia.com
РОЛЬ РУССКИХ И СОВЕТСКИХ УЧЕНЫХ В РАЗВИТИИ ПЕТРОГРАФИИ
В развитии петрографии СССР — да и вообще петрографической науки — большую роль сыграли работы многих русских и советских ученых.
А. П. Карпинский и А. А. Иностранцев первые в России применили поляризационный микроскоп для изучения горных пород. Работы Е. С. Федорова, давшие науке непревзойденный до сего времени и носящий его ими метод оптического исследования кристаллов, создали эпоху в развитии петрографии всего мира. Предложенный Е. С. Федоровым в 1892 ГОДУ «теодолитный метод», проводимый при помощи изобретенного им «столика Федорова», позволил с исчерпывающей точностью определять состав породообразующих минералов, особенно плагиоклазов. Этот же прибор используется для так называемого петротектонического анализа, позволяющего решать ряд тектонических вопросов на основании изучения пространственной ориентировки минералов, слагающих ту или иную породу, подвергшуюся тектоническому воздействию.
Работы Л. П. Заварицкого и II. Высоцкого дали образцы петрографического исследования областей, важных в практическом отношении.
Ф. Ю. Левинсон-Лессинг, Д. С. Белянкин и их школа положили прочную основу физико-химическому и генетическому направлению в петрографии.
Петрография осадочных пород в значительной степени развилась трудами русских и советских ученых.
Труды Л. Д. Архангельского, В. П. Батурина, Н. М. Страхова, М. С. Швецова, А. В. Казакова, Л. В. Пустовалова и др. подняли петрографию осадочных пород на ее современный уровень; замечательные успехи изучения осадочных пород самого разнообразного типа связаны с этими именами.
Солевыми осадками успешно занимался Н. С. Курнаков; его работы развиваются рядом его учеников.
По своему происхождению горные породы разделяются на три большие группы:
I. Магматические породы, образовавшиеся из расплавленной магмы путем застывания ее на некоторой глубине (породы глубинные или интрузивные), или же при излиянии ее на поверхность в виде лавы (породы излившиеся или эффузивные).
II. Породы осадочные, представляющие по большей части продукты разрушения ранее существовавших горных пород (изверженных, осадочных или метаморфических), отложившиеся в водных бассейнах или на поверхности суши; в эту же группу входят осадочные породы, образовавшиеся из продуктов жизнедеятельности организмов.
III. Породы метаморфические, представляющие глубоко преобразованные осадочные или магматические горные породы.
Как известно из геологии, первичными горными породами являются породы магматические, остальные две группы пород образовались из первичных путем их последующих разнообразных изменений, за исключением органогенных пород, связанных с живым веществом.
В земной коре магматические породы играют преобладающую роль.
Литологичеекий состав земной коры (до глубины 16 км) выражается следующими данными (%):
Магматические горные породы…………. 95
Глинистые сланцы (и глины)………….. 4
Песчаники (и пески)……………. 0,75
Известняки…………….. 0,25
Как видно из таблицы, на все осадочные и метаморфические породы приходится только 5%, причем среди них наиболее распространенными являются цементированные (уплотненные) осадки глинистые сланцы и песчаники, составляющие в сумме 1,76%. Все прочие осадочные породы (кроме известняков) имеют в количественном отношении совершенно второстепенное значение.
МАГМАТИЧЕСКИЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ
а) ОБЩИЕ СВОЙСТВА МАГМАТИЧЕСКИХ ПОРОД
Магматические породы образовались благодаря затвердеванию расплавленной силикатной массы — магмы, которая поднялась из глубины в более высокие горизонты земной коры.
Магма может излиться на поверхность земли в виде лавы и образовывать так называемые излившиеся (эффузивные) породы; они распространяются по поверхности земли в зависимости от текучести лавы. Магма всегда содержит раскаленные газы и пары перегретой воды, которые при этом вырываются в атмосферу и увлекают за собой как тонко распыленные частицы магмы в виде вулканического пепла и песка, так и более крупные куски застывшей магмы — лапилли и вулканические бомбы.
