Инженерная геология

Основой классификации  минералов является химический состав и их внутреннее строение. Все минералы разделяются на 10 классов.

I – силикаты                                      VI – сульфаты

II – карбонаты                                   VII – галоиды

III – окислы                                       VIII – фосфаты

IV – гидроокислы                              IХ – вольфраматы

V – сульфиды                                      Х – самородные элементы

Силикаты – наиболее многочисленный класс, включающий до 800 минералов, являющихся основной составной частью большинства магматических и метаморфических пород. Среди силикатов выделяют группы минералов, характеризующиеся некоторой общностью состава и строения – полевые шпаты, пироксены, амфиболы, слюды, а также оливин, тальк, хлориты и глинистые минералы. Все они по своему составу алюмосиликаты.

Окислы и  гидроокислы. Эти два класса объединяют около 200 минералов, на их долю приходится до 17% всей массы земной коры. Наибольшее распространение имеют кварц, опал и лимонит.

Карбонаты. К ним относится более 80 минералов. Наиболее распространены кальцит, магнезит, доломит. Происхождение в основном экзогенное и связано с водными растворами. В контакте с водой они немного снижают свою механическую прочность, хотя и слабо, но растворяются в воде, разрушаются в кислотах.

Сульфаты. Этот класс объединяет до 260 минералов, происхождение которых связано с водными растворами. Характеризуются небольшой твердостью, светлой окраской. Сравнительно хорошо растворяются в воде. Наибольшее распространение имеют гипс и ангидрит. При соприкосновении с водой ангидрит переходит в гипс, увеличиваясь в объеме до 33%.

Сульфиды насчитывают до 200 минералов. Типичный представитель пирит. Сульфиды в зоне выветривания разрушаются, поэтому их примесь снижает качество строительных материалов.

Галоиды содержат около 100 минералов. Происхождение связано в основном с водными растворами. Наибольшее распространение имеет галит. Может быть составной частью осадочных пород, легко растворяется в воде.

Минералы классов фосфаты, вольфраматы и самородные элементы встречаются довольно редко.

 

Основные свойства и виды минералов.

Минералы обладают кристаллической  структурой или бывают аморфными. Большинство  минералов имеет кристаллическое  строение, в котором атомы расположены  в строго определенном порядке, создавая пространственную решетку. Благодаря этому многие минералы внешне имеют вид правильных многогранников (кристаллов). Примером может служить кварц (рис. 3).

Со строением и характером пространственной решетки связаны  свойства кристаллических тел. Прежде всего минералы обладают однородностью строения, состава и свойств, так как в каждой своей части, вплоть до размеров элементарной ячейки, они обладают одинаковым кристаллическим строением и химическим составом. Свойства минералов могут быть одинаковыми по всем направлениям (изотропные свойства) или разными по различным направлениям (анизотропные свойства).

Аморфные минералы кристаллической  структуры не имеют. Такие минералы по свойствам изотропны, для них  характерна неправильная внешняя форма (рис. 4).

Каждый минерал имеет  определенные физические свойства. Главнейшими из них являются: внешняя форма, оптические характеристики (цвет, прозрачность блеск), показатели твердости, спайность, излом, плотность.

Внешняя форма  минералов разнообразна. В природных условиях они чаще всего приобретают неправильные очертания. Хорошо ограниченные кристаллы встречаются сравнительно редко (рис. 5). Для многих минералов характерны также формы землистого облика, агрегатных скоплений и др.

Цвет минералов для некоторых из них является постоянным признаком (малахит). Все минералы по цвету условно разделяют на светлые (кварц, полевые шпаты, гипс, кальцит и др.) и темные (роговая обманка, авгит и др.)

Прозрачность  минералов – способность пропускать свет. Выделяют три группы минералов: прозрачные (кварц, мусковит др.), полупрозрачные (гипс, халцедон и др.) и непрозрачные (пирит, графит и др.).

Блеск минералов – способность поверхности минералов отражать в различной степени свет. Блеск может быть металлический и неметаллический, который в свою очередь может быть стеклянным (силикаты), жирным (тальк), шелковистым (асбест) и т.д.

Твердость минералов – способность противостоять внешним механическим воздействиям.

Каждому минералу присуща  определенная твердость, которая ориентировочно оценивается по 10-балльной шкале твердости Мооса.

