Литература по Основам грунтоведения / Ананьев_Потапов_Инженерная Геология

В целом выделяют три вида перемещения плит' раздвижение с образованием рифтов, сжатие или надвиг (подныривание) одной плиты на другую и, наконец, скольжение или сдвиг плит друг относительно друга. Все эти перемещения литосферных плит по поверхности астеносферы происходят под влиянием конвективных течений в мантии. Процесс пододвигания океанической плиты под континентальную называют субдукцией (например, Тихоокеанская «подныривает» под Евразийскую в районе Японской островной дуги), а процесс надвигания океанической на континентальную плиту — обдукцией. В древности такой процесс столкновения континентов (коллизия) привел к закрытию океана Тетис и возникновению Альпийско-Гималайского горного пояса.

Использование теоремы Эйлера по перемещению литосферных плит на поверхности геоида с привлечением данных космических и геофизических наблюдений позволило рассчитать (Дж. Минстер) скорость удаления Австралии от Антарктиды — 7 см/год, Южной Америки от Африки —4

см/год; Северной Америки от Европы —2,3 см/ год; Красное море расширяется на 1,5 см в год, а Индостан сталкивается с Евразией со скоростью 5 см в год. Несмотря на то, что глобальная теория тектоники плит является обоснованной и математически и физически, многие геологические вопросы еще до конца не изучены; это, например, проблемы внутриплитной тектоники: при детальном изучении оказывается, что литосферные плиты отнюдь не абсолютно жесткие, недофор-мируемые и монолитные, согласно работ ряда ученых, из недр Земли поднимаются Мощные потоки мантийного вещества, способного прогреть, проплавить и деформировать литосферную плиту (Дж. Вилсон). Значительный вклад в разработку наиболее современной тектонической теории внесли такие российские ученые, как В.Е. Хаин, П.И

Кропоткин, А.В. Пейве, О.Г. Сорохтин, С.А. Ушаков и др.

Г Л А В А 3

МИНЕРАЛЬНЫЙ И ПЕТРОГРАФИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЗЕМНОЙ КОРЫ

Земная кора сложена горными породами. Минералы входят в состав горных пород, хотя иногда создают и свои отдельные скопления. Прежде чем дать характеристику минералам и горным породам, следует заметить, что в строительном производстве одновременно используют минеральные образования как природного, так искусственного происхождения. Поэтому после описания минералов даются некоторые сведения по искусственным минералам, а после горных пород — по техническим каменным материалам.

Минералы изучает наука минералогия, а горные породы — петрография.

Минералы

В настоящее время следует различать два вида минералов: 1) при-

родного происхождения, рождение которых связано с процессами в земной коре; 2) искусственного происхождения, которые возникли в процессе техногенной деятельности человека (в том числе и целенаправленной).

1. Природные минералы. Под этими минералами понимают мине-

ра1ьные образования, сформировавшиеся в результате геохимических процессов, протекающих в земной коре. Каждый минерал имеет определенный химический состав, структуру и свои физические свойства.

Иногда в земной коре минералы встречаются в виде самостоятельных скоплений, создавая ценные месторождения полезных ископаемых, но чаще входят в состав горных пород. Минералы определяют физико-механические свойства горных пород, поэтому с этой точки зрения представляют наибольший интерес для инженеров-строителей.

В земной коре содержится более 7000 минералов и их разновидностей Большинство из них встречаются редко и лишь немногим более 100

минералов встречаются часто и в достаточно больших количествах, входят в

состав тех или иных горных пород. Такие минералы называют породообразующими.

Каждый минерал имеет определенное внутреннее строение и присущие только ему внешние признаки и характеризуется своими свойствами. Все это обусловливается условиями тех геологических процессов, в которых рождаются минералы. Каждый минерал может существовать в природе лишь в определенных термодинамических условиях. При изменении этих условий минеральное тело видоизменяется или разрушается.

Происхождение минералов. Условия, в которых образуются минералы в природе, отличаются большим разнообразием и сложностью. Различают три основных процесса минералообразова-ния: эндогенный, экзогенный и метаморфический.