Все эти явления наблюдаются и в настоящее время при извержении вулканов. Рыхлые продукты извережения, накопляясь на склонах вулканов или оседая в водоемах, образуют слои вулканических туфов, обычно чередующиеся с потоками застывшей лавы.
В других случаях магма не достигает поверхности земли и застывает на некоторой глубине, под покровом часто довольно мощных слоев более древних пород, образуя породы глубинные. При этом остывание магматической массы идет медленно и равномерно, раскаленные газы и пары нередко принимают деятельное участие в процессах минералообразования и постепенно проникают в окружающие породы вызывая в них явления контактового метаморфизма.
Магма, поднимающаяся из глубин и изливающаяся на поверхность земли, по большей части содержит уже ранее образовавшиеся кристаллы, которые при остывании ее образуют вкрапленники, иногда оплавленные и корродированные (изъеденные), среди сравнительно быстро остывшей основной скрытокристаллической или стекловатой массы, благодаря чему получается порфировая (рис. 111), характерная только для пород излившихся, а иногда и офитовая (рис. 112)структура. В некоторых случаях излившиеся породы обладают стекловатой стуктурой, которая особенно типично выражена у обсидиана (рис. 113).
Если же охлаждение магмы происходит на некоторой глубине под покровом более древних пород при мало изменяющихся физических условиях, оно идет медленно и равномерно; происходит спокойная кристаллизация ряда минералов, выделяющихся в строгой последовательности, следуя законам физической химии. Все породообразующие минералы выделяются в виде более или менее крупных кристаллов или зерен.
Таким образом, возникает зернистая структура, характерная для пород глубинных (интрузивных), например для гранита (рис. 114).
По форме залегания (рис. 115) среди окружающих пород глубинные породы также отличаются от излившихся.
Иногда они образуют крупных размеров массы, в поперечном разрезе круглые или эллиптические, называемые штоками (рис. 116), которые как бы прорезывают соприкасающиеся с ними горные породы поперек их слоистости (так называемое несогласное
залегание). В других случаях магма, прорываясь через слоистые горные породы, приподнимает их и, заполняя получающиеся при этом полости, образует лакколиты (рис. 116, 117 и 118)— крупные массы, напоминающие по виду каравай хлеба. В СНГ лакколиты известны в Крыму (гора Аю-Даг близ Гурзуфа, мыс Плака и др.) и на Северном Кавказе в окрестностях Пятигорска (горы Бештау, Развалка, Железная и др.).
Источник: znaesh-kak.com
Горные породы — классификация и общий механизм образования
Камень — это всякая твердая нековкая составная часть земной коры в виде сплошной массы или отдельных кусков. Ювелир понимает под этим словом драгоценные камни, строитель — материалы, с помощью которых мостят улицы и возводят дома. Геологи же, занимающиеся наукой о Земле, называют объекты своего изучения не «камнями», а горными породами и минералами.
Горная порода, или как чаще говорят, порода, представляет собой сочетание (агрегат) минералов естественного (природного) происхождения. Обычно породы слагают более или менее значительные площади. Песок и суглинок тоже причисляют к горным (точнее — рыхлым осадочным) породам. Наука, изучающая горные породы, носит название петрографии.
Минерал — это внутренне однородный твердый компонент земной коры, образовавшийся естественным путем. С началом эры космических полетов минералами стали называть и твердые составные части горных пород Луны и других планет Солнечной системы. Большинство минералов выделяется в виде кристаллов, имеющих определенные формы. Слово «минерал» происходит от латинского слова «мина» — шахта. Наука о минералах именуется минералогией.
Кристалл — это однородное по составу тело строго геометрической формы с закономерным внутренним строением — кристаллической решеткой. Структура кристаллической решетки определяет разнообразие физических свойств кристаллов, а тем самым и минералов. Раздел науки, изучающий кристаллы, называется кристаллографией.
Драгоценный камень — понятие, не имеющее единого определения. Чаще всего к драгоценным камням относят красивые и редкие минералы (в некоторых случаях и минеральные агрегаты), обладающие достаточно высокой твердостью, а потому весьма стойкие к истиранию, иными словами, почти не подвластные времени. Но разумеется, представление о красоте камня с течением времени менялось, вот почему отдельные камни, ранее слывшие драгоценными, давно забыты, тогда как другие минералы ныне, наоборот, возведены в ранг драгоценных камней.
