Министерство образования и науки Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный

архитектурно-строительный университет

Кафедра геотехники

Методические указания для выполнения лабораторных работ

по курсу «Инженерная геология» для студентов всех

специальностей и форм обучения

Санкт-Петербург 2004

УДК 624.131.1

Горные породы и породообразующие минералы: Методические указания для выполнения лабораторных работ по курсу «Инженерная геология» для студентов всех специальностей и форм обучения / СПб. гос. архит.-строит, ун-т; Сост.: Н. И. Зеленкова, В. А. Челнокова. СПб., 2004. 28 с.

Содержатся краткие сведения по разделу «Горные породы и породообразую-щие минералы», необходимые для оценки массива горных пород (грунтов). Сформу-лированы задания, указана форма отчетности.

Табл. 11.

Рецензент канд. геол.-минер. наук Н. Г. Корвет

0

ПРЕДИСЛОВИЕ

В строительстве горные породы служат:

• основанием¹ и/или средой зданий и сооружений;

• материалом для возведения земляных сооружений (дамб, плотин и т. п.);

• объектом рекультивации территорий, нарушенных в ходе горных работ, создания сванок и т. п.

Горные породы, попавшие в сферу строительного воздействия, называют грунтами.

Для того, чтобы обеспечить устойчивость сооружений, надо пра-вильно рассчитать допустимые нагрузки на основания, учесть воз-можные изменения горных породгрунтов как в процессе ведения строительных работ, так и в период эксплуатации возведенного объекта. Решение этой задачи возможно, если полностью учитываются особенности геологических условий – геологической среды.

Горные породы являются одним из важнейших компонентов гео-логической среды. Изучением горных пород занимаются как науки гео-логического цикла, так и технические науки, такие как петрография (магматические и метаморфические породы), литология (осадочные породы), грунтоведение (физико-механические свойства всех пород-грунтов), механика грунтов, механика скальных массивов. Каждая из этих наук имеет свои задачи и методы исследования горных пород и соответственно получает только их частные характеристики. Эти частные характеристики обобщаются в инженерной геологии. Следовательно, строитель, использующий данные инженерно-геологических изысканий, должен владеть геологической терминологией, понимать взаимосвязь и взаимовлияние геологической среды и сооружений и иметь представление о многообразии и разнородности пород-грунтов.

На лабораторных занятиях по инженерной геологии (раздел «Горные породы») студент должен:

• получить представление об основных признаках минералов и горных пород;

¹ Основанием называют объем грунта, на который передается давление от со-оружений.

1

• приобрести навыки в распознавании основных видов горных пород по визуальным признакам;

• получить представление о способах оценки состояния скальных грунтов (выветрелость, трещиноватость);

• ознакомиться с классификациями горных пород и грунтов.

1. Общие сведения о горных породах

Горная порода – это плотный или рыхлый агрегат минералов, обломков других пород или иного вещества, возникший в результате геологических процессов и залегающий в земной коре в виде самостоятельного геологического тела.

1. Генезис (происхождение) горных пород – это совокупность всех процессов, ведущих к возникновению пород, условий, в которых протекают эти процессы, и исходного вещества. По генезису выделяют три основные группы пород: магматические, осадочные, метаморфические. Дальнейшее их подразделение (классификация) рассматривается в пределах каждой группы с учетом особенностей условий и способа образования.

2. Основные признаки горных пород – это структура, структурные связи, текстура и состав. Основываясь на их особенностях, связанных с генезисом, можно составить предварительную оценку прочности, деформируемости, водопроницаемости, водостойкости и других свойств пород, которые необходимо учитывать при проектировании оснований и фундаментов.

2.1. Структура – это особенности строения, которые определяются размером, формой и соотношением породообразующих элементов. (Породообразующими, структурными, элементами могут быть: зерна минералов, обломки пород, фрагменты органических остатков - детрит и т.п.).

По абсолютному размеру элементов породы выделяют структуры крупно-, средне- и мелкозернистые (различимы визуально), а также алевритовые и пелитовые (неразличимы с помощью лупы и даже микроскопа). По относительному размеру структуры могут быть равномерно- и неравномернозернистыми.

По форме породообразующих элементов можно выделить структуры кристаллически-зернистые (гранит, мрамор, гипс и др.),

2

обломочно-зернистые (гравелит, песчаник и др.), чешуйчатые (слюдяные, тальковые и т. п. сланцы), детритовые (ракушечкиковые известняки, торф - сложены обломками раковин или обрывками растений).

2.2. Структурные связи – это связи между породообразующими элементами или между элементами и цементирующим веществом.

Прочность структурных связей может быть больше, чем проч-ность самих, элементов, в этом случае связи являются жесткими и разрушаются необратимо. К жестким относятся следующие связи: кристаллизационные (магматические, метаморфические и осадочные химические породы), цементационные (осадочные сцементирован-ные породы) и конденсационные (глинистые породы высокой степе-ни литификации, т. е. сильноуплотненные); возможно сочетание пе-речисленных типов.

