Горные породы


Горные породы
В настоящее время известно около 1000 видов горных пород, которые по своему происхождению делятся на три типа: магматические, метаморфические и осадочные. Земная гора сложена из этих пород, но магматические и метаморфические занимают основное место-95% от общей массы. На поверхности земли наибольшее распространение имеют осадочные породы.


Магматические горные породы
Магматические горные породы состоят из 600 различных видов и разновидностей. Они образуются в результате застывания расплавленной магмы. Магма образуется в недрах земли и представляет собой сложный силикатный расплав, насыщенный различными газообразными веществами и парами воды.
Расплавленная магма, прорываясь по трещинам земной коры, в одних случаях застывает в ее недрах, что приводит к образованию глубинных пород, в других случаях она достигает поверхности земли, разливаясь потоками лавы, и дает начало излившимся породам, которые являются аналогами глубинных.
Условия остывания магмы в глубине и на поверхности земли резко различны. Глубинные магматические породы образуются в области высокого давления, медленного и равномерного остывания. В этом случае происходит полная раскристализация магмы и образуются плотные, массивные, полнокристаллические породы типа гранита, габбро, которые залегают крупными массивами.
Излившиеся горные породы формируются в виде лавовых потоков на поверхности земли. Это происходит при низком давлении и температуре, при быстрой отдаче тепла и газовых компонентов. При таких условиях кристализаци возникают породы с обилием аморфного стекла, часто с большой пористостью. Например, базальт, пемза. Излившиеся породы, образовавшиеся в палеозойскую эру и раньше, называют древними, а  в более позднее время - молодыми.

Структура и текстура магматических горных пород.
        
              Под структурой подразумевают особенности внутреннего строения породы, обусловленные размерами, формой и количественным соотношением ее составных частей-минералов.
Минералы - это минеральное тело определенного химического состава и внутреннего строения.
            В магматических породах по степени их кристалличности различают:
  1. Зернистые (полнокристаллические) структуры;
  2. полукристаллические структуры (совместное нахождение кристаллов и аморфного стекла);
  3. стекловатые, типичные для излившихся пород.
По величине кристаллов структуры делят на:
  1. Крупнозернистые - более 5 мм;
  2. Среднезернистые – 5-1 мм;
  3. Мелкозернистые – менее 1 мм.
Для излившихся пород кроме стекловатой также характерна порфировая структура.
Текстура (сложение) характеризует пространственное расположение составных частей породы в ее объеме. Для магматических пород характерны:
  1. массивная текстура – равномерное, плотное расположение зерен минералов;
  2. полосчатая текстура – чередование в порядке участков различного минерального состава или различной структуры;
  3.  шлаковая текстура – порода содержит видимые глазом пустоты.
Строительные свойства
Строительные свойства невыветрелых магматических горных пород высокие. Это объясняется минеральным составом и жесткими кристаллизационными связями в структурах. Наибольшей прочностью отличаются мелкозернистые и равномернозернистые структуры, менее прочные крупнозернистые, порфировые и стекловатые породы. При оценке качества горных пород следует отдавать предпочтение массивной текстуре.  Полосчатое сложение облегчает разработку, но в целом снижает качество пород. Отдельность магматических горных пород имеет большое значение при разработке (от этого зависит выбор способов производства взрывных работ), в какой-то мере облегчает добычу, раскалывание и обработку пород. В то же время трещиноватость сокращает количество получаемой продукции.
            Магматические горные породы являются наиболее надежным основанием сооружений. На оценку их надежности влияют степень выветрелости, наличие трещиноватости, форма залегания, структурно-текстурные особенности и другие характеристики.

