Материал: Конспект лекций по Инженерной геологии н
2.3.Осадочные горные породы (огп)
Составляя всего 5% от массы ЗК, осадочные породы чаще всего слагают ее верхние слои и выходят на поверхность, оказываясь в зоне хозяйственно-строительной деятельности человека. На происхождение ОГП указывает название – формирующиеся из осадка. Последний возникает при разрушении ранее существовавших пород вследствие выветривания и переносе продуктов разрушения, при кристаллизации солей в усыхающих водных бассейнах, а также при накоплении остатков животных и растительных организмов. В соответствии с указанными условиями образования ОГП разделяются на три группы: обломочные, глинистые, химические и биохимические. Основной формой залегания ОГП является слой, в котором различают подошву, кровлю и мощность Н – расстояние между ними (рис.2.З).
Слоистость, значительная пористость, большая изменчивость прочности и сжимаемости, повышенная чувствительность многих пород к внешним воздействиям – характерные черты ОГП. В них нередко обнаруживаются остатки и отпечатки животных и растений, позволяющие устанавливать возраст пород. Охарактеризуем каждую группу ОГП.
Рис. 2.3. Формы залегания ОГП:
1 – слои; 2 – линзы; 3 – выклинивание слоя;
4 – пережим слоя (пласта); 5 – пропласток (прослоек)
2.3.1. Обломочные огп
Представляют собой скопления обломков ранее существовавших пород как результата их физического выветривания – увеличения трещиноватости с дальнейшим дроблением, измельчением пород под действием перепадов температуры, замерзания в порах и трещинах воды, кристаллизации солей при ее испарении. Особенно интенсивно физическое выветривание в районах с резко континентальным или холодным арктическим климатом. Далее продукты выветривания в той или иной мере изменяются под влиянием различных геологических факторов, образуя обломочные породы. На их свойства влияют размеры обломков, форма, характер поверхности, плотность сложения; наличие или отсутствие связей между обломками; их минералогический состав, а также характер цементирующего вещества при его наличии.
По размеру обломки или частицы объединяются в группы – фракции. Выделяются следующие фракции с размерами (мм): валуны (глыбы) d >100; галька (щебень) 40…100; гравий (хрящ, дресва) 2…40; песок 0,05…2; пыль 0,005…0,05; глина d<0,005. Указанные в скобках названия используются для неокатанных, угловатых обломков.
В природе обломочные породы представляют собой смесь различных фракций. Наименование породе присваивается по преобладающей фракции, cоставляющей по массе более 50%. Если связи между частицами отсутствуют, породы называются рыхлыми или несвязными. Это галечник, гравий, щебень, хрящ, песок. Для последнего ограничивается также содержание глинистой фракции тремя процентами. Цементированные природным цементом галька и гравий называются конгломератом; то же, щебень и хрящ – брекчия. Конгломераты образуются в прибрежной зоне морей и поэтому распространены шире брекчий. Цементированный песок называется песчаником.
Цементированными оказываются продукты вулканических извержений – пепел, песок и др. Оседая на землю, уплотняясь, цементируясь и твердея, они образуют пористые породы, называемые вулканическим туфами или туффитами, если включают обломочный материал другого происхождения.
Прочность несвязных пород зависит от трения между отдельными частицами; при шероховатой, угловатой их форме оно больше. Большое значение имеет плотность «упаковки» частиц: плотные породы будут и более прочными.
Содержание различных фракций в процентах по отношению ко всей массе достаточно представительной пробы породы называется гранулометрическим составом. Он приводится в табличной или графической форме и является важной характеристикой любых дисперсных грунтов. Соответствующий график называется кривой однородности (рис.2.4). Для неоднородного грунта кривая более пологая. Численно это можно характеризовать коэффициентом неоднородности k = d60/d10, т.е. отношением диаметров частиц, меньше которых в грунте 60 и 10% соответственно. Если k>3, то песок неоднородный. По размеру частиц пески подразделяются на гравелистые, когда частиц крупнее 2 мм более 25%; крупные и средней крупности, когда частиц крупнее 0,5 и 0,25 мм соответственно содержится более 50%; мелкие, когда частиц крупнее 0,1 мм более 75% и пылеватые, когда этих частиц менее 75%. Если содержание ни одной из перечисленных фракций не достигает 50%, песок называют разнозернистым. От гравелистых и крупных к пылеватым строительные свойства песков ухудшаются: снижаются прочность и водопроницаемость, увеличиваются сжимаемость и способность к разжижению, переходу в состояние плывуна, проявляется пучинистость.