Если прочность структурных связей ниже прочности самих эле-ментов породы, то связь не является жесткой. Она возникает за счет молекулярных и йонно-электростатических сил притяжения. Такие силы имеют место в дисперсных грунтах (пылевато-глинистых и орга-нических), а связи называются коагуляционными или тиксотропно-коагуляционными. Этот тип связи способен к самопроизвольному вос-становлению после разрушения.

2.3. Текстура – это такие особенности строения пород, которые определяются расположением породообразующих элементов в простран-стве (т. е. их ориентацией) и характером заполнения пространства.

Если элементы породы расположены упорядочение, ориентиро-ванно, текстуры называют слоистыми, сланцеватыми, полосчатыми и т. п. При отсутствии упорядоченного расположения текстура называется массивной (беспорядочной).

По особенностям заполнения объема породы различают текстуры пористые и компактные; при этом пористые могут быть макро-пористыми (поры различимы визуально) и микропористыми; при от-сутствии пор текстура называется компактной, или плотной.

2.4. Вещественный состав – это собирательное понятие, вклю-чающее в себя такие частные понятия, как минеральный состав (пе-речень основных породообразующих минералов), гранулометричес-кий состав (размер основных частиц (фракций) и их содержание в дисперсных грунтах); литологический состав (сведения о грануло-

3

метрическом, минеральном составе и примесях – для осадочных пород), петрографический состав (перечень основных минералов в магматических и метаморфических породах); иногда в специальных случаях используется понятие химический состав.

Подробно структурно-текстурные признаки и состав пород рас-сматриваются в пределах каждой из выделенных групп.

3. Классификации горных пород. Существуют общие и специиальные классификации, но все они базируются на генетической классификации пород. Горные породы, изучаемые как грунты при проведении инженерно-геологических изысканий, классифицируются по ГОСТ 25100-96. Грунты. Согласно этой общей классификации все грунты разделяются на 4 класса: I – скальные и полускалъные с жесткими структурными связями; II – дисперсные, без жестких структурных связей; Ш – мерзлые природные, с криогенными связями; IV – техногенные, с различными типами связи.

Дальнейшее подразделение основано на генезисе, структурно-текстурных признаках и особенностях состава грунтов.

Специальные классификации основываются на 1–2 признаках пород-грунтов и предназначены для конкретной области строитель-ства. Например, классификация пород по крепости – шкала Прото-дьяконова (используется в горном деле, при проходке тоннелей, шахт и т. п.); классификация грунтов по способу и трудности разработки (используется для оценки стоимости 1 м³ земляных работ при уст-ройстве котлованов, траншей и т. п.).

4. Методы определения горных пород. Для изучения горных пород применяют полевые и лабораторные методы. Полевые методы основаны на визуальном (с применением 2,5-кратной лупы) описа-нии внешних признаков: структуры, текстуры, состава, окраски, на-личия примесей и включений, твердости, состояния (для скальных –степень выветрелости и трещиноватости, для глинистых – влажность), характера взаимодействия с водой (размокает, не размокает) и с соляной кислотой (вскипает, не вскипает) и др.

Более углубленное изучение производится в лабораторных усло-виях с применением комплекса специальных современных методов (оптического и электронного микроскопа, рентгена, химического и спектрального анализа и т. п.)

4

2. ПОРОДООБРАЗУЮЩИЕ МИНЕРАЛЫ

Минералы — это природные химические соединения (редко элементы) относительно однородные по химическому составу и физическим свойствам. Большая часть минералов имеет кристаллическое строение.

Известно более 2500 минералов, но лишь 30-50 из них часто встречаются и входят в состав наиболее распространенных пород. Такие минералы называют породообразующими.

1. Классификация минералов. Все минералы делят на 10 классов на основании их химического состава и внутреннего кристаллического строения – это кристаллохимическая классификация. Породообразующие же минералы относятся только к наиболее распространенным классам: силикаты (75 % массы земной коры), оксиды и гидрооксиды (17 % массы земной коры), карбонаты (1,7 % массы земной коры), сульфаты и галоиды (0,5 % массы земной коры).

Силикаты (соли различных кремниевых кислот) имеют сложный химический состав и разнообразные кристаллические решетки.¹ В ряде случаев в состав решетки силикатов входит вода в виде гидро-ксильного иона или молекулы. По этому признаку среди силикатов выделяют безводные (первичные) и водные (вторичные).