Спайность – способность минералов раскалываться или расщепляться по определенным направлениям с образованием плоскостей раскола. Это свойство обусловлено внутренним строением кристаллов и не зависит от их внешней формы. Спайность может проявляться в одном (слюды), в двух (полевые шпаты), в трех (по кубу каменной соли), в четырех (флюорит), в шести (сфалерит) и более направлениях.

Излом характеризует поверхность разрыва в раскалывания минералов. Различают излом по спайности (кальцит), раковистый (кварц), землистый (каолинит) и др.

Плотность является важнейшим диагностическим признаком минералов. По плотности их делят на три группы: тяжелые (более 4 г/см³), средние (2-4 г/см³) и легкие (1-2 г/см³), определяя их примерную массу взвешиванием в ладонях рук (точность такого «взвешивания» до 0,1-0,2 г/см³). Обычно минералы по плотности сравниваются с кварцем или полевым шпатом (плотность 2,7-2,8 г/см³), почувствовав массу этих эталонов на ладонях рук. Сравниваемые образцы должны быть одинакового объема.

Минералы могут обладать рядом других физических свойств: хрупкостью, плавкостью, магнитностью, вкусом, запахом  и т. д. Для отдельных минералов  эти свойства могут быть характерными признаками, например галит (поваренная соль) соленый, сера имеет запах и т. д.

 

           

 

 

САМОСТОЯТЕЛЬНО

Лекция №2: ВЛИЯНИЕ МИНЕРАЛОГИЧЕСКОГО СОСТАВА  НА ИНЖЕНЕРНО-ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД.

Минералогический состав является одним из факторов, определяющих свойства пород. Наименьшее влияние  он оказывает на свойства пород с жесткими кристаллизационными связями, наибольшее – на несвязные – песчаные и в особенности на связные – глинистые породы.

Минералы, из которых  построены дисперсные – осадочные  горные породы, могут быть разделены  на три основные группы:

1) первичные практически  нерастворимые в воде минералы;

2) вторичные минералы: а) нерастворимые и б) растворимые  в воде минералы;

3) органогенные.

Каждая из этих групп  различно влияет на свойства пород.

По общему минералогическому  составу различают мономинеральные – свойства в значительной мере определяются свойством минерала, из которого состоит порода и полиминеральные породы, свойства вторых определяются сочетанием минералов и их соотношением.

Минералогический состав песчаных пород (преобладают первичные нерастворимые в воде минералы) резко отличен от  минералогического состава глинистых пород (преобладают вторичные и органо-минеральные соединения).

Рассмотрим указанные  выше группы минералов.

Первичные нерастворимые  в воде минералы. К этой группе относятся минералы, образовавшиеся из магмы и не претерпевшие существенных изменений. Они образуют скопления в результате выветривания главным образом магматических пород и являются основными составляющими различных песчаных пород.

В песчаных породах главным породообразующим минералом является кварц, относящийся к наиболее стойким в химическом отношении минералам. Наряду с кварцем в песчаных грунтах часто встречаются полевые шпаты, глауконит, слюда. В небольшом количестве могут присутствовать авгит, роговая обманка, оливин, магнетит и другие тяжелые, а также вторичные глинистые и простые водорастворимые минералы – кальцит, доломит, гипс, галит и др.

Присутствие некоторых  минералов является характерным  для определенных генетических типов  песков. Так, например, полевые шпаты входят в состав аллювиальных, делювиальных и флювиогляциальных песков, слюды характерны для эоловых песков, глауконит – для морских песков, а гипс – для песков безводных пустынь.

В природе наибольшим распространением пользуются кварцевые  пески.

Физико-механические свойства большинства песков обусловлены  зернами кварца – их размерами, формой и степенью окатанности.

В целом кварц придает  рыхлым породам большую стойкость  по отношению к воде и повышает сопротивление внешним воздействиям – нагрузкам от сооружений.

Вторичные нерастворимые  в воде минералы. Это основные породообразующие минералы глинистых пород. Они составляют их тонкодисперсную – коллоидную часть. Их называют обычно глинистыми минералами.