Рис. 2.4. Графики гранулометрического состава грунтов
(кривые однородности): 1 – неоднородный песок; 2 – суглинок
Для цементированных пород очень важен вид природного цемента. По минеральному составу он может быть кремнистым (из минералов опал, халцедон), карбонатным (кальцит, доломит), железистым (лимонит), гипсовым, глинистым. В указанном порядке прочность цемента убывает; гипсовый растворим в воде, глинистый самый слабый и в воде размокает. Песчаники с кремнистым цементом по прочности могут не уступать граниту, а с глинистым иметь сопротивление сжатию 1 Мпа и менее. Цемент может быть смешанным, состоящим из разных минералов – например, карбонатно-гипсовым и т.п.
2.3.2. Глинистые огп
Наиболее распространены среди осадочных пород. Представляют собой продукты физического и химического выветривания первичных пород и обладают свойством пластичности: в некотором интервале влажности могут менять форму без нарушения сплошности – без появления трещин. Вне интервала пластичности с уменьшением влажности переходят в твердое состояние, а при увеличении – в текучее. Таким образом, в зависимости от содержания воды их физико-механические свойства сильно меняются.
Для глинистых пород особенно характерна дисперсность с высоким содержанием наиболее мелких фракций – пылеватой и глинистой. Достаточно небольшого количества глинистой фракции, чтобы проявились такие типичные свойства глинистых пород, как пластичность, усадка при высыхании, размокание и текучесть при увлажнении, липкость, набухание.
В начале своего формирования (диагенеза) глинистая порода представляет собой ил с большими влажностью и пористостью. Постепенно уплотняясь и обезвоживаясь, ил переходит в собственно глинистую породу, которая в зависимости от содержания глинистой фракции называется супесью (при содержании 3…10%), суглинком (10…30%), глиной (более 30%).
Если глинистая порода перекрывается толщей более поздних отложений, она уплотняется, обезвоживается, между частицами породы возникают прочные связи. Такая прочная камнеподобная глинистая порода, уже не размокающая в воде, называется аргиллитом. Однако в обнажении или выработке аргиллит интенсивно выветривается, рассыпаясь в мелкую щебенку неправильной угловатой формы. Аргиллиты со сланцеватой текстурой называются глинистыми сланцами.
Глинистые породы могут содержать различные примеси, что отражают в их названии: глины известковистые, кремнистые, железистые и т.д.
Особой разновидностью глинистых пород являются лессы. Их особенности – большое содержание пылеватой фракции, высокая пористость, (причем некоторые поры различимы на глаз - макропоры), малая естественная влажность, наличие в минеральном составе карбонатов и сульфатов. В природном состоянии лессы достаточно прочны, но при дополнительном увлажнении (замачивании), резко уплотняются даже под собственным весом, давая большие и быстропротекающие осадки - просадки. Отсюда их характеристика: «макропористые просадочные при замачивании грунты». При строительстве на них обязателен учет указанной особенности.
При длительном уплотнении лессы переходят в твердое камнеподобное состояние. Такие породы называют алевролитами. По своим свойствам они близки к аргиллитам.
2.3.3. Химические и биохимические огп
Это породы, образовавшиеся в результате выпадения вещества из водных растворов и накопления остатков растительных и животных организмов. По минеральному составу выделяют группы карбонатных, кремнистых, сульфатно-галоидных и углисто-битуминозных пород.
Наиболее распространенные карбонатные породы – известняки, состоящие в основном из кальцита. В виде примесей содержат глину, доломит, кремнистые соединения. Известняки могут быть органогенового происхождения (ракушечник, мел), химического (известковый туф, оолитовый известняк), смешанного – микрозернистый и мраморизованный известняки. К карбонатным породам относятся также мергель, представляющий смесь глины с кальцитом и доломит, состоящий из одноименного минерала с примесью гипса, кальцита и др. Выветрелые до порошка разности доломита называются доломитовой мукой.
К кремнистым породам относятся диатомит, трепел, опока; их основной минерал опал. Диатомит – сильно пористый, легкий, белого цвета, представляет собой скопление скорлупок диатомовых водорослей и по виду напоминает мел. Трепелы несколько плотнее, часто с примесью глины, карбонатов. Опоки представляют собой уплотненные трепелы; порода твердая и пористая, но поры неразличимы невооруженным глазом.
К сульфатам относятся гипс и ангидрит, к галоидам – каменная соль, состоящая из галита и калийная – из сильвина. Из водных растворов перечисленные соли выпадают в определенной последовательности: сульфаты, каменная соль, затем калийная. Поэтому часто встречаются вместе, залегая слоями и чередуясь с песчаниками, глинами, известняками. Отличительная черта – легкая растворимость, особенно у галоидов.
