- •ЧАСТЬ I. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ
- •Введение. Основные задачи и значение инженерной геологии
- •Глава 1. Основные сведения о Земле
- •§ 1. Происхождение Земли
- •§ 2. Форма, масса и плотность Земли
- •§ 3. Строение Земли
- •ЧАСТЬ II. МИНЕРАЛЫ И ГОРНЫЕ ПОРОДЫ
- •§ 1.3. Метаморфические процессы минералообразования
- •§ 2. Строение минералов
- •§ 3. Химический состав минералов
- •§ 5. Классификация и распространенность минералов
- •§ 1. Структура и текстура горной породы
- •§ 2. Магматические горные породы
- •§ 3. Осадочные горные породы
- •§4. Метаморфические горные породы
- •ЧАСТЬ III. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕКТОНИКЕ
- •§ 1. Колебательные движения земной коры
- •§ 2. Складчатые и разрывные движения
- •§ 3. Ненарушенное и нарушенное залегание горных пород
- •§ 1. Трещиноватость горных пород
- •§ 2. Геометрические элементы тектонических разрывов
- •ЧАСТЬ IV. ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ИСТОРИЯ ЗЕМЛИ
- •ЧАСТЬ V. ГРУНТОВЕДЕНИЕ
- •ЧАСТЬ VI. ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ
- •Глава 1. Виды подземных вод
- •Глава 2. Химический состав подземных вод
- •Глава 3. Законы движения подземных вод
- •§ 1. Связь расхода и напора подземного потока
- •§ 2. Общие условия движения подземных вод
- •§ 3. Методы определения коэффициента фильтрации
- •Глава 4. Воздействие подземных вод на горные породы и грунты
- •§ 1. Гидростатическое и гидродинамическое давление в нескальных грунтах
- •§ 2. Явление плывунности
- •ЧАСТЬ VII. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
- •Глава 1. Выветривание и связанные с ним явления
- •§ 1. Виды выветривания
- •§ 2. Меры борьбы с процессами выветривания
- •§ 3. Геологическая деятельность ветра
- •Глава 2. Геологическая деятельность атмосферных и поверхностных вод
- •§ 1. Виды речных долин и русловых отложений
- •§ 2. Методы борьбы с негативными последствиями геологической деятельности атмосферных и поверхностных вод
- •§ 1. Ледники, моря и озера. Защита берегов
- •§ 2. Неблагоприятные процессы и явления, возникающие на искусственных водохранилищах и меры борьбы с ними
- •Глава 4. Суффозия механическая и химическая. Плывуны. Методы борьбы с суффозией и плывунами
- •§ 1. Суффозия механическая и химическая
- •§ 2. Методы борьбы с суффозией и плывунами
- •Глава 5. Движение грунтов на склонах и откосах. Меры предупреждения и борьбы с оползнями
- •§ 1. Движение грунтов на склонах и откосах
- •§ 2. Меры предупреждения и борьба с оползнями
- •Глава 6. Процессы и явления, связанные с промерзанием и оттаиванием грунтов
- •Глава 7. Просадочные явления
- •Глава 8. Процессы и явления, возникающие в грунтах под сооружениями
- •ЧАСТЬ VIII. ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗЫСКАНИЯ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА
- •Глава 1. Стадии проектирования
- •Глава 2. Методы инженерно-геологических исследований
- •Глава 3. Инженерно-геологические исследования для гидротехнического строительства
- •БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
- •СОДЕРЖАНИЕ
22
Процессыокисленияпротекаютвовсехжелезо-магнезиальныхми- нералах.
Химическоевыветривание, связанноесокислением, определяется границейраспространениясвободногокислорода(кислороднойповерхностью). Приповерхностныйучастокземнойкоры, ограниченныйкислородной поверхностью, называется зоной окисления.
Осадочный процесс минералообразования. Разрушенные в результатевыветриваниямассыпородиминераловперемещаютсятекущимиводами. Приэтомпроисходитсортировкаматериалаиегоотложение. Так образуются механические осадки, имеющие очень широкое распространение (гравий, песок, глина – всямасса обломочных горных пород).
Химическое осаждение минералов происходит как из истинных, так и из коллоидных растворов. В водоемах возникали такие условия, когда растворенные вещества больше не могли находиться в растворе и выпадали на дно водоема. Таково происхождение многих солей(галита, гипсаидругих); это– химическиеосадки. Накоплениесолейпроисходило в условияхсухого климата при испарении воды. Последовательность осаждениясолейопределяетсяихконцентрацией, составомитемпературойводы. Омасштабахэтогопроцессаможносудитьпомощностисоляныхзалежей, котораянанекоторыхместорожденияхдостигаетнескольких сотен метров.