Характеристика главнейших представителей магматических горных пород.
Кислые породы - магматические горные породы, пересыщенные кремнекислотой (65—70%), т. е. содержащие её в избытке, которая выделяется в виде минерала кварца (гранит, диорит и др.) или остаётся растворённой в аморфной основной массе — вулканическом стекле (обсидиан, смоляной камень и другие).
Средние горные породы - магматические горные породы, содержащие 56-65% кремнезёма. К ним относятся, главным образом, полевошпатовые породы с небольшой примесью железомагнезиальных минералов (пироксена, роговой обманки, реже биотита).  Среди полевых шпатов различают средние плагиоклазы (олигоклаз, андезин). По составу веществ среди средних горных пород различают натриевый (диориты, андезиты, порфириты) и калиевый (сиениты, трахиты) ряды. Средние горные породы распространены, главным образом, среди эффузивных пород, в которых андезиты и порфириты преобладают над трахитами и порфирами. Интрузивные породы (диорит, сиенит) распространены значительно меньше.
Основные породы – магматические горные породы, содержащие 44-53% кремнезёма. В эту группу входит глубинная порода габбро и ее излившиеся аналоги – диабаз (древняя порода) и базальт (молодая порода).
Ультраосновные породы - магматические горные породы с низким содержанием кремнезёма 30-45%. Они не содержат полевых шпатов и кварца. К ним относятся пироксениты, перидотиты и дуниты. Все эти породы глубинного происхождения. Ультраосновные породы на поверхности земли неустойчивы и легко поддаются выветриванию. Используются как строительный и отделочный камень. Дуниты - ценное сырье для изготовления огнеупорных кирпичей.

Метаморфические горные породы.
Метаморфические горные породы образуются в результате глубоких изменения и преобразований магматических и осадочных пород в процессе метаморфизма – под влиянием высокой температуры, давления и химически активных веществ. Эти факторы метаморфизма вызывают изменения химического, минерального составов и структуры исходных пород.
Метаморфические горные породы по внешнему виду и условиям залегания занимают промежуточное место между магматическими и осадочными. По минеральному составу они ближе к магматическим. Наиболее типичными для них минералами являются слюды, кварц, полевые шпаты, хлорид, амфиболы, тальк и другие.
Метаморфическим горным породам присущи кристаллическая структура и своеобразная текстура; сланцеватая, когда пластинчатые минералы типа слюд располагаются параллельно друг друга: зернистая -  с преобладанием зерен овальной формы; гнейсовая – для которой характерно чередование сланцевых и зернистых полос.
В зависимости от ведущего фактора метаморфизма различают следующие типы метаморфизма:
  1. Контактовый
  2. Динамометаморфизм
  3. Региональный.
Контактовый метаморфизм развивается на контакте между внедрившейся магмой и вмещающими ее горными породами. Воздействие высокой температуры, а также газов и паров воды ведет к коренному изменению вмещающих пород. Так возникают породы зернистого вида – мраморы и кварциты.
Динамометаморфизм. Преобразование исходных пород происходит под действием высокого давления, которое возникает в процессе горообразования или под слоем вышележащих толщ. При этом образуются породы типа глинистых сланцев с характерной для них сланцеватостью.
Региональный метаморфизм проявляется на больших площадях и в глубине земной коры. Глубинную толщу, где протекает этот процесс, называют поясом метаморфизма. Этот пояс по глубине интенсивности проявления факторов метаморфизма делят на три зоны.
Верхняя – начальная стадия метаморфизма, для которой характерна перекристаллизация пород под давлением вышележащих горных масс с изменением их минерального состава, но в ряде случаев еще сохранивших свой первоначальный облик. Например, кварцитовый песчаник, в котором перекристаллизован кремнистый цемент, но еще угадываются обломочные зерна кварца, или глинистые сланцы типа филлита, для которых характерна низкая степень метаморфизма по сравнению с осадочной глинистой породой аргиллитом.
Средняя – отличительными условиями которой являются высокая температура, гидростатическое давление и сильное одностороннее давление вследствие перераспределения вещества в недрах литосферы. Для этой зоны характерны такие породы, как кристаллические известняки и сланцы, кварциты, мраморы.
Нижняя – самая глубокая зона метаморфизма, которая отличается высокой температурой и высоким гидростатическим давлением при сравнительно слабом одностороннем давлении. Для этой зоны характерны породы высокой степени метаморфизма, такие как гнейсы, имеющие минеральный состав такой же, как и граниты, и близкую к ним прочность.

