Литература по Основам грунтоведения / Ананьев_Потапов_Инженерная Геология

петрографические разности магматических горных пород обусловлены существованием нескольких первичных магм разного состава. Некоторые ученые, например акад. Е.М. Сергеев, считали, что возможно образование интрузивных пород (так называемых плутонов), особенно кислого состава,

путем перекристаллизации ранее существовавших пород под действием повышенных температур, давлений и сложных по химическому составу растворов.

Любая из этих гипотез обусловливает необходимость дифференциации вещества магмы для формирования различных по составу изверженных пород. Особенности дифференциации магмы образуют как одну, так и несколько типов горных пород. Первичная базальтовая магма может сформировать габбро или же превратиться в целый ряд пород: габбро— диориты—гранодиориты—граниты. Кроме того, особенности дифференциации выражаются в виде реакции между кристаллами и расплавом и в сложном процессе межгравитационного разделения,

сопровождающегося оседанием или поднятием кристаллов при существенном газовом переносе вещества и ассимиляции магмой вмещающих пород.

К настоящему времени петрографами выделено и описано множество разновидностей изверженных горных пород различного химико-

минералогического состава.

Большинство силикатов (как правило, минералы магматических пород

— это силикаты) имеют ковалентную связь между основными структурными элементами, что и создает высокую прочность магматических пород. При этом наибольшие значения модуля упругости и наибольшая прочность проявляются у горных пород, имеющих плотную, компактную структуру с высокой ковалентностью связи (дуниты, периодотиты, пироксениты).

Но не только это влияет на формирование прочности горных пород.

Весьма важным является их последующее изменение в результате выветривания, скорость и интенсивность которого в значительной мере определяется особенностями минералогического состава.

Так, известно, что одним из наиболее устойчивых минералов к выветриванию является кварц. Слюды же легко расслаиваются под влиянием колебаний температуры, особенно если происходит их

попеременное замораживание и оттаивание. Кроме того, биотит очень легко подвергается разрушению при химическом выветривании. Тре-

щиноватые полевые шпаты, особенно основные и Лабрадор, легко разрушаются при выветривании, в то время как их свежие разности более устойчивы к нему. Амфиболы и пироксены обычно оцениваются как устойчивые к выветриванию, а оливин как легко разрушающийся, кстати,

поэтому быстро выветриваются дуниты.

Хорошо известно, что пирит легко окисляется и в присутствии воды образует серную кислоту, тем самым ускоряя процесс выветривания других минералов в горной породе.

Однако на устойчивость магматических горных пород к выветриванию,

на их прочностные и деформационные характеристики влияет не только минералогический состав, но в большей степени их структурно-текстурные особенности.

Структуры и текстуры магматических горных пород определяются их генезисом.

Магма, поднимающаяся к земной поверхности, быстро охлаждается,

вязкость ее увеличивается благодаря постепенной потере воды и газов. Это способствует формированию вулканического стекла с пели-товой или сферолитовой структурой. Последние наиболее характерны для палеотипных излившихся пород и образуются обычно при девит-рификации стекла. В

поверхностных условиях потоки магмы (в этом случае их называют лавовыми потоками) затвердевают сравнительно быстро, что не позволяет развиваться крупным кристаллам и вследствие этого эффузивы обычно характеризуются афанитовой структурой (это характерно для пород с выраженной кристалличностью и стекловатых). Горные породы с подобными структурами обычно имеют высокую механическую прочность, но, как правило, излившиеся (эффузивные) породы образуются на поверхности Земли при низких давлениях и температурах при быстром охлаждении и дегазации вещества магмы. В таких условиях становится невозможной полная дифференциация; часть расплава застывает в виде аморфной массы,

формируя породы неполнекристаллической структуры. Часто кристаллизация осуществляется в две фазы: медленная в глубине земной коры, когда образуются отдельные кристаллы минералов или их ассоциации,

а затем быстрая на поверхности, когда происходит интенсивное остывание расплава. В этом случае образуется неравномерно-кристаллическая

(порфировая) структура. Наличие газов в застывающей на поверхности магме определяет повышенную пористость эффузивных пород.

Вулканические породы обладают довольно часто пузырчатой тек-

стурой. Указанные эффузивы обычно усеяны газовыми пузырьками различной формы: миндалевидной, округлой, эллипсовидной. Пузырчатая текстура придает некоторым туфам Армении пористость до 60 % и снижает их плотность до 0,9—0,95 г/см3.