К числу безводных силикатов относятся: полевые шпаты, роговая обманка, авгит, оливин, нефелин. Эти минералы в различных сочетаниях входят в состав всех магматических (гранит, габбро, базальт и т.п.) и части метаморфических пород (гнейсы, кристаллические сланцы, амфиболит и т. п.). К водным силикатам относятся: серпентин, тальк, хлорит, слюды, а также глинистые минералы (каолинит, гидрослюда, монтмориллонит). Перечисленные минералы входят в состав метаморфических (серпентинит, зеленые сланцы, слюдяные сланцы) и осадочных пород (глины, аргиллиты и т.п.).

Общим свойством всех силикатов является их нерастворимость в воде, но их твердость различна: у первичных, безводных силикатов, повышенная — 5,5–6, у вторичных, водных, пониженная 1–4,5 по шкале твердости Мооса (табл. 1).

¹ Изучением состава и структуры силикатов занимаются специальные разделы науки, такие как химия силикатов, кристаллохимия и др.

5

Таблица 1

Твердость минералов

Относительная твер-дость (по шкале Мооса)	Эталонный минерал	Приближенная твердость	Признак
1	Тальк	До 2	Мягкие, царапаются ногтем
2	Гипс
З	Кальцит	От 3 до 5	Средние, не оставляют царапины на стекле и не царапаются ногтем
4	Флюорит
5	Апатит
6	Ортоклаз	Больше 5	Твердые, не царапаются стальным ножом
7	Кварц	Больше 7	Режут стекло
8	Топаз
9	Корунд
10	Алмаз

Оксиды и гидроксиды (кислородные и гидроксильные соединения). Среди них самым распространенным минералом является кварц (SiO₂) (12 % массы земной коры) и его разновидности — халцедон (кварц скрытокристаллического строения, кремень (халцедон с различными примесями). Твердость кварца 7, халцедона 6,5–7. Опал (SiO₂–nH₂O), количество воды от 6 до 34 %, строение аморфное (некристаллическое). Оксиды нерастворимы в воде, но халцедон и опал могут растворяться в кислых и щелочных средах. Присутствие этих минералов в составе заполнителя бетона вызывает его коррозию. Такие заполнители называют реакционноспособными.

Кварц входит в состав всех пород: магматических (гранит), оса-дочных (песок и песчаник), метаморфических (кварцит). Опал и халцедон являются породообразующими элементами в осадочных кремнистых породах (опока, диатомит), в виде примесей встречаются в известняках, мергелях и др.

Карбонаты (соли угольной кислоты). Основные минералы кальцит СаСО₃,, доломит Са, Mg(CO₃)₂, магнезит MgCO₃,. Твердость пониженная, 3–4, растворимость слабая, немного больше 0,01 г/л, но заметно возрастает при содержании в воде свободной углекислоты СО₂.

Кальцит и доломит входят в состав осадочных пород в качестве породообразующих (известняк, мел, мергель, доломит), а также в качестве примесей (пески, песчаники, глины и др.). Магнезит входит

6

в состав метаморфических пород (мрамор), применяется для изго-товления высококачественных огнеупорных кирпичей, стойкой шту-катурки и др.

Сульфаты (соли серной кислоты). Наиболее распространенными минералами являются гипс (СаSО₄*2Н₂О), ангидрит (CaSO₄,), бароит (BaSO₄). Для минералов этой группы характерны низкая твердость, 2–3, средняя растворимость, более 1 г/л. Гипс и ангидрит – это основные минералы осадочных пород одноименного названия. Барит встречается как в осадочных, так и метаморфических породах, (применяется при изготовлении штукатурки рентгеновских кабинетов).

Галоиды (соли соляной кислоты). Основными минералами являются галит NaCl, сильвин KCI, карналлит MgCl₂. Они входят в состав осадочных пород (каменная и калийная соли, полигалиты). Общими признаками являются низкая твердость 1,5–2,5 и высокая растворимость, более 100 г/л. Эти минералы образуют мощные пласты галоидных пород, а также могут встречаться в виде примесей в песках и пылевато-глинистых породах.

Более подробное описание всех видов вышеперечисленных ми-нералов, приведено в табл. 2.

2. Визуальный метод определения минералов. Этот метод основан на определении внешних признаков минералов и некоторых свойств, являющихся их диагностическими показателями. К таким показателям относятся следующие особенности минералов: механические (твердость, спайность, излом); физические (блеск, прозрачность, цвет), химические (реакция с соляной кислотой, растворимость и др.).

2.1. Твердость – способность противостоять внешнему механическому воздействию (например, царапанию) стандартного эталона. Для оценки твердости принимается шкала Мооса; она представлена десятью минералами, расположенными в порядке возрастания твердости на условную единицу (см. табл. 1).

Следует отметить широко распространенную анизотропию твердо-сти многих минералов. Твердость выше на плоскостях спайности; для минералов с игольчатой, волокнистой формой кристаллов твердость выше в направлении удлинения кристаллов и ниже – в поперечном.

