Почвоведение и инженерная геология. Учебное пособие

По мнению Ю. А. Косыгина, формациями называют как кон- кретные геологические тела (или их совокупности), имеющие опре- деленное местонахождение, протяженность, форму и геологический возраст, так и типы формаций, объединенных общими признаками, но имеющих различное местонахождение, протяженность и возраст. В зависимости от преобладающего петрографического состава раз- личают осадочные, осадочно-вулканогенные, магматические и ме- таморфические формации.

В. В. Белоусов по особенностям эндогенного режима материков подразделяет формации горных пород на: геосинклинальные, ороген- ные, платформенные и окраинных материков. Основными факторами, определяющими облик формаций, являются тектонический режим, климатические условия и для некоторых формаций – вулканизм.

Под парагенезом минералов следует понимать более или менее резко выраженный способ их совместного нахождения – ассоциа- ции. Горная порода является парагенезом минералов, а формация – парагенезом пород.

Для построения инженерно-геологических карт выделяются сле- дующие группы формаций: интрузивные вулканогенные, метамор- фические, вулканогенно-осадочные, терригенные, терригенно- карбонатные, карбонатные, флишевые, соленосные, угленосные и молассовые. Для четвертичных отложений выделяются стратигра- фо-генетические комплексы, принадлежащие к определенным гене- тическим подразделениям пород.

Гидрогеологические особенности территории включают: гидро- геологическую структуру геосистемы, определяемую простран- ственными отношениями водосодержащих слоев пород и относи- тельных водоупоров; гидродинамические свойства геосистемы, условия питания, движения и разгрузки подземных вод; коллектор- ные свойства пород, их водопроницаемость; химический состав, температуру, агрессивность подземных вод и др.

При изучении гидрогеологических особенностей используют ряд важных понятий и терминов. Водоносный пласт – это обводненная осадочная порода однородного петрографического состава, генези- са и возраста, сравнительно ограниченной мощности и значитель- ного площадного распространения. Водоносный пропласток – это

водоносный пласт малой мощности и незначительного площадного распространения.

111

Водоносная линза – то же, что и водоносный пласт, но линзооб- разной формы и, сравнительно ограниченный по площади распро- странения.

Водоносный горизонт – обводненная пачка осадочных или вул- каногенных пород однородного, или разнородного петрографиче- ского состава, генезиса и возраста, с различной водопроницаемою и с единой пьезометрической поверхностью, ограниченная снизу и сверху регионально выдержанными водоупорами.

Водоносный комплекс – обводненная толща осадочных или вул- каногенных пород разнородного петрографического состава, гене- зиса и возраста с различной водопроницаемостью, с единой или разной пьезометрической поверхностью, не имеющая снизу четко

выраженного регионального водоупора и местных водоупоров для выделения в ней водоносных горизонтов

Воды спорадического распространения представляют собой скопление подземных вод в гидравлически разобщенных линзах и пропластках, залегающих на различной глубине и находящихся внутри осадочной водопроницаемой или слабопроницаемой толщи.

Грунтовые воды – это подземные воды, образующие одну из самих верхних гидрогеологических зон. На формирование грунтовых вод влияют непосредственно: атмосфера, поверхностные воды, климат, почвенный и растительный покров, рельеф, состав водовмещающих пород и пород зоны аэрации. Горизонт грунтовых вод – первый от по- верхности земли постоянный во времени, регионально выдержанный водоносный горизонт, имеющий единую (или общую) гидравличе- скую поверхность, давление на которой, как правило, равно атмосфер- ному. Верховодкой (по Ф. П. Саваренскому) обычно называют бли- жайшие к поверхности грунтовые воды, развитые на небольших пло- щадях и непостоянные во времени.

Одну из групп сведений о компонентах инженерно- геологических условий составляют данные о геологических процес- сах. Разработана классификация геологических процессов (Сергеев, 1982), которая связывает горные породы и протекающие в них про- цессы. За основу классификации массивов как среды, где протекают определенные геологические процессы, приняты прогнозные осо- бенности их вещественного состава.

Классификация процессов в инженерной геологии и связанных с ними явлений:

112

I. Эндогенные процессы вызывают явления:

А) природные: орогенные и эпейрогенические движения земной коры, сейсмические явления и вулканизм

Б) антропогенные сейсмические явления вызываются взрывами: опускание земной поверхности при добыче полезных ископаемых,

откачке подземных вод

II. Экзогенные природные и вызванные деятельностью человека: А) климатического характера:

1)выветривание

2)криогенные и посткриогенные: морозобойное растрескивание

3)эоловые: перевевание коренных пород

Б) водного характера

1)растворение: у карбонатных, сульфатных и галоидных пород

2)суффозионные процессы

3)размывание: абразия, речная и линейная эрозия, оврагообра-

зование

4)заболачивание

В) гравитационные (склоновые): обвалы, осыпи, оползни, са- лифлюкция. Антропогеновая деятельность может вызвать усиление тех или иных процессов.