Примеры изменения пород по поясам и зонам земной коры

Пояс
Зона
Породы
Осадочных пород
Выветривания
Песок
Глина
Известняк
Цементации
Песчаник
Аргиллит
Полукристаллический известняк
Метаморфизма
Верхняя
Кварцитовидный песчаник
Филлит
Мелкозернистый мрамор
Средняя
Кварцит
Слюдистый сланец
Среднезернистый мрамор
Нижняя
Перекристаллизованный кварцит
Гнейс
Крупнозернистый мрамор

Следует подчеркнуть, что минеральный состав конечных продуктов метаморфизма в известной мере зависит от минерального состава исходной породы. Например, из известняка гнейс образоваться не может.
В процессе движения земной коры метаморфические породы  поднимаются на дневную поверхность, они являются хорошим скальным основанием для зданий и сооружений. При строительстве подземных сооружений сланцеватость оказывает неблагоприятное действие, так как по плоскостям сланцеватости возможны обвалы и обрушения, особенно кровли горизонтальных подземных выработок.
Классификация метаморфических горных пород.
Классификацию метаморфических горных пород производят по структурно-текстурным признакам и минеральному составу на:
  1. Массивные (зернистые) – кварцит и мрамор; 
  2. Сланцевые – гнейс и сланцы различного минерального состава.
Кварцит - метаморфическая горная порода, состоящая в основном из кварца, крепкий и прочный кварцевый песчаник с кремнистым цементом, белый до светло-серого, очень трудный для обработки.
Мрамор - метаморфическая горная порода, состоящая только из кальцита CaCO3. При перекристаллизации доломита CaMg(CO3)2 образуются доломитовые мраморы.
             
Гнейс - метаморфическая горная порода, главными минералами которой являются плагиоклаз, кварц и калиевый полевой шпат (микроклин или ортоклаз), в подчиненном количестве могут присутствовать биотит, мусковит, роговая обманка, пироксен, гранат, дистен, силлиманит и другие минералы. По химическому составу гнейсы близки гранитам и глинистым сланцам.

Осадочные горные породы.
Осадочные горные породы образовались на поверхности литосферы в результате накопления минеральных масс, полученных в процессе разрушения магматических, метаморфических и осадочных горных пород. Процессы разрушения горных пород литосферы и накопления новых пород на поверхности земли идут повсеместно: в пустынях, где энергичную работу ведет ветер; вдоль морских и океанических берегов, где волны перемещают обломочный материал; на дне глубоких частей морей и океанов, где отмирающие организмы дают начало толщам осадочных пород. Условия образования накладывают существенный отпечаток на облик осадочных пород. В одних случаях они состоят из обломков ранее разрушенных горных пород, в других - из скопления органических остатков, в третьих - из кристаллических зерен, выпавших из раствора.
Осадочные породы в зависимости от происхождения резко отличаются друг от друга. Поэтому их принято подразделять на три группы:
  1. Обломочное происхождение
  2. Химическое происхождение
  3. Органогенное происхождение

Структуру осадочных пород различают по размерам, форме и составу слагающих их частиц.
По размерам различают следующие структуры: крупнообломочная, диаметр частиц, слагающих породу, составляет более 2,0 мм; псаммитовая (песчаная), диаметр частиц 2,0-0,05 мм; алевритовая (пылеватая), диаметр частиц от 0,05 до 0,005 мм; пелитовая (глинистая), диаметр частиц менее 0,005 мм. В случае скопления более или менее одинаковых частиц, структура носит название равномерно-зернистой, в противном случае - разнозернистой. По форме частиц породы бывают с окатанной и неокатанной структурой.
Для химических пород характерны оолитовая (зерна имеют форму шариков), игольчатая, волокнистая, листоватая и зернистая структуры. Породы органического происхождения, состоящие из хорошо сохранившихся раковин или растений, имеют биоморфную структуру.
Текстура осадочных пород чаще всего пористая и компактная (непористая).
Если осадочные породы представляют собой скопление отдельных, не соединенных друг с другом частиц, они называются сыпучими. Когда отдельные более крупные частицы скрепляет тонкозернистый материал, называемый цементом, породы получают название сцементированных и характеризуются компактной текстурой. Цементирование пород может происходить одновременно с их образованием, а также и после, в результате выпадения различных солей из циркулирующих по порам растворов. По составу различают глинистый, битумный, известковый, железистый, кремнистый и другие цементы. Характер цемента в значительной мере обусловливает плотность и прочность сцементированных пород. Самыми слабыми считаются породы на глинистом цементе, а породы же с кремнистым цементом отличаются наибольшей прочностью.