2.2. Спайность — способность некоторых минералов раскалывать-ся или расщепляться по определенным направлениям с образовани-

7

8

10

Окончание табл. 2	8	Сильвин	Каолинит	Графит	Тальк
	7	Гигроскопичен, имеет горько-соленый вкус	Жирный и бархатистый на ощупь, липнет при увлажнении	Пишет, жирный на ощупь, пачкает руки	Жирный на ощупь
	6	2	2,6	2,2	2,7–2,8
	5	Розный, зерни-стый	Землистый	Мелкозернистый	Расщепляется на толстые чешуйки
	4	Стеклянный	Матовый и тускло-жирный	Жирный, металлический	Жирный, перламутровый
	3	Весьма совер-шенная в одном направлении	Весьма совер-шенная в одном направлении (микроскопиче-ские чешуйки)	Совершенная в одном направле-нии (мелкие чешуйки)	Весьма совер­шенная в одном напраалении (чешуйки)
	2	Бесцветный, бе-лый, красный	Белый, желтоватый	Серый до черного	Белый, серый, голубоватый, желтоватый, зеленоватый
	1	1,5–2	1–1,25	1	1

11

ем гладких блестящих поверхностей. Эти поверхности называются плоскостями спайности. Спайность зависит от внутреннего строе-ния и может быть разделена на следующие виды:

спайность весьма совершенная – обнаруживается очень легко, минерал расщепляется пальцами на отдельные листочки или чешуй-ки (слюда, гипс, графит);

спайность совершенная – проявляется в том, что минерал при ударе рассыпается на обломки, ограниченные ровными плоскостями спайности; неправильные поверхности излома редки (кальцит, галит);

спайность средняя – при дроблении минерала одновременно получаются осколки, ограниченные как плоскостями спайности, так и неправильными изломами (полевые шпаты, флорит, роговая об-манка);

несовершенная – обломки минерала ограничены неправильны-ми поверхностями, нельзя обнаружить ровных параллельных друг другу поверхностей (кварц, халцедон, оливин).

Спайность различают также по числу направлений: в одном на-правлении – слюда, тальк, гипс; в двух направлениях – полевые шпа-ты; в трех направлениях – кальцит, галит.

При наличии спайности в двух и более направлениях определяют углы, под которыми располагаются плоскости спайности.

2.3. Излом – поверхность раскола, прошедшая не по спайности. По характеру поверхности раскола выделяют несколько типов излома:

раковистый – волнистая поверхность, напоминающая внутрен-нюю поверхность раковин (кварц, халцедон, опал);

занозистый - напоминает поверхность древесины поперек во-локна; наблюдается обычно у игольчатых и волокнистых минералов (асбеста, селенита, роговой обманки);

ступенчатый – наблюдается в тех случаях, когда излом получает-ся частично по спайности, частично под углом к ней (полевые шпаты);

зернистый – на поверхности излома отчетливо видны отдель-ные зерна, слагающие агрегат (апатит, мелкокристаллическая разно-видность гипса - алебастр);

землистый – поверхность раскола шероховатая, матовая, наблюдается у гидроксолов железа и агрегатов каолинита.

12

2.4. Блеск – способность поверхности минерала отражать свето-вые лучи. По характеру блеска минералы принято подразделять на два основных вида:

металлический блеск свойственен непрозрачным минералам класса сульфидов и окислов, некоторым самородным минералам.

Различают латунно-желтый (пирит) и свинцово-серый (графит) металлические блески;

неметаллический блеск – характерен для прозрачных и полупрозрачных минералов. Выделяют несколько разновидностей:

стеклянный - напоминает блеск поверхности стекла (кальцит, грани кварца, ортоклаз);

перламутровый – тускло переливающиеся радужные цвета, обычно на плоскостях спайности (тальк, слюда);

шелковистый – характерен для минералов с волокнистым строением (асбест, гипс-селенит, роговая обманка); жирный – для нефелина, кварца в изломе.

Блеск минералов связан с показателем их светопреломления и зависит от вида излома.

5. Цвет – окраска минерала в куске: может быть постоянным или меняться в зависимости от изменения состава, примесей, структуры. Все минералы по цвету условно можно разделить на темные (темно-зеленые, темно-серые, черные) и светлые (белые, светло-серые, розовые, красноватые). Только некоторые минералы имеют постоянный цвет: малахит – зеленый, сера – желтая. При определении минералов цвет является характерным, но не решающим признаком.

6. Реакция с соляной кислотой — является важным диагности-ческим признаком для минералов группы карбонатов. Под воздей-ствием 10 % НС1 на поверхности минерала выделяются пузырьки углекислого газа.

Задание. Определить диагностические признаки для 8 образцов минералов, используя табл. 2.

Определить их наименование. Результаты определений записать в таблицу по прилагаемой форме (табл. 3).

13

Таблица 3