Мета роботи: визначення генетичних типів гірських порід за зовнішніми ознаками, вивчення їх властивостей та практичного застосування.

1. Короткі теоретичні відомості

Інженерна геологія вивчає будову та склад земної кори, геологічні процеси, які зумовлюють зміни умов залягання гірських порід та стійкість окремих її діля­нок. Земна кора складається із сукупності гірських порід та мінералів.

Мінерал - це самородний елемент або природна хімічна сполука, яка має своєрідний комплекс фізико-хімічних властивостей. Відомо понад 2000 мінералів.

Гірські породи - це агрегати або суміші мінералів (мінеральні агрегати) певного складу і будови, які виникли в результаті різних геологічних процесів і залягають в земній корі у вигляді самостійних тіл.

Мінералогічний склад кожної гірської породи є порівняно постійним і визначається наявністю в ній певних мінералів. Основні мінерали, шо переважа­ють за вмістом в породі, називають породоутворювальними. За ними розпізна­ють гірські породи. Мінерали, вміст яких є незначним, називають акцесорними (додатковими). Відомо близько 1000 гірських порід. Гірська порода яка склада­ється з одного мінералу, називається мономінеральною (кварцовий пісок, гіпсо­вий камінь, мармур). Полімінеральні породи складаються з багатьох мінералів. Хімічний склад гірської породи визначається її мінералогічним складом.

Походження, хіміко-мінералогічний склад, будову та властивості гір­ських порід вивчає наука петрологія. Залежно від умов утворення (генезису) в земній корі розрізняють три генетичні типи гірських порід: магматичні, оса­дові і метаморфічні. Зв'язок між генетичними типами гірських порід у природному геологічному циклі наведено па рис. 1.

Визначальними під час вивчення і діагностиці гірських порід є такі озна­ки: забарвлення, твердість, густина, мінералогічний склад, структура, тексту­ра, особливі ознаки. Відмінними ознаками гірської породи є мінералогічний склад, структура та текстура. У складі гірських порід переважають мінерали класу силікатів. На їх частку припадає 85 % усіх гірських порід земної кори. Мінералогічний склад визначає лише речовинний склад гірської породи. Умо­ви утворення гірських порід встановлюють за допомогою вивчення їх структу­ри та текстури.

Структура характеризує особливості внутрішньої будови гірської породи, які зумовлені розмірами, формою, кількісним співвідношенням мінералів, характером зв'язків між частками породи. Структура буває кристалічна, і напівкри-сталічна, аморфна (склиста).

Рис. 1. Геологічний цикл утворення гірських порід В+3 - виверження та застигання; М-метаморфізм; Р+П-руйнування . та перенесення; Д - діагенез (ущільнення, цементація, заміщення і перекристалізація)

Текстура характеризує спосіб заповнення простору гірської породи, тобто відображає особливості зовнішньої будови: масивність, шаруватість, пористість. Отже, текстура буває масивна, шарувата, макропориста.

1.1. Магматичні гірські породи

Під час утворення магматичних гірських порід, магма - в'язкий силіка­тний розплав, який має температуру від 1000 до 1300 °С - надходить у товщу земної кори або на її поверхню із магматичних осередків.

Якщо магма не досягає поверхні й твердне на певній глибині товщі земної кори утворюються глибинні (інтрузивні) магматичні породи. Якщо магма виливається на поверхню і твердне - утворюються виливні (ефузивні) магматичні породи. Окрему групу складають вулканічні породи. Магматичні породи називають ще первинними.

Твердіння магми на глибині відбувається повільно, в умовах великих тисків. Цей процес триває іноді тисячі й мільйони років. За цей час встга ають викристалізуватися всі мінерали. Спочатку кристалізуються найбільш туго­плавкі мінерали, а потім мінерали з нижчою температурою плавлення. Твердіння магми на невеликій глибині або на поверхні земної кори відбувається швидко, за низького тиску. В цих умовах встигають викристалізуватися лише найтугоплавкіші мінерали, а решта мінералів твердне, утворюючи мікрокри-

сталічну або аморфну (склисту) масу. Вилита на поверхню магма зветься ла­вою. З лави бурхливо виділяються гази, що містяться в ній, і спінюють її. В ре­зультаті застигла лава є більш пористою. Особливості умов утворення гли­бинних та виливних порід зумовлюють певну відмінність у структурі та текстурі цих порід.