Большую роль в разрушении минералов и пород и в их новообразованиииграютживыеорганизмы(главнымобразом– бактерии). Поэтомуможновыделитьбиохимическийпроцессминералообразования. Доказаноучастиеорганизмоввобразованиифосфоритов, самороднойсеры, руд Fe и Ni. Минералы, образовавшиеся при участии организмов, называютбиолитами. Кбиолитамможноотнестиигорныепороды: известняки, мел, каменный уголь, торф, горючие сланцы и, возможно, нефть.
§ 1.3. Метаморфические процессы минералообразования
Данные процессы связаны с изменениями магматических и осадочныхпородлибоназначительнойглубине, подвоздействиемвысоких температур и давлений – так называемый региональный метаморфизм, когда сравнительно большие участки земной коры испытывают опускание, либоподвлияниемгазовипаровводы, отделяющихсяотмагматическихочагов– такназываемыйгидротермальныйметаморфизм, либона контактемагматическоговысокотемпературногоочагасвмещающейпородой– контактовыйметаморфизм. Возникающиевэтихусловияхпреобразованныегорныепородыназываютсяметаморфическими. Имсвойственны характерные минералы.
Всепроцессыобразованияипреобразованияминераловигорных пород можно отобразить на следующей схеме (рис. 2.1).
|
23 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Магматические |
|
|
|
Метаморфические |
горные породы |
|
|
|
горные породы |
|
|
Осадочные гор- |
|
|
|
|
|||
|
|
ные породы |
|
|
|
|
|
|
|
Минералы магматического происхождения
Химические элементы магмы
Минералы химического происхождения
Химические элементы в растворах
Минералы органического происхождения
Химические элементы в организмах (останках)
Рис. 2.1. Схема образования и преобразования минералов и горных пород.
§ 2. Строение минералов
Минералы – это вещества, главным образом кристаллические и, значительно реже, некристаллические (аморфные).
Кристаллическиевещества(кристаллы) имеютопределенныйпо-
рядок в пространственном расположении составляющих их частиц: атомы, ионы и молекулы, составляющие кристалл какого-либо минерала имеют определенное упорядоченное расположение.
Вообщекристаллы, природныеиискусственные, изучаетгеологическая наука кристаллография (их форму, внутреннее строение, происхождение и свойства). "Кристаллос" по-гречески – лед. Так в древности называлиилед, игорныйхрусталь(разновидностьминералакварца), полагая, что он, как и лед, образуется при низкой температуре. Впоследствии кристаллами стали называть любые твердые тела (в том числе и искусственные), имеющие многогранную форму.
Кристаллическим веществам присущи следующие важнейшие свойства:
−анизотропность(неравносвойственность). Физическиесвойства такихвеществодинаковывпараллельныхнаправленияхинеодинаковыв непараллельных: этотеплопроводность, твердость, упругость, светопреломление и другие свойства.
−способностьсамоограняться. Присвободномростекристаллыограничиваются плоскими гранями и прямыми ребрами, принимая форму многогранников.
24
−симметрия(закономернаяповторяемостьврасположениипредметов и их частей на плоскости и в пространстве).
Закономерное расположение атомов внутри минерала образует кристаллическуюпространственнуюрешеткуихарактеризуетструктуру кристалла (см. рис. 2.2).
Внешнимпризнакомкристаллаявляетсяегоправильнаягеометрическая (симметричная) форма, ограниченная плоскостями – гранями, прямыми ребрами и точками пересечения ребер – вершинами.
Ребра кристаллов представляют собой ряды кристаллической решетки, грани – ее плоские сетки.
Эти грани, ребра, и углы при вершинах образуют всевозможные, иногда довольно сложные многогранники. Их количество велико, но не бесконечно: существует тридцать две так называемые простые формы кристаллов; скомбинациямипростыхформмногогранниковзначительно больше (несколько сотен).
Рис. 2.2. Пространственная решетка кристалла: а) ряд; б) плоская сетка.
Законпостоянствагранныхуглов: каждомукристаллуприсуще совершенноопределенноеколичествовершин, ребериграней, ктомуже углы между гранями всегда остаются постоянными.
Такимобразом, всекристаллыкакого-либоминерала, независимо от величины кристаллов, способов их образования, формы и размеров граней будут иметь одинаковый угол между гранями.