Обломочное происхождение.
Обломочные породы состоят из обломков различных пород и минералов. По величине обломков выделяют:
  1. крупнообломочные породы (псефиты), состоящие в основном из обломков диаметром более 2,0 мм;
  2. среднеобломочные (псаммиты), состоящие из обломков диаметром от 2,0 до 0,05 мм;
  3. мелкообломочные (алевриты), состоящие из обломков диаметром от 0,05 до 0,005 мм; глинистые породы (пелиты), состоящие в основном из частиц диаметром менее 0,005 мм.

Имеется несколько классификаций обломочных пород, в которых размеры указанных выше обломков, относимых к тому или иному виду пород, несколько колеблются.
Крупнообломочные породы. К ним относят породы, состоящие из обломков размером от 2,0 мм до нескольких метров в поперечнике. В зависимости от структуры и текстуры выделяются следующие разновидности пород.
Глыбы - угловатые обломки размером свыше 200 мм, щебень - угловатые обломки размером от 200 до 40 мм и дресва - от 40 до 2,0 мм. Если же обломки указанных размеров окатанные, то их соответственно называют валунами, галькой и гравием.
Сцементированные щебень и дресва называются брекчией, а сцементированные галька и гравий - конгломератом.
Все крупнообломочные породы широко используются в качестве строительных материалов. Необходимо помнить, что названия «валуны», «щебень», «галька» и т.д. не говорят о свойствах пород, а лишь о размерах их обломков, а поэтому в строительстве их следует называть «галька песчаника», «щебень гранита».
Среднеобломочные породы. К ним относят широко распространенные в природе пески и песчаники. Пески представляют собой рыхлые скопления обломков размером от 2,0 до 0,05 мм, а песчаники - сцементированные между собой обломки той же величины. В зависимости от величины обломков выделяют следующие фракции: грубая (2,0-1,0), крупная (1,0-0,5), средняя (0,5-0,25), мелкая (0,25-0,10) и тонкая (0,10-0,05). По составу обломков пески и песчаники чаще бывают кварцевыми, иногда с примесями полевых шпатов, слюд, глауконита и других минералов.
Мелкообломочные, или пылеватые породы представлены лессами, лессовидными суглинками, супесями, суглинками.

Химическое происхождение.
Эти породы образуются в результате выпадения из растворов химических осадков. Такой процесс происходит в водах морей, континентальных усыхающих бассейнов, соляных источников.
Породами химического происхождения являются известняки, известняковый туф, доломит, ангидрит, гипс, каменная соль. Общей для этих пород особенностью является растворимость в воде, наличие пустотности вследствие растворения, трещиноватость.   

Органогенное происхождение.
Органогенные породы образуются в результате накопления преобразованных остатков животного мира (зоогенные) и растений (фитогенные). Зоогенные – известняк-ракушечник, мел и другие, а фитогенные – трепел, опока, торф, и другие. Органогенные породы отличаются значительной пористостью, многие растворяются в воде, обладают большой сжимаемостью, например, торф. К этой группе пород относят каменный уголь, нефть, асфальты и другие.
 Диатомит - белая, легкая, пористая порода, пачкает руки, легко растирается в порошок, липнет к языку. Состоит из мельчайших опаловых скорлупок диатомовых водорослей. Применяется как фильтрующий материал, служит сырьем для получения жидкого стекла.
  Трепел - внешне трудно отличим от диатомита, хотя состоит он не из органических остатков, а из мельчайших зерен опала, с незначительной примесью скорлупок диатомовых водорослей. Цвет трепела от белого до темно-серого. Характерным его признаком является низкая удельная масса и способность жадно впитывать влагу (прилипает к языку).
 Опока - твердая порода белого, серого или черного цвета, часто обладающая характерным раковистым изломом. Наиболее твердые ее разновидности при ударе раскалываются с характерным звенящим звуком. Опока состоит из зернышек опала и остатков кремниевых скелетов, сцементированных кремнистым веществом.