Эндогенный процесс связан с внутренними силами Земли и проявляется в ее недрах. Минералы формируются из магмы — силикатного огненно-жидкого расплава. Таким путем образуются, например, кварц и различные силикаты. Эндогенные минералы обычно плотные, с большой твердостью, стойкие к воде, кислотам, щелочам.

Экзогенный процесс свойственен поверхности земной коры. При этом процессе минералы формируются на суше v 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 и др.). В

экзогенном процессе ряд минералов образуется также за счет жизне-

деятельности различных организмов (опал и др.).

Экзогенные минералы разнообразны по свойствам. В большинстве случаев они 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 образовавшихся в экзогенных процессах. Минералы изменяют свое первоначальное состояние,

перекристаллизовываются, приобретают плотность, прочность. Так образуются многие минералы-силикаты (роговая обманка, актинолит и др.).

Структура. Минералы обладают кристаллической структурой или бывают аморфными. Большинство минералов имеет кристаллическое строение, в котором атомы расположены в строго определенном порядке,

создавая пространственную решетку. Благодаря этому многие минералы внешне имеют вид правильных многогранников (кристаллов). Примером может служить кварц (рис. 3).

Свойства кристаллических тел. Прежде всего минералы обладают од-

нородностью строения, состава и свойств, так как в каждой своей части,

вплоть до размеров элементарной 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

(рис. 4).

Химический состав. Каждый минерал характеризуется определенным химическим составом. В отдельных случаях можно встретить минералы сходного химического состава, но в этом случае они обязательно имеют различное внутреннее строение, а следовательно, и различную внешнюю форму.

Химический состав кристаллических минералов выражается кри-

сталлохимической формулой, которая одновременно показывает ко-

личественные соотношения элементов и характер их взаимной связи в пространственной решетке. Примерами таких формул минералов являются:

каолинит — Al4[Si4O10](OH)s, авгит — (Са, Na) (Mg, Fe, Al)[(Si, Al2)О6].

Химическая формула аморфных минералов отражает только количественное соотношение элементов.

В составе многих минералов экзогенного происхождения содержится вода. Молекулярная вода не участвует в строении пространственной решетки и ее удаление лишь обезвоживает минерал. Например, после нагревания гипса CaSO4 2H2O остается CaSO4, называемый ангидритом. Химически связанная вода в виде (ОН) входит в пространственную решетку, например глинистых минералов, и ее удаление приводит к разрушению минерала.

Физические свойства. Каждый минерал имеет определенные фи-

зические свойства. Главнейшими из них являются: внешняя форма,

оптические характеристики (цвет, прозрачность, блеск),показатели

твердости, спайность, излом, плотность.

Внешняя форма минералов разнообразна. В природных условиях они чаще всего приобретают неправильные очертания. Хорошо ограниченные кристаллы встречаются сравнительно редко (рис. 5). Для многих минералов характерны также формы землистого облика, агрегатных скоплений и др.

Цвет для очень 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 ме-

ханическим воздействиям. Каждому минералу присуща определенная твердость, которая ориентировочно оценивается по 10-балльной шкале твердости Мооса (табл. 3).

Таблица 3

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 других физических свойств: хруп-

костью, плавкостью, магнитностью, вкусом, запахом и т. д. Для отдельных минералов эти свойства могут быть характерными признаками, например галит (поваренная соль) —соленый, сера имеет запах при горении и т. д.

Классификация минералов. Основана в основном на их химическом составе. Все минералы разделяют на 10 классов (табл. 4).

Таблица 4

Ниже дается краткая характеристика основных классов минералов,

которые имеют наибольшее распространение в земной коре.

Силикаты — наиболее многочисленный класс, включающий до 800

минералов, являющихся основной составной частью большинства магматических и метаморфических пород. Среди силикатов выделяют группы минералов, характеризующиеся некоторой общностью состава и строения —полевые шпаты, пироксены, амфиболы, слюды, а также оливин,

тальк, хлориты и глинистые минералы. Все они по своему составу алюмосиликаты.

Оксиды и гидроксиды. Эти два класса объединяют около 200 мине-

ралов, на их долю приходится до 17 % всей массы земной коры. Наибольшее распространение имеют кварц, опал и лимонит.