Контрольные вопросы

1.Какое значение имеет изучение геологических процессов при строительстве инженерных сооружений?

2.Что понимается под инженерно-геологическими условиями

территории?

3. Классификация геологических процессов.

Литература

1.Передельский Л. В., Приходченко О. Е. Инженерная геология: учебник для вузов. – Ростов/Д.: Феникс, 2008. 448 с.

2.Ломтадзе В. Д. Инженерная геология. – Л.: Недра, 1984. 511 с.

3.Сергеев Е. М. Инженерная геология. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 1982. 248 с.

4.Учебное пособие по инженерной геологии / ред. Г. С. Золота-

рев. – М.: МГУ, 1989.

113

9. МИНЕРАЛОГИЯ И ПЕТРОГРАФИЯ

Цель: рассмотреть основные диагностические признаки минера- лов и их классификацию на основе химического состава. Изучить основные типы горных пород.

Диагностические признаки минералов

Минералогия – наука о минералах, их составе, свойствах, проис- хождении и применении в народном хозяйстве. В природе химиче- ские соединения встречаются в твердом, жидком и газообразном состоянии. Большинство геологов к минералам относят только твердые химические соединения, а остальные объединяют в мине- ралоиды. Минералы – это природные химические соединения или химические элементы, образующиеся в определенных физико- химических условиях и обладающие стабильным химическим со- ставом и физическими свойствами.

Все твердые минералы по своему внутреннему строению делятся на кристаллические и аморфные. Химические элементы (атомы, ионы, молекулы), слагающие минералы, могут располагаться друг относительно друга закономерно, т. е. на определенном расстоянии и в определенном количественном соотношении. В этом случае об- разуются кристаллы или минералы кристаллического строения. Ес- ли же расположение химических элементов хаотичное (неупорядо- ченное) – образуются минералы аморфного строения.

Роль внутреннего строения является определяющей в совокуп- ности свойств минерала. Поэтому в минералогии выделился раздел, называемый кристаллографией, в которой изучаются твердые тела и законы, управляющие их ростом, внешней формой и внутренней структурой. Закономерное размещение атомов и ионов заключается в том, что атомы и ионы, составляющие минералы, располагаются в виде узлов геометрических фигур. Серия таких фигур образует плоскую сетку (модель графита). Плоские сетки могут располагать- ся параллельно друг другу и взаимно пересекаться. В этом случае они образуют пространственную решетку. Факт геометрически за-

кономерной кристаллической структуры минералов объясняет ряд важнейших свойств. Рассмотрим некоторые из них.

1. Прежде всего, из этого вытекает само определение кристалла – это твердое тело, имеющее естественную форму многогранника, в

114

котором слагающие частицы (атомы, ионы) располагаются законо- мерно по принципу кристаллической решетки.

2.Способность минералов к самоогранению, т. е. принимать внешние формы, отражающие плоские сетки кристаллической ре- шетки. Элементами самоогранения кристаллов являются грани, ре- бра, вершины углов. Здесь же важное свойство кристаллов, форму-

лируемое как закон постоянства гранных углов. Его суть: углы между соответствующими гранями во всех кристаллах одного и то- го же минерала постоянны. На практике применение этого закона дает возможность, сделав измерения углов, определить минерало- гическую принадлежность кристалла.

3.Однородность – важное свойство, означающее, что любая часть кристалла обладает теми же свойствами, что и весь кристалл по параллельным направлениям.

4.Анизотропность – свойство однородных кристаллов изменять величину одного и того же физического свойства по не параллель- ным направлениям. Наглядным примером служат:

∙ минерал дистен, у которого разная твердость по взаимно пер- пендикулярным направлениям;

∙ минерал слюды легко расщепляется по параллельным пласти- нам, но трудно в перпендикулярном направлении.

Аморфные вещества – изотропны, т. е. все свойства одинаковы по всем направлениям.

5.Симметрия (от греч. symmetria – соразмерность) – свойство кристаллов закономерно повторять «равные части», т. е. элементы огранения кристаллов, относительно воображаемым вспомогатель- ным элементам, которые называются элементами симметрии. К ним относятся:

∙ Центр С – точка внутри кристалла, которая располагается на равном удалении от элементов огранения (граней, ребер, углов).

∙ Плоскость симметрии Р – воображаемая плоскость, делит кристалл на равные зеркально отраженные части.