Нередко только по беглому взгляду на кристалл можно сразу назвать минерал. Некоторые минералы образуют кристаллы простой фор-
25
мы, ночащевстречаютсякомбинациинесколькихформ. Приэтомзакон постоянства гранных углов сохраняется.
Аморфныевеществахарактеризуютсябеспорядочнымрасположениемсоставляющихихэлементарныхчастиц. Вэтомотношенииаморфные вещества аналогичны жидкостям, расплавам или так называемым «твердым жидкостям» (стекло).
Вприродеаморфны, главнымобразом, минералыэкзогенногопроисхождения, хотя встречаются и эндогенные и метаморфические.
Ваморфныхминералахфизическиесвойствавовсехнаправлениях одинаковы, тоестьэтиминералыизотропные. Аморфноесостояниеминералов является неустойчивым и, с течением времени, они переходят в кристаллическоесостояние(например, вулканическоестеклораскристаллизовывается).
Взависимостиотусловий, процессобразованиякристалловневсегда происходит равномерно. Чаще, одни грани развиты хорошо, другие значительноотстаютвразвитииилинеразвиваютсявообще. Такобразу-
ютсятаблитчатые, пластинчатые, игольчатые, призматическиеидру-
гие формы кристаллов.
Одиночные кристаллы минералов в природе сравнительно редки, распространеныобычноразличныесросткикристаллов, причем, иногда, этосросшиесявместеиндивидуумыразличныхминералов. Взависимости отвнешнейформысрединихразличаютзернистыемассы, друзы, щетки,
секреции, конкреции и другие формы.
§ 3. Химический состав минералов
Химическийсоставвминералогии, вотличие, например, отаналитическойхимии, выражаетсянеэмпирическимиформулами(которыепоказываютколичественныесоотношенияэлементов), аструктурными, которыепоказываютхарактервзаимнойсвязиэлементоввструктуреминерала. В минералах важно выделять катионные и анионные комплексы.
Значительноеколичествоминераловимеетразличныепримеси. Примесибываютмеханические– ввидегазов, растворов, взвешенныхчастиц
иизоморфные – в виде отдельных элементов, входящих в кристаллическуюрешеткуминераланенарушаяегоцелостности. Приэтомизоморфныезамещениямогутбытькаквкатионном, такиванионномкомплексе
иотэтихпримесеймогуточеньсильноизменитьсяфизическиесвойства
идаже облик минералов.
Например, широкораспространенныйминералкорунд(впросторечии– наждак) выражаетсяформулойAl2O3. ЗамещениевкристаллическойрешеткечастиAl2O3 наCr2O3 превращаетневзрачныйнаждаквдрагоценный красный рубин, а если Al2O3 замещается на CuO и Fe2O3, то получается синий сапфир.
26
Многиеминералыприодномитомжехимическом составемогут иметьразличнуюструктуру(кристаллическуюрешетку) ивнешнийоблик кристаллов, а, следовательно, и различные физические свойства.
Этоявлениеносит называниеполиморфизм. Например, углерод, в зависимостиотусловийкристаллизации, можетобразовыватьлибоалмаз
– самоетвердоеминеральноевеществосоченьплотноупакованнойкристаллической решеткой, либо весьма мягкий графит. Это – две полиморфные разновидности.
Водавминералахвстречаетсяввидецеолитной, кристаллизационной и конституционной воды.
Цеолитная вода (впервые изучена в минералах цеолитах) как бы растворенавминерале; принагреванииминералтеряетцеолитнуюводуи меняет физические свойства, а при помещении в водяные пары восстанавливает воду и связанные с ней свойства.
Кристаллизационная вода связана с кристаллической решеткой минералов в виде молекул H2O. Присоединение или удаление ее посредством высокихтемпературещесильнееизменяетфизическиеихимические свойства минерала.
Например, минералгипсCaSO4.2H2O придегидратациипревращается вангидритCaSO4. Приэтомобъемвеществауменьшаетсяна60%, атакжерезкоизменяетсявнешнийоблик: характерныестолбчатыекристаллы гипса превращаются в тонкозернистую сплошную массу ангидрита.
Конституционная вода еще прочнее связана с кристаллической решеткой минерала. Например, в составе минерала каолинит Al4[Si4O10]. [OH]8 она входит в кристаллизационную решетку в виде иона ОН-. Присоединение такой воды означает образование нового минерала, а удаление – разрушает минерал. Переходы невозможны.
§ 4. Физические свойства минералов
Химический состав и структура минералов придают каждому из них характерные физические свойства и внешние признаки, по кото-
рым можно отличать один минерал от другого.