Карбонаты. К ним относится более 80 минералов. Наиболее рас-

пространены кальцит, магнезит, доломит. Происхождение в основном экзогенное и связано с водными растворами. В контакте с водой они немного снижают свою 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. Сравнительно хорошо растворяются в воде.

Наибольшее распространение имеют гипс и ангидрит. При соприкосновении с водой ангидрит переходит в гипс, увеличиваясь в объеме 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 в основном с водными растворами. Наибольшее распространение имеет галит.

Может быть составной частью осадочных пород, легко растворяется в воде.

Минералы классов фосфатов, вольфраматов и самородных элементов встречаются гораздо реже, чем другие.

Радиоактивность минералов. Различные радиоактивные химические элементы (238U, 232Th, Ra и др.) содержат 97 природных минералов. В

минералах техногенных материалов могут присутствовать также 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. Покажем это на примерах.

1. Минералы: эшинит содержит 232Th до 30 %, малое излучение;

пирохлор —238U до 17 %, большое излучение.

2. Минералы с различным содержанием 238U: уранит—до 30%, малое излучение; торбернит —до 60 %, большое излучение; карбонит —до 64 %,

большое излучение.

Радиоактивные минералы наиболее часто присутствуют в гранитах и глинах, которые могут иметь довольно высокую «фоновую» радио-

активность, в то время как известняки и кварцевый песок обычно имеют низкую радиоактивность.

2. Искусственные минералы. В результате производственной дея-

тельности человеком создано более 150 искусственных минералов. В

настоящее время 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 (например, алит — вяжущие свойства, муллит —огнеупорность и т. д.). Такие минералы входят в состав различных строительных материалов: в цемент — алит ЗСаО SiO2,

белит 2СаО SiO2; в огнеупоры — муллит 3Al2O3 2SiO2, периклаз MgO;

абразивы —карборунд SiC.

Горные породы

Горные породы представляют собой природные минеральные агрегаты,

которые «рождаются» в земной коре. Каждой породе свойственно известное постоянство химического и минерального состава, структуры, а иногда и условий залегания в земной коре.

Горные породы чаще всего полиминеральны. В отдельных случаях они могут состоять из одного минерала (кварцит из кварца, мрамор из кальцита).

Горные породы не имеют химических формул. Их состав оценивается валовым химическим анализом, например, химический состав базальта: SiO2

— 49-52%, А12О3 — 10-14 %, Fe2O3 — 4-14%, СаО —8-10% и т. д.

Сейчас в земной коре установлено около 1000 горных пород.

По своему происхождению их делят на три типа: магматические,

осадочные, метаморфические. В земной коре магматические и мета-

морфические породы занимают 95 % от общей ее массы. Осадочные породы располагаются непосредственно на поверхности Земли, покрывая собой в большинстве случаев магматические и метаморфические породы.

Магматические горные породы. Происхождение и классификация.

Магматическими (или изверженными) горными породами называют горные породы, которые образовались в результате кристаллизации магмы при ее остывании в недрах Земли или на ее поверхности. Магма (или лава) — это сложный силикатный расплав примерно следующего состава: кислород —

46,7 %, кремний —27,7 %, алюминий —8,1 %, железо —5,1 %, кальций —3,6

%, магний —2,1 %, натрий —2,7 %, калий — 2,6 %, другие элементы обычно не превышают в среднем 1,4 %. Температура магмы различна, но обычно

100—1300 °С.

История формирования магматических горных пород берет начало с образования магмы, которая затем последовательно изменялась под воздействием слабо изученных сложнейших взаимосвязанных физических,

химических, физико-химических процессов. Процессы эти во многом завершаются при охлаждении или кристаллизации магмы с образованием агрегатов силикатных минералов. В зависимости от условий, в которых происходит охлаждение и застывание (потеря подвижности) магмы, горные породы делят на интрузивные (глубинные) и эффузивные (излившиеся).

Разновидностями этих пород соответственно будут жильные и вулканические. При формировании вулканических пород магму называют лавой.

Некоторые геологи считают, что в основе зарождения магмы лежит единая первичная магма базальтового состава, дальнейшая же диффе-

ренциация ее привела к образованию различных по составу магматических пород.

Другие ученые говорят о том, что различные минералого-