Для глибинних порід характерною с повнокристешічна структура, за якої всі мінерали, які складають породу, утворюють кристали, котрі можна ба­чити неозброєним оком. Оскільки застигання магми на певній глибині відбу­вається новітьно і всі мінерали "встигають" викристалізуватись у зерна значних розмірів. Залежно від розмірів кристалів повнокристалічна структура глибинних порід поділяється на: дрібнозернисту (до 2 мм); середньозернисту (2-5 мм); крупнозернисту (5-10 мм); грубозернисту (понад 10 мм). Міцність і морозо­стійкість гірської породи протилежні до розміру кристалів, які її складають. Структура виливних гірських порід, залежно від швидкості і конкретних умов застигання магми, може бути прихованокристалічною, порфіровою або аморфною (склоподібною). Розміри кристалів у прихованокристалічній структурі такі, шо їх не можна побачити неозброєним оком. Порфірова структура характеризується тим, що серед основної прихованокристалічної маси спостерігаються окремі, не зв'язані між собою кристали. Під час утво­рення виливних магматичних порід із аморфною структурою швидкість засти­гання магми була такою великою, що кристалізація не відбулася, а утворилась однорідна склоподібна маса (вулканічне скло).

Більшість глибинних порід мають однорідну (масивну) текстуру, за якої усі мінерали, які складають породу, розміщені у всіх напрямках рівномірно. Текстура виливних магматичних порід може бути суцільною у вигляді щільної прихованокристалічної або порфіроподібної маси. Для вулканічних порід характерною є пориста текстура.

Хімічний та мінералогічний склад. Залежно від вмісту у магматичшгх породах БіОг їх класифікують на такі класи:

- ультракислі (SiO₂>75 %);

- кислі (SiO₂=65-75 %);

- середні (SiO₂=5-65 %);

- основні (SiO₂=45-52 %);

- ультраосновні (SiO₂<45 %).

Мінералогічний склад магматичних порід закономірно змінюється із вмістом SiO₂. їх основними породоутворюючими мінералами є кварц, польові шпати (ортоклаз, мікреклин, плагіоклаз), рогова обманка, авгіт, слюди (біотит, мусковіт), олівін тощо.

Забарвлення. Зміна хіміко-мінералогічного складу' порід із зміною вмісту Si0₂ зумовлює і зміну забарвлення. Так, кислі та середні породи, які містять кварц, польові шпати, зазвичай забарвлені у світлі тони - рожеві, сірі, зелену­ваті, бежеві. Основні та ультра основні породи, які містять велику кількість темнозабарвлених мінералів класу залізисто-магнезіальних силікатів, мають, як правило, темно-зелений, темно-сірий, буро-зелений кольори.

Отже, для розпізнавання магматичних гірських порід необхідно знати особливості їх структури, текстури та мінералогічного складу. Коротка харак­теристика магматичних гірських порід різних класів і підгруп наведена у табл. 1.1. та додат. А.

Найпоширенішим із магматичних (вивержених) гірських порід є грані г. В його складі міститься 20-40 % вільного кварцу, що надає йому високої атмосферної стійкості і міцності. Структура граніту є дрібно-, середньо- і круп-нозернистою. Широко застосовується як конструкційний матеріал в мостобуду­ванні, гідротехнічних спорудах, дорожньому будівництві. Середньо- і крупно-зернисті різновиди граніту застосовують як облицювальний матеріал, а також для архітектурного оздоблення будинків і споруд. Граніт радіоактивний. Колір граніту зумовлений наявністю польових шпатів (до 70 %), слюди і темнозабар­влених мінералів і буває від сірого до червоного кольору.

Сієніт - відрізняється від ірапіту вщеутністю кварігу. Густина 2,9 г/см . Бі­льше схильний до вивітрювання (руйнування), характеризується меншою міцні­стю порівняно з гранітом. Краще полірується. Використовується аналогічно граніту.