1. Плотностьминераловколеблетсяот, приблизительно, 1г/см3 до 23г/см3 (платинистыйиридийPt, Jr). Подавляющеебольшинствоминералов имеет плотность 2,5 – 3,5г/см3 (что, кстати, обуславливает среднюю плотность земной коры 2,7 – 2,8г/см3).
Условно все минералы можно разделить на 3 группы:
-легкие, сплотностьюдо2,5г/см3, - галит, гипс, сильвин, самородная сера. Сюда же относятся водные минералы;
-средние(среднейтяжести), сплотностьюот2,5 до4г/см3, - сюда относится подавляющее большинство минералов;
27
- тяжелые, сплотностьюболее4г/см3, - минералы, содержащиетяжелые металлы (сульфиды, окислы, самородные минералы).
Уполиморфныхразновидностейплотностьвышеутогоминерала,
укоторогоплотнееупаковкакристаллическойрешетки(алмаз– 3,5г/см3, графит – 2,2г/см3).
Сравнительноеопределениеплотности(вполевыхусловиях) производитсяпутемвзвешиванияналадоняхдвухпримерноодинаковыхпо размеруобразцов. Приэтом«эталонами» являютсятакиеширокораспро-
страненные минералы как кварц и полевой шпат с плотностью 2,7- 2,8г/см3. Точное определение плотности производится в лабораторных условияхпутемпогруженияобразцаминералав тяжелыежидкости. Су-
ществуют специальные наборы тяжелых жидкостей с шагом около
0,01г/см3.
2. Твердостьминерала– этосопротивлениеповерхностиминерала механическомувоздействию. Относительнуютвердостьминералаопределяют царапаньем по нему другим минералом: более твердый минерал оставитцарапинунаменеетвердом. Абсолютнуютвердостьопределяют приборомсклерометромпутемвдавливанияалмазнойпирамидкивобразец под микроскопом.
Для определения относительной твердости принята 10-балльная шкала Мооса, которая составлена из 10 минералов – эталонов, каждый из которых тверже предыдущего на единицу.
Таблица 2.1
|
Шкала твердости |
|
|
|
|
|
|
Твердость, |
|
Абсолютная |
|
балл по |
Минерал - эталон |
||
твердость |
|||
Моосу |
|
||
|
|
||
1 |
Тальк |
2,4 |
|
2 |
Гипс |
36 |
|
3 |
Кальцит |
109 |
|
4 |
Флюорит |
189 |
|
5 |
Апатит |
536 |
|
6 |
Полевой шпат |
795 |
|
7 |
Кварц |
1120 |
|
8 |
Топаз |
1427 |
|
9 |
Корунд |
2060 |
|
10 |
Алмаз |
10060 |
Нередко, дляопределениятвердостиминералаиспользуютшироко распространенные предметы (особенно если отсутствует минерал – эта-
28
лон). Так, мягкийгрифелькарандашаимееттвердость1 балл, ноготь–2,5 балла, медная монета – 3 балла, железный гвоздь – 4 балла, стекло – 5 баллов, игла или лезвие ножа – 6 баллов, напильник – 7 баллов.
Большинствоминералов вприроде имееттвердостьот2 до 6 баллов; некоторые минералы отличаются различной твердостью в разных направлениях. Например, минералдистенAl2[SiO4]O имееттвердостьпо длине кристалла 4,5 балла, а поперек – 6.
3. Спайность– способностьнекоторыхминераловраскалываться или расщепляться по одному или нескольким направлениям с образованием ровных блестящих поверхностей. Это связано со строением кристаллической решетки минерала (см. рис.2.3).
Рис. 2.3. Плоская сетка кристаллической решетки.
Каквиднонарисунке, плоскуюсеткулегчеразорватьполинииАБ, нежели по линии СД.
Спайность может проявляться в одном направлении (слюда, графит), вдвух(полевыешпаты), втрех(кальцит, каменнаясоль), вчетырех (флюорит) и в шести направлениях (сфалерит).
Спайность подразделяется по степени ее совершенства:
29
-весьмасовершенная– минералылегкорасщепляютсяилираскалываются на отдельные тонкие пластинки с блестящей зеркальной поверхностью (слюда, гипс);
-совершенная– кристаллвлюбомместеколетсяпоопределенным направлениям, образуяровныеповерхности; неправильныйсколполучается очень редко (кальцит, галит, галенит);
-средняя – при расколе получаются как ровные, так и неровные поверхности (полевые шпаты, роговая обманка);
-несовершенная – ровные поверхности при расколе получаются редко (апатит, берилл);
-весьманесовершенная– спайностьотсутствует, прирасколеполучаются только неровные поверхности излома (кварц).
