Дорожное грунтоведение - Курс лекций

Рис. 3.1. Крсмнекислородные радикалы силикатов и их структуры

1) единичным изолированным тетраэдром {Si^Of) (рис. 3 .1 (1))- 2) диортогруппой (Si20j)6~ (рис. 3.1 (2));

20

2.Цепочечные силикаты (одиночная одномерная цепочка) - пироксены: авгит, анстатит, гиперстен и др. (рис. 3.1 (6)).

3.Ленточные силикаты и алюмосиликаты (сдвоенная цепочка, лента) - амфиболы: роговая обманка и др. (рис. 3.1 (7)).

4.Листовые (слоистые) силикаты и алюмосиликаты (двухмерные) - слюды (мусковит, биотит), тальк, серпентин, каолинит и др. (рис. 3.1 (8)).

5.Каркасные силикаты и алюмосиликаты (трехмерные): кварц, полевые шпаты (ортоклоз, микроклин и др.), цеолиты (рис. 3.1 (9)).

Силикаты можно расположить в 2 ряда по признакам сжимаемости и степени выветривания (рис. 3.2).

По сжимаемости

По возрастающей степени выветривания

Рис. 3.2. Классификация силикатов

Атомы в кристаллах силикатов расположены закономерно наподобие узлов пространственной решетки. Благодаря этому минералы имеют вид правильных многогранников.

Если минералы не имеют внешних признаков правильного строения, их называют некристаллическими, или аморфными.

21

Силикаты представляют собой 1/3 всех известных минералов и составляют примерно 85% состава земной коры.

Наибольшее распространение и значение имеют следующие минералы.

Полевые шпаты - не растворимые в воде, характеризуются большой твердостью (6,0 по шкале Мооса), совершенной спайностью, стеклянным блеском. Различают два основных вида полевых шпатов: 1) калиево-натриевые (ортоклаз); 2) кальциево-натриевые (плагиоклаз). Ортоклазы входят в состав гранитов, гнейсов, сиенитов.

Слюды - сложные кислоты алюмосиликатов. Различают два основных вида: 1) биотит (черная слюда); 2) мусковит (белая слюда). Имеют совершенную спайность, твердость 2-3, стеклянный блеск, плотность 2,7...3,1 г/см3.

Кальцит - минерал вторичного происхождения. Цвет белый, блеск стеклянный, излом по спайности, плотность 2,7 г/см3, твердость 3, входит в состав мрамора, вскипает при действии 10%-ной соляной кислоты.

Кварц Si02. Твердость 7, спайность отсутствует, излом раковистый, плотность 3,5 г/см3.

Бурый железняк или лимонит (2Fe203 • ЗН20). Цвет коричневый, твердость 1 ...5,5, плотность 3,5 г/см3.

Гипс (CaS04 • 2Н20). Твердость 2, блеск стеклянный, слойность весьма совершенная, плотность 2,3 г/см3.

Самый твердый минерал - алмаз - в 1000 раз тверже кварца и в 140 раз тверже корунда.

3.2.Первичные и вторичные минералы

Впроцессе химического выветривания верхние слои земной коры обогащаются различными соединениями, в результате чего минералы подразделяются на первичные и вторичные.

Первичные представляют собой минералы, полностью перешедшие в состав горных пород в неизменном виде. К ним относятся кварц, полевой шпат, слюды и др.

Вторичные образуются в процессе химических изменений первичных минералов. К ним относятся глинистые минералы, которые подразделяются на три основные группы: 1) каолинита; 2) монтмориллонита; 3) гидрослюды.

22

В группу каолинита входят минералы: каолинит, галлуазит и др. Они обладают прочной неподвижной кристаллической решеткой, небольшой набухаемостью при увлажнении и малой способностью к поглощению различных веществ. В основе структуры каолинита Al2(0H)4[Si205lWCD [19] лежит листовая группировка кремнекислородных и алюмокислородных атомов (рис. 3.3).