Основной и наиболее характерной особенностью глинистых минералов является их высокая дисперсность (размеры частиц меньше 0,001 мм). Высокая дисперсность обусловливает чрезвычайно большую удельную поверхность и тем самым высокий потенциал поверхностной энергии (проявление разнообразных поверхностных явлений).

Следует отметить, что  глинистые породы состоят не только из одних глинистых минералов. В  грубодисперсной части глин преобладают  первичные минералы: кварц, полевые  шпаты, слюда, а также тяжелые  минералы (магнетит, титан, пирит и  др.). Однако влияние вторичных – глинистых минералов даже при относительно небольшом их содержании в глинистой породе настолько велико, что они в значительной мере определяют свойства всей породы (прочность, водопроницаемость).

Несмотря на большое  распространение в природе и в связи с этим большую практическую важность, глинистые минералы изучены еще мало. Это объясняется весьма малыми размерами частиц, затрудняющими их изучение под обычными микроскопами. Только появление новых тонких методов исследования (рентгеноструктурный анализ, электронный микроскоп) позволило начать изучение глинистых минералов.

Глинистые минералы представляют собой вторичные водные силикаты, алюмосиликаты и ферросиликаты, а также простые окислы и гидраты  окислов кремния, железа и алюминия.

Кроме незначительных размеров наиболее характерными признаками и свойствами глинистых минералов являются пластинчатая или чешуйчатая форма, обусловленная строением кристаллической решетки, низкие показатели преломления. Благодаря особенностям строения кристаллической решетки и малым размерам некоторые глинистые минералы обладают способностью, не разрушаясь, впитывать и отдавать воду, а также обмениваться с раствором катионами, поглощая из раствора одни катионы и взамен отдавая в раствор другие.

По химическому составу глинистые минералы делятся на группы по молекулярному соотношению окислов кремния SiО₂ к сумме полуторных окислов металлов R₂О₃. В табл.1 приведены вторичные минералы, наиболее часто встречающиеся в глинистых породах.

Наиболее распространены в глинистых породах три основные группы глинистых минералов –  каолинита, монтмориллонита и гидрослюд.

Вторичные растворимые  в воде минералы. В осадочных горных породах очень часто присутствуют вторичные минералы – растворимые в воде соли, которые по степени растворимости можно разделить на три группы: легкорастворимые (растворяются в воде, быстро и в небольших ее количествах), среднерастворимые (растворяются медленно, причем для полного их растворения и удаления из породы необходимо большое количество воды) и труднорастворимые (переходят в водный раствор в незначительных количествах).

Среди этих солей следует  отметить: 1) легкорастворимые – галит NаСl, сильвин КСl, мирабилит Nа₂SO₄1ОН₂О, сода Nа₂СО₃; среднерастворимые – гипс СаSO₄2Н₂O, ангидрит СаSO₄ З) труднорастворимые – кальцит СаСО₃, магнезит МgСО₃, доломит СaCО₃МgСО₃.

Если в поровом растворе преобладают ионы кальция, что обычно наблюдается в известковистых и загипсованных глинах, то такие породы в значительной мере теряют характерные для глин свойства: способность к набуханию, пластичность, сильную сжимаемость. Преобладание в поровом растворе натрия, характерное для засоленных глин морского происхождения, действует в направлении наиболее сильного проявления глинистых свойств, т. е. увеличивает набухаемость, пластичность, сжимаемость, уменьшает водопроницаемость.

Увеличение концентрации солей, растворенных в подземной  воде сказывается так же, как влияние  грунтового раствора, насыщенного кальцием, и, наоборот, уменьшение концентрации растворенных в воде солей действует так же, как влияние грунтового раствора, насыщенного натрием, т. е. ведет к более резкому проявлению глинистых свойств.

Влияние простых солей  на породы различно и зависит от состава солей, формы, в какой  они находятся в породе.

В твердом виде соли как  бы цементируют породу, образуют связи  и тем самым повышают ее прочность. Однако связи, образованные легкорастворимыми  солями, быстро нарушаются под воздействием воды, связи же, образованные труднорастворимыми солями, прочные. Особенно велика роль труднорастворимых карбонатных солей кальция, которые придают породе водоустойчивость и прочность. Кроме оценки общего содержания солей следует изучать и характер распределения солей в породе. Оно может быть равномерным по всей породе, в виде отдельных включений, крупными кристаллами или в тонкораспыленном виде.