К углисто-битуминозным породам относятся ископаемые угли (бурый, каменный, антрацит), торф, асфальт, горючие сланцы. В отличие от других ОГП, это темные породы от бурого до черного цвета. Основное значение перечисленные породы имеют как полезные ископаемые; свойства торфа – основного типа отложений болот – важны также для строительства, особенно транспортного.
2.4. Метаморфические горные породы (ммгп)
Образуются из МГП и ОГП под действием факторов метаморфизма – высоких давления и температуры, химически активных жидкостей и газов. Метаморфизм может происходить в ограниченных зонах, например, вблизи области внедрения магмы или в зоне тектонических разломов и смещения пород, а может охватывать огромные территории. В последнем случае метаморфизм называется региональным. Соответствующие породы имеют наибольшее распространение; структура их кристаллическая, а по текстуре они могут быть сланцеватыми (гнейсы и различные сланцы) и несланцеватыми (мраморы и кварциты).
Гнейсы – породы, по минеральному составу и механическим свойствам близкие к гранитам, из которых они образуются при перекристаллизации последних. Но при метаморфизме может происходить изменение и минералогического состава; например, гнейсы возникают также в ходе глубокого метаморфизма глинистых пород. Сланцы – породы с наиболее отчетливо выраженной сланцеватостью, возникшей как результат перекристаллизации при метаморфизме. Плоскости сланцеватости ослаблены, по ним породы раскалываются при ударе и разрушаются при выветривании. Из-за анизотропности и легкой выветриваемости мало пригодны как строительный камень. Название сланца устанавливается по преобладающему минералу – слюдяной, тальковый, хлоритовый и др.
Мраморы представляют собой перекристаллизованные известняки и доломиты. В качестве примесей содержат кварц, графит, гематит, хлорит, пирит и др., что влияет на их свойства. Прочность на сжатие зависит также от структуры: для мелкозернистого мрамора до 200 МПа, а крупнозернистого до 70…100.
Кварциты образуются из кварцевого песка и песчаника. При метаморфизме отдельные зерна кварца оплавляются и сливаются в сплошную массу. Поэтому кварциты характеризуются большой прочностью (до 500 МПа), твердостью, абразивностью.
Лекция 3. Геологическое время и геохронологическая шкала. Эндогенные геологические процессы: тектонические движения земной коры, вулканизм, землетрясения
3.1. Абсолютный и относительный возраст горных пород. Геохронологическая шкала.
Во многих случаях важное значение имеет возраст горных пород и установление времени и (или) последовательности геологических событий. Используемая в этих целях геохронологическая шкала построена с помощью двух методов определения относительного возраста пород: стратиграфического и палеонтологического. Суть первого способа в том, что вышележащий слой моложе подстилающего, нижележащего. Палеонтологический способ основан на изучении остатков, следов органической жизни, сохранившихся в горных породах. Жизнь на Земле развивалась от примитивных простейших форм к более сложным. Поэтому слои, содержащие следы более простых организмов, будут и более древними.
Оба способа имеют ограничения. Например, в результате сложных движений отдельных участков ЗК первоначальное залегание пород может нарушиться вплоть до «запрокидывания» слоев. В некоторых породах всякие следы жизни отсутствуют – например, в МГП. Тем не менее сочетание обоих способов, сопоставление геологического строения многих участков ЗК позволили составить геохронологическую шкалу, являющуюся также и стратиграфической.
Временные подразделения шкалы от более крупных: эра – период – эпоха – век. Соответствующие стратиграфические подразделения для горных пород: группа - система – отдел – ярус. Названия эр и периодов приведены ниже в таблице. В периодах выделяют две, а чаще три эпохи (ранняя, средняя, поздняя); названия отделов соответственно нижний, средний, верхний. Отличаются они индексами при обозначении периода или системы. Особые названия получили эпохи Кайнозойской эры: в палеогене 1 – палеоцен, 2 – эоцен, 3 – олигоцен; для неогена 1 – миоцен, 2 – плиоцен. В четвертичном периоде выделены две эпохи – плейстоцен (1,2,3) и современная – голоцен Q4.
В конкретных геологических разрезах отложения некоторых систем и даже целых групп могут отсутствовать. Это означает, что в соответствующие периоды или даже целые эры на данной территории господствовали процессы разрушения и сноса пород (денудация). Такие выпадения характеризуются как стратиграфические перерыв (во времени) или несогласие (в залегании пород).