∙ Ось симметрии L – воображаемая линия, вокруг которой не-

сколько раз повторяются равные части фигуры. Поскольку кристалл можно повернуть на 360 0 , то количество совмещений элементов его огранения составляет 2, 3, 4, 6 раз. Эти числа определяют поря- док оси, запись делают: L2 – что означает ось второго порядка.

115

Кроме обычных осей, существуют инверсионные оси (редко встречаются). Они определяются при одновременном повороте кри- сталла вокруг оси симметрии и вокруг центра. Полный набор эле-

ментов симметрии данного кристалла называется видом симметрии или классом. Установлено, что существует 32 класса. Запись пол-

ной совокупности элементов симметрии кристалла от высших к низшим называется формулой симметрии – например L33L 23PC. Классы объединяются в сингонии. Сингония – это группа видов симметрии, которая обладает одним или несколькими общими эле- ментами симметрии. Всего установлено 7 сингоний. В свою оче- редь, сингонии объединяются в 3 категории – низшую, среднюю и высшую.

Кристаллографические сингонии

Формы кристаллов Простые формы – все грани равны и одинаковы (куб, призма,

ромбоэдр и др.).

Комбинационные формы – представляют собой сочетание про- стых форм. Сколько простых форм скомбинировано в кристалле, можно установить, сосчитав количество разновидностей простых форм. Название граней и форм минералов даются от греческих слов: моно, ди, тетра, пента, эдра, пинакос – доска и т. п. Морфоло- гия минералов и минеральных агрегатов – способ заполнения мине- ральным веществом пространства. Габитус – облик кристаллов – зависит от строения кристаллической решетки: призматический,

116

изометричный, пластинчатый. Чаще, чем одиночные кристаллы, в природе встречаются срастания минералов, которые можно подраз- делить на закономерные (двойники – ласточкин хвост) и незаконо- мерные: 1) кристаллические, (друзы и щетки), 2) зернистые, 3) зем- листые, 4) плотные, 5) формы заполнения.

С особенностями кристаллической структуры связаны такие яв- ления, как изоморфизм, полиморфизм и псевдоморфизм. Изомор- физм – явление, когда в кристаллической решетке часть атомов или ионов замещается другими атомами или ионами, с близкими ион- ными радиусами. Иначе говоря, при сходном кристаллическом строении имеется расхождение в химическом составе. Например: минералы группы гранатов имеют общую формулу А3В2[SiO4]3, где А – Mg, Fe2, Ca; B – Al, Fe3, Ce. Полиморфизм – свойство одинако- вых по химическому составу веществ, в зависимости от условий, кристаллизоваться с образованием разных кристаллических реше- ток и как следствие, относиться к разным сингониям. Яркий при- мер: углерод образует две полиморфические разновидности: алмаз

– кубическая сингония и графит – гексагональная сингония. Псев- доморфизм – явление замещения одного минерала другим с сохра- нением внешней формы замещаемого кристалла. Таковы, например, псевдоморфозы лимонита по кристаллам пирита.

Каждый минерал имеет определенный химический состав и обла- дает только ему присущими физическими и химическими свойствами. По этим свойствам производится диагностика минералов. Диагности- ческими признаками минералов являются: цвет, блеск, прозрачность; твердость, плотность, спайность, излом и др. свойства.

Цвет минерала определяется его способностью поглощать определенную часть светового спектра. А. Е. Ферсман выделил 3 рода окрасок минералов по происхождению:

∙идиохроматическую (своя собственная),

∙аллохроматическую (алло – чужой),

∙псевдохроматическую (псевдо – ложный).

Идиохроматическая – в состав минерала входит элемент, даю- щий окраску – хромофор. Например, железо дает черную или бу- рую окраску, свинец – серый, медь – зеленый и т. д. Аллохромати- ческая – окраска за счет элементов-примесей, изменяющих окраску минерала. Например, кварц – бесцветный минерал, а его разновид- ности – аметист, морион – окрашены в фиолетовый или черный

117

цвет за счет примесей атомов Fe. Псевдохроматическая окраска обусловлена включениями посторонних минералов. Например, ми- нерал лабрадор обладает темным собственным цветом, но при рас- смотрении его под разными углами наблюдается синяя окраска. Она обусловлена тонкими включениями минерала ильменита, который изменяет светопреломление. Иногда на поверхности минерала по- является радужная окраска, называемая побежалостью – возникает за счет образования тонкой пленки окислов на его поверхности.

Минералы – эталоны цвета

Цвет черты – цвет минерала в порошке. Часто цвет черты по- вторяет цвет минерала, но бывают и отклонения. Например, мине- ралы магнетит и хромит имеют черный цвет, а их цвет в порошке или цвет черты отличаются: у магнетита черта черная, а у хромита – темно-бурая.

