книги / 860

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а 2

Определение горных пород

Задание. Определить тип и название горной породы, руководствуясь минеральным составом породы и её структурно-текстурными особенностями.

Последовательность определения горной породы

1.Установить генетический тип изучаемой породы – магматическая, осадочная, метаморфическая, метасоматическая, мигматитилиимпактит.

2.Уточнить происхождение породы и её место в классификации:

–2а для горной породы магматического типа определить класс, плутоническая, вулканическая или гипабиссальная и к какому отряду по содержанию кремнезёма она относится: ультраосновные, основные, средние и кислые, назвать подотряд по щелочности (щелочные, умерен- но-щелочные, нормальной щелочности и низко-щелочные) и виды (название) породы, например, перидотит, базальт, гранит;

–2б для породы осадочного типа определить класс по происхождению: терригенный, глинистый, вулканогенно-обломочный, хемогенный или хемогенно-биогенный;

–2с для метаморфического типа пород определить класс: региональный, контактовый, дислокационный;

–2г для метасоматической породы преимущественно по минеральному составу определяют вид: скарны, грейзены, серпентиниты;

–2д для типа мигматитов и импактитов определения классов и более дробных единиц классификации не требуется в связи с краткостью изучаемого курса.

3.Определить цвет горной породы и по возможности минеральный или химический состав.

4.Определить текстуру и структуру породы, учитывая её происхождение.

5.Дать название породы и указать полезные ископаемые, связанные с этой группой пород.

Пример определения горной породы

Магматический тип горной породы, по происхождению класс плутонических пород, по содержанию кремнезёма относится к отряду кислых пород группы гранита – риолита. Цвет породы светлый с краснокоричневым оттенком. Минеральный состав: КПШ – 50 %, плагиоклаз –

61

10 %, кварц – 30, амфибол – 5 %, черная слюда – 5 %. Текстура породы плотная массивная, структура полнокристаллическая крупнозернистая. Характеристика минерального состава, структуры и текстуры породы соответствует виду гранит. Он применяется в строительстве (облицовочный камень, щебень), с ним часто связаны месторождения кварца, Au, Mo, W и др.

Осадочный тип горной породы, класс по происхождению хемо-

генный. Порода кирпично-красного цвета, состоит из гидроксидов алюминия с примесью железа, текстура пятнистая, структура оолитовая. Порода называется боксит, служит ценной рудой для получения глинозема и алюминия.

Метасоматический тип горной породы, образовался в резуль-

тате воздействия флюидов на граниты. Порода светлого желтоватосерого цвета, содержит крупные чешуйки белой слюды, кварц и КПШ. Текстура породы массивная, структура гранолепидонематобластовая. Порода относится к классу грейзены, часто содержит ювелирные разновидности кварца, турмалина, флюорита, жилыкасситерита, вольфрамита.

3. ГИДРОГЕОЛОГИЯ

Подземные воды участвуют во всех геологических процессах, служат наиболее ценным источником водоснабжения, и в то же время они легко подвергаются влиянию инженерной деятельности. Без воды невозможна жизнедеятельность человека. Для решения вопросов, связанных с питьевым водоснабжением и организацией работы предприятий горнодобывающей отрасли, необходимо иметь общее представление о подземных водах и критериях их оценки.

3.1. Характеристика подземных вод

По условиям залегания в разрезе земной коры различают верховодку, грунтовые, артезианские воды, воды многолетнемерзлых пород и другие виды подземных вод. Из них основными являются грунтовые и артезианские воды.

62

Грунтовые воды – первый от поверхности земли водоносный горизонт– постоянносуществующий, ноизменяющийсявовремени(рис. 46).

Рис. 46. Схема водоносного горизонта грунтовых вод: 1 – поч- венно-растительныйслой; 2 – водоносныепески; 3 – водоупорные глинистые породы; 4 – уровень грунтовых вод

Мощность водоносного горизонта грунтовых вод (m) определяется расстоянием в метрах от водоупорного слоя до линии уровня грунтовых вод. Область питания (поступления воды) совпадает с областью распространения. Грунтовые воды легко подвергаются загрязнению, поскольку вода – очень хороший растворитель и, смывая с поверхности земли мазут, ядохимикаты и другие вещества, она переносит их в горизонт грунтовых вод.

