Структуры и текстуры магматических горных пород определяются их генезисом (происхождением).
Магма это лава, поднимающаяся к земной поверхности, быстро охлаждается, вязкость ее увеличивается благодаря постепенной потере воды и газов. Это способствует формированию вулканического стекла с пелитовой или сферолитовой структурой. Последние наиболее характерны для палеотипных излившихся пород и образуются обычно при девитрификации 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 неполнокристаллической 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 текстурой. 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 эффузивов. 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. Магматический 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 мелкозернистые породы более прочны и устойчивы к выветриванию, нежели крупнозернистые.
Установлено, что минералы кристаллизуются в определенной последовательности, 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 использования 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, во-первых, 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 (рис. 17).
Рис. 17. Типы структур магматических пород: а — глубинная порода с зернистой структурой; б — излившаяся порода с порфировой структурой (шлифы и электронно-макроскопические снимки)
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 на содержании в них кремнезема в пересчете на SiO2 (табл. 5).
Состав пород |
Породы |
||
содержание диоксида SiO2, (%) |
минералы |
глубинные |
тлившиеся (аналоги глубинных) |
Кислые породы (75-65) |
Кварц, полевые шпаты (чаще ортоклаз), слюды |
Граниты |
Кварцевый порфир, липарит |
Средние породы (65-52) |
Полевые шпаты (чаше ортоклаз), роговая обманка, биотит |
Сиениты |
Ортоклазовый порфир, трахит |
|
Плагиоклазы, роговая обманка, авгит, биотит |
Диориты |
Порфирит, андезит |
Основные породы (52-40) |
Плагиоклазы (чаще Лабрадор), авгит, иногда оливин |
Габбро |
Диабаз, базальт |
Ультраосновные породы (менее 40) |
Авгит |
Пироксениты |
— |
|
Авгит, оливин, рудные минералы |
Перидотиты |
— |
|
Оливин, рудные минералы |
Дуниты |
— |
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 их внутреннего строения и сложения в массиве.
Структура — внутреннее строение породы, обусловленное формой, размерами, количественным соотношением ее составных частей — минералов. В магматических породах различают ряд структур, в частности: 1) зернистые, типичные для глубинных пород (рис. 18); 2) полукристаллические (совместное нахождение кристаллов и аморфного стекла); 3) стекловатые, типичные для излившихся пород (рис- 19).
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 объема 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.
Рис. 18. Гранит — глубинная зернистая порода.
Рис. 19. Базальт — излившаяся стекловатая порода.
В России магматические породы широко распространены в сорных районах (Урал, Кавказ и др.), а также в Карелии, Сибири и т. д.