Довольно часто пустоты в вулканических породах выполнены вторичными минералами, тем самым сообщая им так называемую миндалевидную или миндалекаменную текстуру. Прочность таких пород

резко повышается, но в силу своей неоднородности они все-таки уступают массивным разностям (это можно проследить на примере базальтов).

Очень похожее влияние на свойства вулканогенных пород оказывает порфировая структура, при которой крупные отдельные минералы или крупные совокупности нескольких минералов погружены в тонкозернистую или стекловатую массу минерала, слагающего породу. Порфировая структура не обязательна, хотя и характерна для эффузи-вов. Она свойственна для лайковых пород и иногда для пород мелких интрузий.

Вулканические и вулканокластические породы образуются при вулканических извержениях как на континентах, так и в морских бассейнах.

Расплав магмы быстро остывает и в то же время происходит процесс интенсивной потери растворенных газов и паров. Это ведет к образованию вулканических стекол, скрытокристаллических высокопористых пород типа пемзы, а также специфических рыхлых вулканических пород.

Структуры и текстуры глубинных пород существенно иные. Маг-

матический расплав в глубинах Земли в среде ранее образованных пород кристаллизуется постепенно под влиянием высокого давления в условиях медленного охлаждения и деятельного участия присутствующих летучих веществ, растворенных паров и газов. Минеральные зерна постепенно формируют специфические структуры и текстуры глубинных пород.

Наиболее характерной особенностью интрузивных образований является полнокристаллическая относительно крупная и равномерно-зернистая структура. Встречено и описано значительное количество ее разновидностей.

При инженерно-геологической оценке породы большое значение имеет размер зерен, так как все-таки мелкозернистые породы наиболее прочны и устойчивы к выветриванию, нежели крупнозернистые.

Установлено, что минералы кристаллизуются в определенной по-

следовательности, в зависимости от химического состава исходной магмы

(основная и кислая), температуры плавления и т. д.

Основная магма кристаллизуется в следующей последовательности:

оливин —пироксены-амфиболы —биотит —калиевый полевой шпат — мусковит — кварц; кислая магма: анортит — плагиоклазы — калиевый полевой шпат — мусковит — кварц.

Жильные породы образуются при кристаллизации магмы в трещинах горных пород, зачастую с интенсивным гидротермальным воздействием.

В данных условиях кристаллизация обычно происходит при сложной дифференциации вещества магмы, что является еще одним обстоятельством,

приводящим к формированию полнокристаллической структуры.

Одной из наиболее важных характеристик, определяющих свойства магматических пород, является химический состав, формирующий в значительной мере их облик и обязательно минеральный состав. При классификации магматических пород по химическому составу используются данные о содержании в них диоксида кремния — SiO2 (в % по массе).

Выделяют породы ультракислого (> 75 %), кислого (65—75 %), среднего

(55—65 %), основного (45—55 %) и ультраосновного (< 45 %) состава, для которых характерны вполне определенные главные породообразующие минералы или их ассоциации.

Все магматические горные породы имеют с точки зрения исполь-

зования их в строительстве достаточно много общего между собой (так общность физико-механических характеристик, в частности, обусловлена наличием практически у всех магматических пород жестких кристаллизационных связей между зернами минералов, возникающими в процессе формирования породы). Вследствие этого все магматические горные породы имеют высокую прочность, значительно превышающую нагрузки, известные и возможные в инженерно-строительной практике,

нерастворимые в воде и практически водонепроницаемые в сохранном виде.

Благодаря этому они широко используются в качестве оснований сооружений, особенно ответственных и уникальных, поэтому более 30 %

всех высоких плотин на Земле построено на магматических горных породах.

Тем не менее существует ряд обстоятельств, которые приводят к

осложнениям при строительстве на изверженных породах. Это, в первую очередь, их трещиноватость и выветрелость, которые для различных типов пород проявляются в разной степени и достаточно своеобразно. Во-вторых,

чрезвычайно широкий диапазон изменений показателей физико-

механических и деформационных свойств горных пород в зависимости от их состава и структуры, хотя и при высоких абсолютных значениях отдельных показателей.