Очищение происходит медленно при просачивании воды через поры грунта и межзерновые пространства в слоях преимущественно песчано-глинистых осадочных горных пород.

Поверхность грунтовых вод свободная, т.е. не ограничена водонепроницаемыми слоями пород. Режим (положение уровня, расход, химический состав) сильно зависит от климатических условий, чем жарче и суше климат, тем больше солей в водах. Грунтовые воды гидравлически связаны с реками.

Артезианскими, или напорными, называются воды, которые формируются между пластами непроницаемых пород, движутся под давлением и при вскрытии инженерными сооружениями самопроизвольно поднимаются вверх до условной поверхности, называемой пьезометрической (рис. 47).

Пьезометрическая поверхность находится выше или ниже поверхности Земли, но всегда выше кровли горизонта.

В артезианских бассейнах область питания располагается на высоких отметках и может быть удалена на значительные расстояния от водоносного горизонта.

63

Разгрузка напорных вод может происходить по долинам рек и оврагов, по зонам разломов, в руслах рек или перетекать из одного водоносного горизонта в другой.

Рис. 47. Схема артезианского бассейна: а – область питания; б – область распространения напора; в – область разгрузки; 1 – водонепроницаемые породы; 2 – водовмещающие породы; 3 – буровая скважина; 4 – высота подъема уровня воды (напор над кровлей пласта); 5 – пьезометрическая поверхность; m – мощность

водоносного горизонта; Н – напор потока воды, м

При характеристике бассейнов подземных вод применяют термины: область питания, напора и распространения и область разгрузки.

Область питания – это площадь выхода водовмещающих пород на дневную поверхность. Водовмещающими породами могут служить пески, галечники, трещиноватые известняки и др.

Область распространения – это площадь, на которой расположен водоносный горизонт, она представляет собой слой горных пород, насыщенных водой.

Область напора – это площадь артезианского бассейна, где подземные воды движутся под давлением (напором). Напор создается за счет расположения водоносного слоя пород между двумя водонепроницаемыми слоями пород. Хорошим водоупором в природе служат слои глинистых пород.

Область разгрузки – это область выхода подземных вод в виде источников, родников на дневную поверхность.

Возможность применения подземных вод для промышленного или питьевого водоснабжения определяется в первую очередь по химическому составу воды.

3.2. Химический состав подземных вод

Химический состав подземных вод необходимо учитывать при использовании её для всех видов водоснабжения: питьевого, технического, лечебного, для орошения с целью оценки интенсивности засоления оро-

64

шаемых земель. Химический состав воды необходимо знать при оценке возможности добычи солей йода, брома, бора, а также при гидрохимических методах поисков полезных ископаемых. Химический состав отражает всепроцессы, протекающиев недрахЗемлиподвлияниемподземныхвод.

Большое влияние на качество подземных вод оказывают такие физические свойства, как плотность, температура, прозрачность, цвет, запах, вкус, электропроводность и радиоактивность.

Свойства подземных вод определяются количеством и соотношением содержащихся в них различных ионов, газов, органических веществ, реакцией воды (рН), жесткостью, общей минерализацией [6].

К главным химическим компонентам подземных вод относятся: хлор-ион Сl-, сульфат-ион SO42-, гидрокарбонатный HCO3- и карбонатный CO32- ионы, а также ионы щелочноземельных металлов Nа+ и K+, кальцияCа2+ имагнияMg2+, железаикремния(вколлоидномсостоянии).

Обработка химических анализов подземных вод

Химический анализ воды выражают в трех формах: ионной, мил- лиграмм-эквивалентной и процент-эквивалентной. В природной воде молекулы солей почти полностью диссоциированы на ионы, поэтому ионная форма является основной для представления результатов анализа воды. Содержание каждого иона в лабораторных условиях определяют в граммах или миллиграммах в объеме 1 л.

Для пересчета данных анализа из ионной формы в миллиграммэквивалентную (табл. 7) необходимо количество миллиграмм каждого иона в 1 л воды разделить на его эквивалентную массу (ионную массу, деленную на валентность).