Діорит - темно-зеленого кольору, оскільки складається з кальцієвого польового шпату. Використовується для виготовлення шашки, бордюрів, як облицювальний матеріал.

Габро - містить до 75 % польових шпатів, в'язкість дуже висока, міц­ність до 400 МПа. Добре полірується, розколюється на зразки правильної форми. Використовується як конструктивний, облицювальний та оздоблю­вальний матеріал.

Лабрадорит - різновидність габро. Єдине на території СНД Головинське родовище лабрадориту знаходиться в Житомирській обл. в Черняховському районі потужністю 13545 тис. м', а добувають його всього 8 тис. м³ на рік. Для лабрадориту характерна іризація, тобто переливання кольорів.

До виливних магматичних порід належить діабаз - характеризується високим зчепленням з органічними в'яжучими, тому це ефективний матеріал для асфальтобетону. Низька температура плавлення (1200 - 1400 °С) діабазу дає змогузастосовувати його для кам'яного литва. Після переплавлення одержують матеріал з міцністю 500 МПа.

Класифікацій магматичних порід

Глибинні	Виливні		Вулканічні	Клас породи та її забарвлення за вмістом в ній БіО?	Характерні мінерали
Структура повпо-кристалічна Текстура однорідна (масивна)	Структура: прихованокристалічна, порфірова, аморфна. Текстура -суцільна щільна або пориста
	Древні	Молоді
1. Граніт. Колір сірий, рожевий, червоний. 2. Пегматит. Відмінний від гра­ніту великими (>10мм) кристалами	9. Ріолп (кварцевий порфір). Структура по­рфірова. Колір червонувато-бурий	10. Ліпарит. Структура приховано­кристалічна. Колір білий, сірий, жо­втий	16, Пемза. Однорідна порода пористої текстури.	І. Кислі Світле	Переважає по­льовий шпат. Кварцу>4С %. Темнозабарв­лених мінера­лів класу силі­катів 5-10%
3. Сієніт. Колір світло-рожевий, сірий або білий. Відрізняється від граніту відсутні­стю кварцу 4. Діорит. Колір темно-зелений. Дрібнозерниста структура	11. Андезито-базальт (пор­фірит). Колір темно-зелений. Структура по­рфірова (на фоні темної приховано-кристалічної маси видно окремі світлі кписгя	12. Трахіт. Структура приховано­кристалічна. Текстура по­риста Колір світло-сірий. 13. Андезит	17. Обсидіан (вулканічне скло). Структура аморфна	II. Середні ЗІ02=65-52% Світлих відтінків	Переважає польовий шпат. Темнозаба­рвлених мінералів класу силікатів біля 15 %. Кварц практично відсутній
5. Габро. Колір темно-зелений. Круїшозерниста структура 6. Лабрадорит	14. Діабаз. Структура перехідна від повнокристалі-чної до прихо-вано-крисіа-лічної. Колір темно-зелений	15. Базальт. Структура приховано­кристалічна. Колір від сі­рого до чо­рного	18. Вулкані­чний туф.	Ш. Основні 8іОг=52-40% Темні відтінки	Переважає шіагіоклаз. Темнозабарв­лених мінералів біля 35-40%. Кварцу немає
7. Дуніт 8. Піроксеніт	-	-		IV. Ультра основні БЮ2<40 %. Від темних до чорних кольорів	Переважає олівін і авгіт. Польових шпатів і кварцу немає

Андезит мас світло-сірий або світло-коричневий та коричневий колір, міцність 280-300 МПа. Використовується для виготовлення крупного заповнювача для кислотостійких бетонів. Є аналогом діориту. Погодостійкий. Добре розколюється у трьох напрямках.

Базальт - аналог габро. Структура прихованокристалічна, іноді склопо­дібна. Відрізняється великою твердістю. Використовується як крупний запов­нювач для бетонів, а також у вигляді штучних блоків. З базальту вигото­вляють грубе, тонке, штапельне і супертонке базальтове волокно. Середня густина штапельного волокна становить до 100 кг/м³, що забезпечує високу тепло- і звукоізоляцію.

