Инженерная геология

В растворенном виде простые  соли насыщают поровый раствор, окружающий частицы породы. При этом если порода содержит соли в твердом виде, они  всегда будут и в растворе, заполняющем ее поры (насыщенный раствор). Если какая-либо соль присутствует в растворе ненасыщенном, то в твердом виде в породе этой соли может не быть.

Исходя из сказанного выше, можно сделать вывод о  том, что, меняя состав или концентрацию солей в поровом растворе, можно искусственно воздействовать на инженерно-геологические свойства пород, менять в нужном для инженерной деятельности человека направлении.

Органические  соединения. В рыхлых, особенно в глинистых породах, очень часто встречается органическое вещество, которое накапливается в породах в результате жизнедеятельности животных и растительных организмов. Наибольшее количество органических веществ имеет растительное происхождение. Органические вещества растительного происхождения образуют большие скопления (месторождения торфа, угля и пр.) или (в большинстве случаев) содержатся в породах в рассеянном виде в так называемых торфянистых и гумусированных породах. Эти органические вещества часто находятся в тесном химическом соединении с минеральной частью породы.

Примесь органического  вещества, как правило, изменяет свойства пород определяет высокую влагоемкость, высокую пластичность, низкую водопроницаемость, высокую сжимаемость под нагрузкой и низкое сопротивление сдвигу.

Влияние органического  вещества на свойства пород зависит от степени разложения растительных остатков. Установлено, что чем больше степень разложения растительных остатков, тем сильнее их влияние на инженерно-геологические свойства пород.

 

Лекция №3: Магматические, осадочные и метаморфические горные породы

 

Инженерно-геологические  свойства горных пород зависят не только от минералогического состава, но и от условий образования, структуры  и постгенетических факторов. Последние  определяются как природными процессами, так и инженерной деятельностью человека.

По своему происхождению  горные породы подразделяются на магматические, осадочные и метаморфические.

Магматические породы.

Магматические горные породы образуются в результате застывания расплавленной магмы. Магма, прорываясь по трещинам земной коры, в одних случаях застывает в ее недрах, что приводит к образованию глубинных (интрузивных) пород (рис. 6, I), в других достигает поверхности земли, разливается потоками лавы и дает начало излившимся (эффузивным) породам (рис. 6, II), которые являются аналогами глубинных пород.

Условия остывания магмы  в глубине и на поверхности  земли резко различны. Глубинные  магматические породы формируются  в условиях высокого давления, медленного и равномерного остывания. В этом случае образуются плотные, массивные, полнокристаллические породы типа гранита габбро. Излившиеся магматические породы формируются при остывании магмы в условиях низкого давления и температуры, быстрой отдаче тепла и газов. При этом возникают породы с обилием аморфного стекла, часто с большой пористостью, например базальт, пемза.

Классификация магматических  пород, кроме деления их на глубинные  и излившиеся, основана также на содержании в них кремнезема в  пересчете на SiO₂ (табл. 3).

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 основных минералов.

Свойства пород зависят  от особенностей их внутреннего строения и сложения в массиве.

Структура – особенности внутреннего строения породы, обусловленные размерами, формой и количественным соотношением ее составных частей – минералов. В магматических породах различают следующие структуры: 1) зернистые типичные для глубинных пород, 2) полукристаллические (совместное нахождение кристаллов и аморфного стекла) и 3) стекловатые, типичные для излившихся пород.

Текстура (сложение) характеризует пространственное расположение частей породы в ее объеме, для магматических пород характерны следующие текстуры: 1) массивная – равномерное плотное расположение минералов, 2) полосчатая – чередование в породе участков различного минерального состава или различной структуры, З) шлаковая – порода содержит видимые глазом пустоты.

Характеристика  групп магматических пород.

Кислые породы (содержание SiO₂ от 65 до 75%) являются наиболее распространенными среди магматических пород. Основные их представители: гранит и его излившиеся аналоги – кварцевые порфиры, липариты, вулканические стекла.