Т а б л и ц а 7

Выражение результатов анализа воды в трех формах

65

Для пересчета результатов анализа из миллиграмм-эквивалентов в процент-эквиваленты необходимо сумму миллиграмм-эквивалентов катионов и анионов принять порознь за 100 % и вычислить процентное содержание каждого иона в отдельности (табл. 7).

Результаты определения для массовых анализов рекомендуется выражать в мг/л или %-экв целыми числами, а мг-экв/л – с точностью до десятичного знака (табл. 8). По эквивалентному содержанию ионов производят контроль результатов анализа по формуле

А+К где А, К – суммы мг-экв анионов и катионов.

Т а б л и ц а 8

Допустимые погрешности анализа

Имея химический анализ воды в трех формах, можно рассчитать основные показатели химического состава воды: минерализацию, жесткость, составить формулу химического состава, определить агрессивность.

Минерализация характеризует общее содержание в воде растворённых солей, а также веществ, находящихся во взвешенном и коллоидном состоянии. Для определения минерализации необходимо взять сумму анионов и катионов в ионной форме:

Существуют различные классификации подземных вод по минерализации. Классификация В.И. Вернадского наиболее приближена к требованиям практического использования подземных вод (табл. 9).

Ниже приведен пример определения минерализации воды по данным табл. 7:

М = (240 + 6 + 77 + 34) + (265 + 218 + 286) = 1 126 мг/л или 1,1 г/л.

Следовательно, в соответствии с классификацией (табл. 9) данная вода слабосолоноватая.

66

Т а б л и ц а 9

Классификации подземных вод по минерализации

Жесткость воды – это свойство воды, обусловленное присутствием в ней солей кальция и магния (табл. 10). Выражается жесткость

вмг-экв/л. Различают жесткость общую, карбонатную и некарбонатную.

Та б л и ц а 10

Классификация природных вод по общей жесткости (О.А. Алёкин)

Общая жесткость обусловлена наличием всех солей кальция и магния и определяется суммой этих ионов, мг/экв:

Карбонатная жесткость обусловлена гидрокарбонатными и карбонатными солями кальция и магния. Карбонатная жесткость численно равна количеству миллиграмм-эквивалентов гидрокарбонатных и карбонатных ионов, содержащихся в воде. Если это количество больше, чем общая жесткость, карбонатную жесткость считают равной общей жесткости.

Некарбонатная (постоянная) жесткость обусловлена хлоридами, сульфатами и другими некарбонатными солями кальция и магния. Она определяется по разности между общей и карбонатной жесткостью.

67

Приведем пример вычисления жесткости воды по данным табл. 7. Общая жесткость G = 3,8 + 2,8 = 6,6 мг-экв/л.

Карбонатная жесткость 4,7 мг-экв/л. Некарбонатная жесткость 6,6 – 4,7 = 1,9 мг-экв/л.

Таким образом, по степени общей жесткости в соответствии с классификацией (табл. 10) вода будет жесткой.

Реакция воды выражается показателем рН (табл. 11), который представляет собой десятичный логарифм концентрации водорода Н+, взятый с положительным знаком:

Т а б л и ц а 11

Классификация вод по величине активной реакции

Агрессивность вод обусловлена присутствием в воде ионов водорода, свободной углекислоты, сульфатов и магния. Степень агрессивности определяется по отношению к бетону, железобетону и металлам. Различают несколько её видов: агрессивность выщелачивания, общекислотная, углекислая и сульфатная.

Агрессивность выщелачивания определяют по величине карбо-

натной жесткости воды. Вода считается агрессивной по отношению к бетону при карбонатной жесткости свыше 0,54–2,14 мг-экв/л в зависимости от типа цемента в составе бетона.

Агрессивность общекислотную оценивают по количеству водо-

родных ионов (рН). Вода считается агрессивной для всех видов цементов в пластах высокой проводимости:

а) при рН < 7 и карбонатной жесткости меньше 8,6 мг-экв/л; б) при рН < 6,7 и карбонатной жесткости больше 8,6 мг-экв/л. Для

слабопроницаемых пластов вода считается агрессивной при рН ≤ 5. Агрессивность углекислую устанавливают в воде по содержанию

свободной углекислоты. Для большинства цементов в пластах высокой проводимости воды считаются агрессивными, если суммарные величины

68

карбонатной жесткости и количество ионов Cl– и SO42–- будут больше содержания свободной углекислоты.