1.2. Осадові гірські породи

Зовнішні (екзогенні) геологічні процеси зумовлюють руйнування утворе­них раніше гірських порід, перенесення, відкладення, накопичення і цемента­цію або кристалізацію матеріалу, який перемістився. В результаті таких природних процесів на поверхні землі, на дні водоймищ або в порожнинах карстових печер утворюються гірські породи, які одержали назву осадових.

Отже, осадові гірські породи с вторинними і утворюються із раніше ви­никлих магматичних, метаморфічних та повторно із тих самих осадових. Оса­дові гірські породи складають три четвертих поверхні земної кори. Товщина шарів таких порід може становити до 15 км і більше, тому осадові породи ши­роко застосовують у будівництві як природний кам'яний матеріал та вихідну сировину для одержання штучних кам'яних матеріалів, а також мінеральних в'яжучих. Крім того, ці породи є сировиною для.хімічної промисловості. У шарах осадових порід знаходяться руди багатьох металів і такі корисні копалини як природний газ, нафта.

На існуючі гірські породи діють різноманітні природні чинники (фізичні хімічні, біологічні). Внаслідок фізичного, хімічного, або біологічного руйну­вання магматичних порід утворюються осадові породи. За умовами походжен­ня та нагромадження осадові породи поділяють на:

- уламкові (валуни, галька, гравій), які утворюються під час руйнування інших гірських порід під дією фізико-механічних впливів води, впру, льоду, повітряних потоків з наступним перенесенням та відкладенням уламків у вигляді осадів гравію, піску тощо;

- хімічні (гіпс, мергель, опока), які утворюються в результаті хімічних процесів вивітрювання інших гірських порід (гідролізу, окиснення, гідратації, карбонізації тощо) та випадання осадів з підземних вод,, відкритих і закритих водоймиш. Концентровані природні розчини є джерелом утворення потужних пластових осадів карбонатних, сульфатних, галоїдних, гідрооксидних та шших гірських порід;

- органогенні або біохімічні (вапняк, крейда, трепан, діатоміт), які утво­рюються в результаті відмирання та осадженнярештків живих організмів.

Структура і текстура.

Для уламкових осадових порід є характерною уламкова структура, яка за розмірами зерен поділяється на такі групи:

- грубоуламкова, камінчаста (псефіти) - розмір уламків більший за 2 мм; характерна для гравію, брекчїй, конгломератів;

- середньоуламкова, піщана (псаміти) - розмір уламків 0,1 - 2,0 мм;

- дрібноуламкова, пилувата (алеврити) - розмір уламків 0,01 - 0,1 мм; характерна для лесів, алевритів, алевролітів;

- тонкоуламкова, глиниста (целіти) - розмір уламків менший за 0,01 мм. Тонкоуламкову структуру часто називають земчистою.

Крім того, незалежно від розміру уламків, уламкові породи можуть мати пухку або зцементовану структуру. Пухкі породи являють собою суміш не скріплених між собою уламків різних розмірів. Породи, окремі зерна яких скріплені між собою за допомогою іншої речовини, називаються зцементова­ними, а скріплююча речовина - цементом. Для зцементованих порід характер­на щільна (суцільна) текстура.

Визначаючи уламкові породи, враховують також форму уламків які ви-

вчають візуально або за допомогою лупи. Розрізняють уламки кутасті (необка-тані), округло-кутасті (напівобкатані), округлі (обкатані). За формою зерен можна зробити висновок про походження уламкової породи.

Структура хімічних та органогенних осадових порід здебільшого кристалічно-зерниста:

- крупнокристалічна (зерна більші за 1 мм); середньокрїїсталічна (зерна 0,1 — 1 мм);

- прихованокристалічна, щільна (зерна менші за 0,1 мм).

Для них властива також землиста структура (крейда, боксит, опока).