В качестве примера остановимся на характеристике плотности интрузивных и древних эффузивных пород. Она, естественно, определяется их химическим и минералогическим составом: у сиенита — 2,62 г/см3,

диорита —2,8 г/см3 , габбро —2,95 г/см3, перидотита — 3,2 г/см3, липарита —

2,1 г/см3, диабаза — 2,85 г/см3. Плотность обычно возрастает вместе с уменьшением кислотности породы, т. е. со сменой легких минералов относительно более тяжелыми. Для современных эффузивных пород плотность в большей степени определяется структурно-текстурными особенностями в несколько меньшей степени химико-минеральными характеристиками. Кроме того, любые вторичные изменения горных пород значительно влияют на физико-механические параметры, например, в общем случае хлоритизация (т. е. замещение некоторых минералов хлоритом)

магматических пород вызывает снижение их плотности, модуля упругости,

прочности, что достаточно четко фиксируется геофизическими методами по скорости распространения в них упругих волн.

В общем, в зонах преобразования магматических горных пород, будь то интенсивное выветривание, складкообразование или образование разрывов, трещин, других деформаций при тектонических движениях,

землетрясениях или вулканизме, иных еще более интенсивных изменениях,

включая антропогенное воздействие, происходит существенное изменение,

переформирование состава и структуры изверженных горных пород, а это естественно влечет за собой заметное увеличение их пористости и трещиноватости, уменьшение плотности, снижение прочности, повышение

деформативности, водопроницаемости, т. е. значительно ухудшает их инженерно-строительные характеристики.

Классификация магматических пород, кроме деления их на глубинные и излившиеся, основана также на содержании в них кремнезема в пересчете на SiO2 (табл. 5).

Таблица 5

Разделение магматических пород по SiO2 имеет практическое значение.

Так, с уменьшением SiO2 в глубинных породах возрастает плотность,

понижается температура плавления, породы лучше поддаются полировке,

окраска их становится темнее.

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. Количество этих минералов может служить показателем степени выветрелости породы.

Свойства пород зависят от особенностей их внутреннего строения и сложения в массиве.

Структура — особенности внутреннего строения породы, обус-

ловленные формой, размерами, количественным соотношением ее составных частей — минералов. В магматических породах различают ряд структур, в

частности: 1) зернистые, типичные для глубинных пород (рис. 7); 2)

полукристаллические (совместное нахождение кристаллов и аморфного стекла); 3) стекловатые, типичные для излившихся пород (рис. 8).

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 обьема в породах возникают тончайшие трещины, которые разбивают массив на отдельные участки (формы). В зависимости от системы 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 в целом снижают качество породы

Трещиноватость пород сокращает количество выпускаемой каменной

продукции, обусловливает фильтрацию подземных вод В России магматические породы широко распространены в горных

районах (Урал, Кавказ и др ), а также в Карелии, Сибири и т. д.

Формы залегания магматических пород. Глубинные горные породы залегают в виде батолитов (рис. 9) — огромных массивов площадью до нескольких сотен километров, залегающих глубоко от земной поверхности,

штоков—ответвлений от батолитов, лакколитов—грибообразных форм,

образованных при внедрении магмы между слоями осадочных толщ; жил,

возникших 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,

возникшие в результате излияния магмы из вулканов Характеристика групп магматических пород Кислые породы (со-

держание SiO2 от 65 до 75 %) являются наиболее распространенными среди магматических пород. Основные их представители: гранит и его излившиеся аналоги — кварцевые порфиры, липариты, вулканические стекла Средние породы (содержание SiO2 от 52 до 65 %). В эту группу входят глубинные породы: диориты (излившиеся аналоги — порфириты и андезиты) и сиениты

(излившиеся аналоги — орптоклазовый порфир и трахит). Основные породы

(содержание SiO2 от 40 до 52 %). В эту группу входит глубинная порода габбро и ее излившиеся аналоги — диабаз и базальт. Ультраосновные породы

(содержание SiO2 менее 40 %) имеют только глубинное происхождение, не содержат полевых шпатов и кварца. Распространение очень ограниченное.

На поверхности земли неустойчивы и легко поддаются выветриванию. К ним относятся пироксениты, перидотиты, дуниты.

Инженерно-геологическая характеристика некоторых интрузивных пород. Среди интрузий наиболее распространенными являются породы кислого состава: граниты, гранодиориты, кварцевые диориты. Они лежат в основе строения древних кристаллических изитов: Балтийского,