Прозрачность – способность минерала пропускать свет. По это- му признаку минералы разделяются на прозрачные, полупрозрач- ные и непрозрачные.

Блеск – способность отражать падающий свет. По отражатель- ной способности минералов блеск подразделяется на металличе- ский и неметаллический. Металлический блеск имеют минералы с высокой отражательной способностью. Неметаллический блеск подразделяют на стеклянный, жирный, перламутровый и т. д.

Спайность – способность минералов раскалываться под ударом с образованием ровных поверхностей параллельных граням, ребрам

идр. кристаллографическим направлениям. Выделяется спайность:

-весьма совершенная (слюда, тальк),

-совершенная (кальцит, галит),

-средняя (полевые шпаты, роговая обманка),

-несовершенная (оливин, апатит),

-весьма несовершенная (золото, корунд).

Излом – вид поверхности при расколе минерала. Бывает ровный, ступенчатый, раковистый, занозистый, землистый и т. д.

118

Плотность – зависит от химического состава и структуры мине- рала. Все минералы по плотности подразделяются на: легкие (1–3 г/см3), тяжелые (3,5–9 г/см3), очень тяжелые (9–23 г/см3).

Твердость – способность минерала сопротивляться механиче- скому воздействию. Выделяют абсолютную и относительную твер- дости. Абсолютную твердость определяют прибором, называемым склерометром в кг/мм3. Относительная твердость определяется сравнительным путем. Для этого берут минерал с известной твердо- стью и воздействуют им или на него другим минералом. Существу- ет эталонная шкала для определения относительной твердости ми- нералов. Её разработал австрийский минералог Моос в 1824 г., по- этому названа его именем. В ней подобраны 10 минералов, которые

располагаются в порядке возрастания твердости и номер эталонного образца в ней означает величину относительной твердости этого минерала.

Когда нет под рукой эталонной шкалы, пользуются стеклом, гвоздем, стальным ножом или напильником, т. е. заменителями эта- лонных минералов.

Кроме перечисленных свойств, которые проявляются у всех ми- нералов, существуют свойства присущие отдельным минералам или группе минералов. Их называют особые свойства и к ним относятся:

∙Магнитность – определяется по отклонению минералом стрел- ки компаса;

∙Люминесценция – любое излучение минералом света без нака- ливания. Выделяют: флюоресценцию – свечение минерала проис- ходит при облучении ультрафиолетовыми или рентгеновскими лу- чами, фосфоресценцию – продолжение свечения минерала после прекращения облучения; люминесценция наблюдается у минералов, содержащих в кристаллической решетке примеси ионов. Так, мине- рал шеелит светится бледно-голубым цветом за счет включений мо- либдена.

119

∙Пьезо- и пироэлектрические. Пьезоэлектричество – явление,

когда под действием давления вдоль полярной оси кристалла на её концах концентрируются положительные и отрицательные заряды. Пироэлектричество – появление электрических зарядов под дей- ствием температуры при нагревании.

∙Реакция с соляной кислотой – происходит выделение углекис- лого газа, реакция хорошо наблюдается визуально.

∙Вкус и запах – некоторые минералы издают запах, при каком- либо воздействии на них (при ударе и т. п.), другие минералы – со- леные или горько-соленые на вкус (каменная соль).

∙Радиоактивность – ею обладают минералы, содержащие ра- диоактивные элементы.

Все основные свойства проявляются (кроме особых) у каждого минерала. Часто разные по химическому составу минералы бывают внешне похожи по одному или нескольким свойствам. Например, по цвету, блеску, прозрачности минералы кварц и кальцит похожи и их трудно отличить по этим свойствам. Но по другим свойствам – твердости и спайности они резко отличаются друг от друга. Эти свойства для них являются диагностическими признаками. Таким образом, свойства минералов, по которым их можно определить или отличить друг от друга, являются их диагностическими признаками.

Свойства минералов изучают:

∙макроскопически, т. е. определяют свойства визуально;

∙с помощью лабораторных исследований с привлечением раз- нообразных приборов и анализаторов: химический состав минерала устанавливается после проведения ряда химических или спектраль- ных анализов для определения элементов, входящих в его состав;

∙строение кристаллической решетки определяют с помощью рентгеноструктурного анализа, основанного на отражении и ди- фракции рентгеновских лучей от кристаллографических плоско- стей. В последнее время для изучения структуры минерала приме- няют электронный микроскоп;

∙оптические свойства минералов изучают под микроскопом. Сейчас создано много приборов, которые позволяют сделать

комплекс лабораторных исследований прямо в образце, содержа- щем исследуемый минерал, т. е. отпадает трудоемкая работа по из- влечению минерала в чистом виде, без примесей другого минерала. Изучение свойств минералов дало толчок экспериментальным ис-

120