Агрессивность сульфатную оценивают по содержанию в воде ионов SO42- и Cl-, мг/л. В породах высокой водопроводимости для бетона на портландцементе агрессивность воды определяют по табл. 12.

В породах слабой проводимости вода считается агрессивной при содержании иона SО42- до 1 000 мг/л, а для бетонов на пуццолановом, шлаковом и песчано-пуццолановом портландцементе при содержании иона Сl- – 400 мг/л независимо от содержания иона SО42-.

Химический состав воды в виде формул

Обобщение результатов химического анализа вод представляют в виде формулы М.Г. Курлова. Формулу записывают в виде дроби, в числителе которой располагают анионы (%-экв) по содержанию их в воде в убывающем порядке, а в знаменателе – в таком же порядке катионы. Ионы, содержание которых не превышает 10 %-экв, в формулу не включаются. Слева от дроби указывают количество газов и активных элементов, минерализацию воды М до первого десятичного знака (г/л), справа – температуру воды (оС), реакцию воды рН и дебит скважины или расход родника, м3/сут.

Используя формулу М.Г. Курлова для изображения химического состава, Е.В.Посохов предложил при названии воды не учитывать ионы с содержанием менее 25 %-экв. Сначала читают числитель от иона с меньшим содержанием к большему, затем в таком же порядке читают знаменатель.

Например, если в воде содержится в %-экв: ионов хлора – 45, гид- рокарбонат-ионов – 28, сульфат-ионов – 27, ионов натрия – 61, кальция – 22 и магния – 16, то название воды читается так: сульфатно-гидрокарбонатно- хлоридная натриевая.

69

3.3. Государственные стандарты для питьевого и хозяйственного водоснабжения

Возможность использования подземных вод для питьевого и хозяйственноговодоснабженияопределяютпогосударственнымстандартам.

Питьевая вода должна быть бесцветной, прозрачной, иметь температуру от 4 до 15 оС, не иметь неприятного вкуса и запаха, не содержать болезнетворных бактерий, солей тяжелых металлов.

При выборе и оценке воды источники централизованного хозяй- ственно-питьевого водоснабжения пользуются государственными стан-

дартами (ГОСТ 2761-57, ГОСТ 2874-54 и др.).

По ГОСТ 2761-57 сухой остаток не должен превышать 1 000 мг/л. По ГОСТ 2874-54 общая жесткость воды должна быть не выше 7 мг-экв/л и в исключительных случаях – не более 14 мг-экв. Употребление воды с большим сухим остатком или жесткостью устанавливается органами государственной санитарной инспекции в зависимости от местных условий.

Совершенно не допускается в питьевой воде присутствие аммиака и азотистой кислоты, указывающих на загрязнение воды продуктами разложения органических веществ.

По ГОСТ 2874-82 питьевая вода, подаваемая без очистки, должна содержать свинца не более 0,1 мг/л, мышьяка 0,005 мг/л, фтора 1,5 мг/л, меди 3 мг/л, цинка 5 мг/л, железа 0,3 мг/л (табл. 13).

В третьей колонке таблицы указаны категории токсичности нормируемых химических элементов:

I категория – чрезвычайно опасные химические элементы, содержание которых в подземных водах не может превышать 1,0 мг/л;

II категория – высоко опасные и умеренно опасные химические элементы, содержание которых в подземных водах может изменяться от

1,0–10,0 мг/л;

III категория – мало опасные химические элементы, содержание которых в подземных водах может превышать 10 мг/л.

Следовательно, категории оценки защищенности подземных вод должны устанавливаться с учетом категорий токсичности. Как видно из табл. 13, большинство нормируемых элементов относится к категории чрезвычайно опасных.

Загрязненность воды оценивается присутствием патогенных бактерий, показателем являются коли-титр и коли-тест.

70