Менш розповсюдженою є оолітова (сферолітова) структура, коли порода вся або частково складається з радіальних або концентричних за будовою кульок - "рибна ікра". Наприклад, оолітовий вапняк - це маса із щільно притис­нутих "кульок", які складені концентричними оболонками кальциту навколо ядра. Ядром кристалізації може бути піщинка або уламок раковини. Кожна, із вказаних структур залежно від розміру частинок або кристалів породи має уточнювальну назву. Для уламкової структури характерні такі уточнювальні назви: конгломе­ратова, брекчієподібна, грубозерниста (значний вміст зерен понад 1 мм); крупно-, середню-, дрібно- і тонкозерниста (0,05...0Д мм). Якщо розміри частинок породи наближаються до розмірів частинок пилу чи глини, то структура мас, відповідно, назву пилувата (алевролітові) або глиниста (аргілітові).

Найхарактернішою для осадових гірських порід є сланцювата (шарувата) тексіура. Розрізняють горизонтальну, похилу, хвилясту (флюїдальна) шаруваті текстури. Виділяють також текстури у вигляді суцільної щільної чи пористої

маси. Залежно від розміру пор такі текстури називають кавернозними (ніздрю­ватими), крупнопористими або мікропористими.

Мінералогічний ти хімічний склад.

Хімічний склад осадових порід с дуже мінливим і може бути порівняно простим (пісок, гіпс, вапняк) і досить складним (глини).

Існує класифікація хімічних та органогенних осадових порід за хімічним складом:

- карбонатні (вапняк, крейда, магнезит тощо);

- сульфатні (гіпс, ангідрит, тенардит тощо);

- кремнеземисті (трепел, опока тощо).

Хімічний склад уламкових порід відповідає хімічному складу материнських порід, під час руйнування яких вони утворилися.

Мінералогічний склад осадових порід характеризується наявністю трьох груп мінералів:

- кінцевих продуктів руйнування в процесі вивітрювання мінералів материнських порід: глинистих мінералів (каолініт, галуазит, монтморилоніт), гідрослюд, хлоритів, гідрооксидів алюмінію, оксидів і гідрооксидів заліза, марганцю тощо;

- нових мінералів, що утворилися при хімічному осадженні порід: карбонатів, сульфатів, галоїдів, опалу, халцедону тощо;

- стійких проти вивітрювання залишкових мінералів, що входили до складу материнських порід і збереглися без змін: кварцу, циркону, рутилу, іранату, турмаліну, магнетиту, кіаніту тощо.

Крім того, часто до складу осадових порід з більшій чи меншій кількості входять уламки материнських порід, які не зазнали вивітрювання і мають від­повідний мінералогічний склад.

Визначаючи зцементовані породи, окремо розглядають мінералогічний склад цементу, який утворився в результаті осадження в порах і визначає міцність порід. Розрізняють такі види цементу: кременистий (дуже міцний, світлий), карбонатний (закипає під дією НС1), залізистий (бурий), гіпсовий (світлий, м'який), глауконітовий (зелений), глинистий (дуже м'який).

Забарвлення осадових порід визначається їх мінералогічним складом і наявністю домішок. Білий та світло-сірий колір мономінеральних порід, які містять кварц, кальцит, доломіт, гіпс, каолініт, опал тощо, вказує на їх чистоту. Домішки оксидів заліза надають таким породам рожевого, червонуватого кольору; гідроксидів заліза - від жовтих до бурих відтінків; вуглиста речовина, оксиди марганцю, сульфід заліза - темно-сірий і чорний колір, зеленого забарвлення надають домішки таких мінералів, як глауконіт, малахіт, хлорит.

Кольори полімінеральних уламкових осадових порід дуже різноманітні, зу­мовлюються забарвленням наявних в них мінералів та домішок, але найчасті­ше вони є барвистими в тьмяних тонах.

Густина осадових порід відіграє велике значення при їх визначенні. Так, зовні подібні за кольором і структурою породи (наприклад, гіпс і ангідрит, крейда і трепел) легко можуть бути визначені методом приблизного зважування в руці зразків одного розміру.

Особливі ознаки. Точне визначення осадових порід можливе у разі враху­вання, не лише тих властивостей і ознак, які наявні в породі, але і тих, які відсутні: наприклад, корисно відзначити, як порода поводить себе щодо дії со­ляної кислоти, води, який має запах і смак (див. табл. 1.2 та додат. Б). Доцільно визначити твердість породи, дряпаючи її нігтем, ножем, а нею - скло.

Таблиця 1.2