Понятие полудрагоценный камень, как прежде называли не очень твердые ювелирные и поделочные камни, еще менее четко и на сегодняшний день не вполне правомочно. Ювелирно-поделочный камень — собирательное понятие, охватывающее все камни, используемые в качестве украшений (в том числе и в декоративных целях). В более узком смысле слова поделочными камнями называют относительно недорогие самоцветы, которые тем самым как бы противопоставляются «настоящим» драгоценным камням. Наука о драгоценных камнях носит название геммологии.
Руда в общем случае представляет собой минеральную смесь с промышленным содержанием металлов. В последнее время рудами иногда называют и некоторые виды неметаллического минерального сырья, обладающие полезными свойствами. Поскольку практическая ценность руды (иначе говоря, кондиционность, пригодность для разработки) зависит от факторов, которые с течением времени могут изменяться (технические возможности добычи и обогащения, экономическая конъюнктура, транспортные условия), понятие «руда» применимо не только к определенным минералам или горным породам.
В геологии горными породами называются минеральные смеси природного происхождения. Из почти 3000 минералов лишь немногие принимают существенное участие в составе горных пород. Ниже приведено процентное содержание минералов в земной коре до глубины 16 км (по Г. Шуману. 1957):
Полевые шпаты и фельдшпатоиды — 60%
Пироксены и амфиболы — 16%
Кварц — 12%
Слюды — 4%
Прочие минералы — 8%
В основу группирования горных пород могут быть положены самые разные принципы. В петрографии горные породы подразделяются преимущественно по способу их образования — генезису. Такого подразделения мы и будем придерживаться в дальнейшем.
По способу образования различают три главные группы пород: магматические, или мигматиты, осадочные и метаморфические, или метаморфиты. Как они связаны между собой в природном геологическом цикле, видно из приведенного здесь рисунка.
Минералы могут образовываться по-разному. Такие широко известные минералы как полевой шпат, кварц и слюда, кристаллизуются из огненножидких расплавов и газов преимущественно в недрах Земли, реже — из лав, излившихся на земную поверхность. Некоторые минералы образуются из водных растворов или возникают при участии организмов, некоторые — путем перекристаллизации уже существующих минералов под воздействием больших давлений и высоких температур (метаморфизм).
Многие минералы часто встречаются в определенных сообществах, или ассоциациях, так называемых парагенезисах (например, полевой шпат и кварц), но бывают и исключающие друг друга минералы (например, полевой шпат и каменная соль, которые никогда не встречаются вместе).
Большинство минералов имеет определенный химический состав. Входящие в них примеси хотя и способны влиять на физические свойства минералов или даже изменять их, но в химических формулах обычно не упоминаются. При определении минералов весьма существенную роль играет форма их кристаллов. Типичные формы кристаллов объединены в семь кристаллографических систем, называемых сингониями. Различие между ними проводится по кристаллографическим осям и углам, под которыми эти оси пересекаются.
Магматические породы, или магматиты, возникают путем затвердевания магматического расплава на поверхности или в глубинах земной коры. Их называют также изверженными или массивными породами и подразделяют на глубинные — интрузивные и поверхностные — эффузивные, или эффузивы.
Осадочные породы образуются путем отложения материала разрушенных или растворенных горных пород любого генезиса как на суше, так и в море и залегают слоями. В рыхлом, не сцементированном состоянии такие отложения называют осадками.
Метаморфические породы, или метаморфиты, формируются путем преобразования горных пород в глубинах земной коры под воздействием высоких температур и больших давлений. Иногда метаморфические породы называют метаморфическими или кристаллическими сланцами.
Прежде магматиты и метаморфиты считали древнейшими образованиями земной коры и называли первозданной породой. Сегодня известно, что эти породы могут появляться в любую геологическую эпоху, поэтому понятия «первозданная порода» следует избегать.