4.Блескминераласвязансотражениемсветовыхлучейотповерхности минерала. По блеску различают две большие группы минералов:
-минералы с металлическим блеском – блестящие непрозрачные минералы, такие как пирит, самородные металлы;
-минералыснеметаллическимблеском– болееобширнаягруппа,
вкоторой, в свою очередь, выделяется несколько различных видов блеска. Как то: алмазный блеск - очень интенсивный блеск немногих прозрачных и просвечивающих минералов (алмаз, сфалерит); стеклянный – блеск, характерныйдляпрозрачныхиполупрозрачныхминералов(кальцит, полевыешпаты, кварц); перламутровый – блесксрадужными переливами, присущийпрозрачнымминералам(мусковит, тальк, гипс); инекоторые другие виды (жирный, шелковистый, матовый, восковый).
-минералысполуметаллическимблеском(похожимнаметаллический, но более слабый);
-минералы, лишенные блеска (землистые массы).
5.Цветминерала. Длянекоторыхминераловцветявляетсяпостоянным признаком. Например, минерал малахит всегда имеет зеленый цвет, киноварь– красная, азурит– синий, пирит– золотистый. Длябольшинства минералов цвет – непостоянный признак. Например, полевые шпаты могут быть белые, серые, желтые, зеленые, красные. А минерал турмалин (из группы сложных бороалюмосиликатов):
Na(Mg,Fe)3(Al,Fe)6[BO3]3[Si6O18](OH,F)4, можетбытьокрашенвообщево всецветарадугиидажевстречаютсяполихромныекристаллытурмалина: один конец розовый, другой конец зеленый, середина белая.
6. Цветчерты. Минералы, твердостькоторыхотносительноневелика, оставляют черту нанеглазурованной фарфоровой пластинке. Цвет этой черты, или, другимисловами, цветминерала в порошке, иногдаотличаетсяотцветаминералавкуске. Например, черныепоцветугематит, хромит, сфалеритоставляют, соответственно, вишнево-красную, желтую и коричневую черту, а золотистый пирит – черную. Цвет черты обла-
30
дает большим постоянством, чем цвет минерала в образце. Для диагностикибольшоезначениеимеетцветчертыминераловсметаллическими полуметаллическим блеском.
7.Оптическиесвойстваминераловизучаютсяподмикроскопом, в очень тонких срезах – шлифах, в проходящем свете. Однако некоторые оптическиесвойстваможноувидетьневооруженнымглазом. Например, припрохождениисветачерезкристаллоптическогокальцита– такназываемогоисландскогошпата, естественныйсветраспадаетсянадвесветовыеволны, распространяющиесясразличнымискоростями. Этоэффект двупреломления света. Предмет, рассматриваемый через пластинку исландского шпата, двоится.
8. При диагностике – определении минерала по внешним признакам, могутбытьиспользованынекоторыеегоспецифические, присущие небольшой группе минералов, свойства:
−магнитность: некоторыеминералы, содержащиежелезо(магнетит), действуют на магнитную стрелку компаса и притягиваются даже слабыми магнитами.
−прозрачность: способностьминераловпропускатьсвет. Постепени прозрачности различают прозрачные минералы (горный хрусталь, исландскийшпат, мусковит), просвечивающиеилиполупрозрачныеминералы (халцедон, гипс) и прозрачные минералы.
−растворимостьвводе: некоторыеминералырастворимывводе,
восновном галоиды и фториды.
−вкус: многиерастворимыевводеминералыимеютвкус: галит– соленый, сильвин – горько-соленый.
−запах: некоторыеминералыимеютхарактерныйзапах: асфальт, сера, арсенопирит FeAsS (при ударе издает запах чеснока).
−растворимостьвкислотах: минералыгруппыкарбонатовреаги-
руют с растворами соляной и азотной кислот (кальцит CaCO3 – бурно вскипает в HCl);
−ковкость: свойство самородных металлов. Максимальная ковкостьузолота: теоретически, золотоможетобразовыватьслойтолщиной
внесколько молекул;
−гибкость характерна для листоватых минералов – слюд.
−горючесть: типичные горючие минералы это самородная сера, янтарь, озокерит.
−радиоактивность: характерна для минералов, содержащих радиоактивные элементы (U, Th, Ra) и изотопы.
−электрические свойства: некоторые минералы обладают электрическими свойствами. Выделяют пиро - и пьезоэлектричество. Пироэлектричество: заряд возникает на концах кристаллов-диэлектриков в