Средние породы (содержание SiO₂ от 52 до 65%). В эту группу входят глубинные породы: диориты (излившиеся аналоги – порфириты и андезиты) и сиениты (излившиеся аналоги – ортоклазовый порфир и трахит).

Основные породы (содержание SiO₂ от 40 до 52%). В эту группу входит глубинная порода габбро и ее излившиеся аналоги – диабаз и базальт.

Ультраосновные породы (содержание SiO₂ менее 40%) имеют только глубинное происхождение, не содержат полевых шпатов и кварца. Распространение очень ограниченное. На поверхности земли неустойчивы и легко поддаются выветриванию. К ним относятся пироксениты, перидотиты, дуниты.

Осадочные горные породы.

Происхождение осадочных пород. Любая находящаяся на земной поверхности порода подвергается воздействию выветривания, т. е. разрушительному воздействию воды, колебаний температур и т. д. В результате даже самые массивные, прочные магматические породы постепенно разрушаются, образуя обломки разных размеров, распадаясь до мельчайших частиц.

Продукты разрушения переносятся ветром, водой и на определенном этапе переноса отлагаются, образуя рыхлые скопления или осадки. Накопление происходит на дне рек, морей, океанов и на поверхности суши. Из рыхлых скоплений (осадков) с течением времени формируются (уплотняются, приобретают структуру и т. д.) различные осадочные породы.

Осадочные породы слагают  самые верхние слои земной коры, покрывая своеобразным чехлом породы магматического и метаморфического происхождения. Несмотря на то, что  осадочные породы составляют всего 5% земной коры, земная поверхность на 75% своей площади покрыта только этими породами. В связи с этим строительство производится в основном на осадочных породах. Инженерная геология этим породам уделяет наибольшее внимание.

Мощность толщ осадочных  пород колеблется в широких пределах – в одних местах она очень мала, в других исчисляется километрами.

Особенности осадочных  пород. Осадочные породы в силу специфических условий образования приобретают ряд особенностей, которые существенно отличают их от магматических и метаморфических пород. Это проявляется в минеральном и химическом составе, структурах, слоистости, пористости, зависимости состава и свойств пород от климата, в содержании органических остатков.

Минеральный и химический состав. В образовании осадочных пород, кроме минералов, из которых формировался рыхлый осадок (кварц, полевые шпаты и др.), принимают участие минералы, возникающие в данной породе в процессе ее существования (кальцит, каолинит и др.). Во многих случаях эти минералы играют существенную роль. Осадочные породы разнообразны по химическому составу. Это могут быть алюмосиликаты, карбонаты, окислы, сульфаты и др.

Структуры осадочных пород весьма разнообразны. Почти каждый тип породы имеет свою, присущую только ему структуру. Для рыхлых пород характерны обломочные структуры, для сцементированных – брекчиевидные.

Пористость типична для всех осадочных пород, за исключением некоторых плотных химических осадков. Поры бывают мелкие, крупные и в виде каверн. Общая пористость может быть велика, например, суглинки – 40-50 %, пески – 35-40% и т. д. В порах может 35—40% и т. д. В порах может располагаться вода, газ, органический материал.

Слоистость. Осадочные породы залегают в виде слоев, которые образуются в процессе периодического накопления осадков в водной и воздушной среде. В составе слоя может быть микрослоистость, отражающая осадконакопление в различные времена года. Микрослоистость характерна для озерных и речных отложений. В слое горной породы могут быть также тонкие слои других пород. Их называют прослоями. Например, в слое песка может быть тонкий прослой глины.

При резком различии слоев  по составу, например, слой известняка лежит на слое песка, более или  менее постоянной мощности и сравнительно большой занимаемой площади слои называют пластами. В таких случаях слои (пласты) обычно ограничены с двух сторон четко выраженными поверхностями, которые называют плоскостями (поверхностями) напластования, в том числе верхнюю плоскость называют – кровлей, нижнюю – подошвой, а расстояние между ними – мощностью слоя (пласта). Наибольшей мощностью пластов обладают морские отложения (до сотен и даже тысяч метров). Континентальные образования четвертичной системы, залегающие непосредственно под слоем почвы, имеют, как правило, относительно небольшую мощность – 10-50 м.