Образование листа начинается атомами кислорода, потом следуют слой кремния, слои кислородных атомов с участием гидроксильных групп, слой атомов алюминия; завершается слоем гидроксильных групп. Такая структура создает структурный пакет, Элементарная ячейка сложена двумя пакетами. Два смежных пакета обращены друг к другу разноименными слоями, несущими противоположные заряды, - этим объясняется отсутствие способности набухать в одном направлении. При замораживании каолинит вспучивается в 10 раз больше, чем монтмориллонит.

В группу монтмориллонита входят минералы: монтмориллонит, бейделит и др. Монтмориллонит в отличие от каолинита характеризуется более высокими дисперсностью (раздробленностью) частиц, пластичностью и водопоглощением. При увлажнении грунтов, содержащих монтмориллонит, их объем может увеличиваться в 10...20 раз. Такие грунты при увлажнении приобретают чрезмерную липкость, сильное набухание и большую осадку при высыхании.

Пакет монтмориллонита {(Mgo^Ali.67)(OH)2[Si2O5]20ra)} • N a ^ ^ O ^ [19] (рис. 3.4) начинается и заканчивается слоями атомов кислоро-

23

да, за которыми идут слои атомов кремния, затем - слои кислородных атомов с участием гидроксильных групп; в центре располагается слой атомов алюминия.

' Ом

О

^ С Т Оо

Рис. 3.4. Схематическое изображение структуры монтмориллонита

Пакеты обладают симметричным строением. Поскольку по их краям располагаются атомы кислорода, несущие отрицательный заряд, два соседних пакета будут отталкиваться друг от друга, и молекуле воды легче проникнуть между пакетами, чем внутрь структуры пакета.

Гидрослюды по своим свойствам занимают промежуточное положение между каолинитом и монтмориллонитом.

Вопросы для самопроверки

1. Сколько сводных атомов имеет группа островных силикатов, составленная из четырех тетраэдров?

2.Нарисуйте кристаллохимическую структуру диортогруппы.

3.Структура какого минерала представлена каркасным силикатом?

4.Какой из минералов имеет наименьшую степень выветривания?

5.Какой минерал, входящий в шкалу твердости Мооса, имеет в своем составе две молекулы воды?

6.Какое физическое свойство обусловливает отражение солнечного света?

7.Какая структура имеет наибольшее сопротивление сжатию?

8.Как называются минералы, не имеющие внешних признаков правильного строения?

24

9. К каким минералам относится такой представитель сложных кислот алюмосиликатов, как мусковит?

10. Назовите минерал, который способен увеличивать свой объем при замораживании.

4. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МАГМАТИЧЕСКИХ ПОРОД

4.1.Основные подразделения пород по генетическим признакам

Под генетическим подходом следует понимать анализ геологической истории развития территории, сложенной изучаемыми горными породами. В основе генетического изучения горных пород лежит их подразделение на три основные группы:

1)магматические;

2)метаморфические;

3)осадочные.

Горные породы - минералогические образования, состоящие из одного или нескольких минералов, обладающие постоянным минералогическим составом и образующие земную кору.

Горные породы, сформировавшиеся в одних и тех же условиях и имеющие один и тот же геологический возраст, могут отличаться по своим свойствам, что объясняется постгенетическими преобразованиями.

4.2. Минералы, определяющие химический состав магматических пород

Магматические горные породы образовались в результате внедрения и остывания проникших из глубин в земную кору магматических масс (каменных расплавов) или излияния их на поверхность.

Химический состав магматических пород определяется составом минералов, образующих породы. Это - окислы и силикаты.

К окислам относится кварц БЮг. Силикаты представляют собой сложные соединения элементов - Si, Al, Fe, Са, Mg, Na, К, О, Н - в виде различных солей кремниевых кислот. К силикатам относятся: полевые шпаты, слюды, роговая обманка, авгит и др.

25

4.3. Классификация магматических пород

Магматические породы по инженерно-геологической классификации относятся к скальным и являются хорошим основанием для сооружений. В земной коре различают около 600 разновидностей магматических горных пород.

Химический состав магматических пород определяется содержанием кремнезема Si02. По этому показателю магматические породы подразделяются на:

1)кислые (Si02 = 65... 75 %);

2)средние (Si02 = 52...65 %);

3)основные (Si02 -40.. 52 %);

4)ультраосновные (Si02 < 40 %).