В строительном деле специалистов интересуют не столько происхождение и состав горных пород, сколько их твердость. Именно твердостью пород определяется их долговечность, выбор инструмента и машин для их добычи и обработки. К числу твердых пород относят все изверженные породы, кроме базальтовых лав, а также гнейсы и амфиболиты, кварциты и граувакки; к числу мягких пород — главным образом песчаники, известняки, туфы и базальтовые лавы. Кроме того, в строительном деле различают крепкие и рыхлые породы, Их разграничивают по очевидному проявлению прочности, или связности — сцеплению между зернами минералов.
В отличие от искусственного строительного камня применяемые в строительном деле горные породы называют природным камнем. Штучным камнем строители называют природный камень, которому путем надлежащей обработки придана определенная форма (тесаный камень) — но нужно помнить, что в украинском языке «штучный камень» дословно переводится именно как «искусственный камень». Ниже приведено процентное соотношение различных генетических групп горных пород в составе верхней части земной коры до глубины 16 км (по Г. Шуману, 1957):
Магматические породы — 95%
Осадочные породы — 1%
Метаморфические породы — 4%
В настоящее время известно более 3000 минералов, и ежегодно ученые открывают все новые и новые их виды. Но лишь около 100 минералов имеют сравнительно большое практическое значение: одни — в силу их широкой распространенности, другие — благодаря особым, ценным для человека свойствам. И только четверть из них играют существенную роль в составе горных пород благодаря своей широкой распространенности в природе.
Коллекционирование минералов является одним из наиболее популярных увлечений. В разнообразии их форм, а быть может, в их колдовском блеске таится очарование, делающее мир минералов столь близким нашему сердцу. Но какими заурядными кажутся в сравнении с ними горные породы! Мало кто даст себе труд нагнуться за куском известняка, гнейса или гранита — и совершенно зря. Именно горные породы формируют облик Земли. Тысячелетиями они влияли на облик поселений и городов, их архитектурных ансамблей, служили материалом для строительства, мощения городских улиц и площадей. А можно ли восхищаться красотой природы, не ощущая, какая роль принадлежит в ней горным породам?
Для нас — прирожденных горожан — именно горы обладают наиболее притягательной и манящей силой. Сегодня одним из популярных элементов городского дизайна является оформление интерьера, клумб, скверов или парков «дикими камнями» — декоративными горными породами. «Альпийские горки» с растениями на склонах и в садах с «дикими камнями» — остромодное направление современного ландшафтного дизайна. В Японии же существует целое искусство оформления так называемого «сухого сада» глыбами горных пород и камней, сформировавшееся и отточенное в XVIII-XIX веках.
Если минералы дарят нашему глазу радость и отдохновение, то горные породы демонстрируют свою мощь. Тому, кто умеет их правильно «читать», горные породы могут рассказать об истории и изменениях земной коры, о горах, вздымавшихся в глубокой древности, о наступлении морей или пустынь. Тысячелетиями камень вместе с деревом и костью служил важнейшим материалом для изготовления утвари и оружия. Но даже и сегодня, в век металлов и синтетики, он играет куда большую роль в нашей жизни, чем мы себе обычно представляем: непрерывно возрастает значение драгоценных и поделочных камней в технике и промышленности. Как ни парадоксально, но в строительстве распространение стальных каркасных конструкций сделало природный камень еще более желанным материалом для облицовки зданий, а большинство современных строительных материалов производят из добываемых горных пород.
- Горные породы — классификация и общий механизм образования
- Горстово-сбросовые структуры — горные породы и минералы на литосферных трещинах и поддвигах
- Магматические породы — плутониты и жильные породы, образовавшиеся в результате прорыва магмы
- Магматические породы — вулканические (эффузивные) породы, образовавшиеся в ходе извержения
- Осадочные породы, образованные путем механических разрушений пород (продукт разрушения)
- Осадочные породы, новообразованные породы, возникшие при участии химического выветривания
- Метаморфические породы (метаморфиты) — гнейсы, сланцы, мраморы, известняки, кимберлитовые тектиты
- Метеориты и руды, рудные минералы и добыча полезных ископаемых
- Мировая добыча драгоценных камней и самоцветов, месторождения
Источник: jewellery.org.ua