Комплекс слоев, объединенных сходством состава или возраста, или один слой, но значительной мощности нередко называют толщей. Примером могут служить толщи лёссовых пород, мощность которых может достигать десятков метров.

Слои образуются в  процессе накопления осадков в морях, озерах, долинах рек и т. д. Это обусловливает образование слоев различной формы как по размеру в плане, так и по очертаниям по вертикали. Наиболее обычным является нормальный слой (рис. 11), для которого характерна сравнительно большая мощность и протяженность, параллельность кровли подошве. Для континентальных отложений характерны также линзы — слои, занимающие малые с выклиниванием мощности к краям слоя и выклинивающиеся слои, мощности которых уменьшаются в одну сторону.

Важное практическое значение для инженерной геологии представляет сочетание слоев. При согласном залегании слои лежат параллельно друг другу (рис. 11) ,чаще всего горизонтально. Такое залегание слоев характерно равнинам. В других случаях за счет тектонических движений земной коры возникает несогласное залегание слоев 4 (рис. 11). Одна группа слоев при этом залегает непараллельно другой группе.

Климатические условия влияют на состав и свойства осадочных пород: в пустынях образуются породы обломочного характера, в замкнутых бассейнах накапливаются отложения солей и т. д. Окраска пород зависит от климатических условий: породы тропиков и субтропиков обладают красноватой окраской, холодному климату свойственны серые тона.

Органические остатки  наблюдаются в большинстве осадочных  пород. Это остатки растений или  скелетных частей организмов в виде окаменелостей.

Классификация осадочных пород. Осадочные породы принято подразделять на три основные группы: 1) обломочные, 2) химического происхождения (хемогенные) и 3) органогенные, возникшие в результате жизнедеятельности организмов. Это деление несколько условно, так как многие породы имеют смешанное происхождение, например отдельные известняки содержат в своем составе материал органогенного, химического и обломочного характера.

Характеристика  групп осадочных пород.

Породы обломочного происхождения состоят из продуктов механического разрушения магматических и метаморфических пород, а также ранее образовавшихся осадочных пород (песчаников, известняков и др.).

В табл. 4 приведена основная классификация обломочных пород. В  ее основе: размеры обломков – грубые, песчаные, пылеватые, глинистые; внешние очертания обломков (угловатые или окатанные) и наличие структурных связей между обломками (рыхлые скопления или сцементированные между собой обломки).

Следует отметить что  глинистые частицы к обломкам отнесены  условно, так как их происхождение больше связано с химическими процессами и меньше с механическим разрушением. Окатанность возникает в процессе переноса обломков водой. В природе чаще всего встречаются скопления состоящие из обломков разного размера. Название обломочной породе при этом дается по обломкам, которые в породе занимают основное место.

К обломочным породам  в виде самостоятельной группы относят  пирокластические породы, которые формируются  из твердых вулканических продуктов (пепла, песка). Оседая на поверхность земли, песок и пепел образуют сцементированные накопления (пепел, туфы и др.).

Рыхлые  обломочные породы.

Грубообломочные породы. В их состав входят угловатые (глыбы щебенъ, дресва) и окатанные (валуны, галька, гравий) обломки различных горных пород. Наибольшее их количество приходится на горные районы, морские побережья, речные долины, районы ледниковых отложений

Песчаные породы – рыхлые накопления, состоящие из обломков минералов песчаного размера (2-0,05 мм). Таких частиц в породе должно быть не менее 50%. По крупности частиц пески подразделяют на крупные (2-0,5мм), средние (0,5-0,25мм), мелкие (0,25-0,1мм) и пылеватые (менее 0,1мм).