Классификация магматических пород (табл. 4.1) по содержанию Si02 имеет практическое значение. Окраска от кислых к основным породам изменяется от светлой до темной в зависимости от содержания цветных минералов (роговой обманки, авгита, биотита) от 5... 10% до 100%. Плотность также изменяется: у кислых 2,6... 2,7 г/см3, у основных 2,8... 3,1 г/см3.

Магматические породы подразделяются также по происхождению, условиям образования и залегания на: 1) глубинные (интрузивные); 2) излившиеся (эффузивные); 3) жильные (гипабиссальные).

Интрузивные породы образовались в результате замедленного остывания магмы. Для них характерна полнокристаллическая (зернистая) структура. К интрузивным породам относятся: граниты, сиениты, диориты, габбро.

Эффузивный магматизм проявляется в виде трещинных излияний на поверхность или вулканических извержений. В зависимости от скорости остывания магмы и выделения из нее газов возникают структуры эффузивных пород: 1) порфировая; 2) стекловатая; 3) пористая.

В порфировой структуре на фоне основной массы имеются отдельные крупные кристаллы, обычно - полевого шпата, что свидетельствует об относительно медленном остывании магматических масс.

Стекловатая структура образуется при быстром охлаждении магмы.

Пористая структура образуется при бурном выделении газов в процессе остывания излившейся магмы.

26

К эффузивным породам относятся: кварцевые порфиры, обсидиан, пемза, порфирита, андезиты, базальты, диабазы.

Жильные образования - это трещины, заполненные магмой. Их мощность - от 1 до 3 км.

Магма изверженных пород застывает в виде различных по форме тел: 1) батолитов; 2) лакколитов; 3) различных жильных образований (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Схема магматических тел

Батолит - большое по площади интрузивное тело (до 10000 км2), по глубине практически не ограниченное.

Шток - тот же батолит, но меньшего размера.

Лакколит - караваеобразная интрузия, имеющая плоскую подошву, - например, гора Аю-Даг (Медведь-гора) в Крыму. Перевернутый лакколит называется силла.

Дайки - «вертикальные жилы» - могут быть наклонными и пересекать несколько пластов.

Покровы - застывшая магма, растекшаяся на поверхности Земли, образованная при трещинном излиянии.

4.4. Характеристика важнейших представителей класса

Граниты - интрузивная полнокристаллическая порода из класса кислых. Прочность изменяется от 48 до 270 МПа.

28

К этому же классу кислых, но эффузивных, относятся кварцевые порфиры, обсидиан, пемза, имеющие структуру соответственно порфировую, стекловатую и пузыристую стекловатую.

Граниты распространены на юге Украины и на Кольском полуострове.

Сиениты по внешнему признаку напоминают граниты, но отличаются отсутствием кварца и большим содержанием цветных минералов (10... 15%, в то время как граниты содержат 5... 10%). Относятся к классу интрузий. Распространены в области Украинского кристаллического щита и на Урале. Из сиенитов в древние времена выполняли скульптурные изваяния (например, сфинксы на берегу

р.Невы в Санкт-Петербурге).

Ктому же классу средних, но эффузивных, пород относятся порфиры, трахиты - эффузивные представители сиенитовой магмы.

Кгруппе основных относятся: габбро - интрузивные и базальты - эффузивные. Габбро - порода со средней и крупнозернистой структурой темно-зеленого, иногда черного цвета. Особенно распространены на Украине и Урале. Базальты - эффузивные представители габбровой магмы. Структура от полнокристаллической до стеклова-

той в зависимости от мощности залежи. Распространены базальты в Восточной Сибири, на Кавказе и в Армении.

Дополнительный материал по данному разделу можно посмотреть в учебном пособии «Дорожное грунтоведение и механика земляного полотна дорог» [6].

Вопросы для самопроверки

1. Как сказывается на плотности магматической породы увеличение содержания цветных минералов?

2.К какому классу относится магматическая порода, если содержание Si02 в ней составляет 51%?

3.Как называется структура породы, если на фоне основной массы имеются отдельные крупные кристаллы?

4.На сколько групп разделяются горные породы по генетическим признакам?

5.Как называются магматические породы, образовавшиеся в глубине земной коры?

29