Осадочные горные породы

Осадочные горные породы составляют всего 8% земной коры, однако земная поверхность на 75% своей площади покрыта только этими породами.

В связи с тем, что строительство производится в основном на осадочных породах, они служат основанием зданий, сооружений и широко используются как строительный материал.

Мощность осадочных пород различна, начиная от нескольких метров и заканчивая десятками километров.

Образуются осадочные горные породы в результате разрушения и последующего отложения разнообразных продуктов выветривания магматических, метаморфических и осадочных пород.

Образование их связано с экзогенными процессами, протекающими на поверхности земли и в гидросфере. Эти процессы представляют собой совокупность действия колебаний температуры, воздействий воды, ветра, газов, деятельности организмов и др. факторов, т.е. выветривание.

Продукты выветривания могут оставаться на месте разрушения. Так в результате физического выветривания образуются элювиальные отложения. Но обычно остается лишь небольшая их часть. Основная же масса переносится текучими водами, ветром, льдом, организмами (пролювий).

В процессе переноса и отложений происходит их дифференциация. Различают следующие виды дифференциации:

1 . Механическая дифференциация - разделение и последовательное выделение частиц разрушенных пород в процессе осадкообразования по величине частиц, форме и плотности, (сортировка обломочного материала)

2. Химическая дифференциация - последовательное выпадение веществ, находящихся в растворенном состоянии. Зависит она от степени растворимости вещества.

Механическая и химическая дифференциации тесно связаны друг с другом. Обычно начинается механическая дифференциация, а затем они идут одновременно.

В океанах и морях происходит непрерывный созидательный процесс. Ежегодно в них сносится реками более 13 млн. т. (6 мрд. м^З) разрушенных горных пород в виде взвешенных механических частиц и приблизительно 5 млн. т растворенных веществ. На дне эти осадки накапливаются, постепенно уплотняются (диагенез) и обезвоживаются, а затем жидкие, перекрытые сверху осадки преобразуются в горную породу.

В результате растворения и удаления неустойчивых соединений в новой среде формируются новые более устойчивые группировки, происходит частичная перекристаллизация веществ и их цементация с новообразованием различных конкреций. Формируются толщи осадочных пород, (доломиты, известняки, мергели, глины) часто огромной мощности.

Итак, осадочные породы формируются на поверхности земли и являются результатом:

а) разрушения других, ранее образовавшихся пород (обломочные),

б) выпадением различных, главным образом химических образований из

водной среды (химические);

в) накоплением продуктов жизнедеятельности растительных и животных организмов на суше и в водных бассейнах (органогенные)

Классифицировать осадочные породы можно по минералогическому составу и генетическим признакам:

По генетическим признакам, т.е. условия образования, все осадочные породы можно разделить на 3 группы:

1.Обломочные - образовавшиеся из механических осадков - гравий, песок, глины...

2. Хемогенные - из химических осадков истинных или коллоидных растворов. Выделение их зависит от концентрации солей и температуры раствора.

- галит, калийные соли, некоторые известняки, доломит, боксит, кремнистые породы, гипс.

3. Органогенные - скопление твердых скелетных остатков различных организмов.

Образование этих горных пород включает биогенные процессы и химические действия воды, кислорода, кислот и различных газов. Оба эти процесса обычно протекают совместно, часто бывает трудно определить, какие процессы превалировали в образовании некоторых фосфоритов известняков.

Большая группа осадочных пород (железистые, алюминиевые и марганцевые руды) возникают хемобиогенным путем. По химическому составу это могут быть породы – карбонатные, состоящие из минеральных остатков различных кораллов, плеченогих, иглокожих, моллюсков, водорослей (известняк, мел, доломитизированный известняк);

кремнистые - представленные скоплениями радиолярий, скорлупками диатомовых водорослей, кремнистыми губками - диатомит, трепел, опока, яшма;

фосфатные -остатками позвоночных животных, некоторыми раковинами плеченогих.

В особую группу выделены горючие породы - образованные в основном углеродом в свободном состоянии и в форме соединений с примесью азота, водорода, кислорода и всевозможных минеральных веществ. Это породы угольного ряда - торф, бурый уголь, каменный уголь горючие сланцы; битумного ряда - нефть, озокерит, асфальт, природные горючие газы, горючие сланцы.

Осадочные породы имеют ряд важных особенностей:

1) Минеральный и химический состав.

2) Структура.

3) Слоистость. Текстура.

4) Пористость.

5) Зависимость от климатических условий состава и свойств пород.

6) Наличие остатков флоры и фауны.

1.Минеральный и химический состав осадочных пород.

В образовании осадочных пород кроме минералов, из которых формировался рыхлый осадок (кварцу, полевые шпаты), принимают участие минералы, возникающие в данной породе в процессе ее существования (кальцит, каолинит...). Осадочные породы разнообразны по химическому составу. Это могут быть карбонаты, сульфаты, алюмосиликаты и т.д.

2.Структуры осадочных пород весьма разнообразны. Для рыхлых и сцементированных обломочных пород - определяется размером зерна, его формой, степенью окатанности.

Для сцементированных пород - органогенного происхождения - наличием остатков растений и организмов, слагающих данную породу (известняк, ракушечник).

3.Слоистость, текстура - это определенная форма залегания осадочных пород. Осадочные породы, как правило, залегают в виде слоев или пластов, строго чередуясь, даже на больших расстояниях. Слоистость возникает в результате различных условий образования осадков. Отсюда для каждого вида осадков характерна определенная слоистость. Она может быть простой и сложной.

Важное практическое значение для инженерной геологии представляет сочетание слоев.

При согласном залегании слои лежат параллельно друг другу, чаще всего горизонтально. Такое залегание слоев характерно равнинам.

В других случаях за счет тектонических движений земной коры возникает несогласное залегание слоев. Одна группа слоев при этом залегает не параллельно другой.

Текстура для сцементированных пород определяется по взаимоотношению зерен и цемента.

Различают в основном 4 типа цементации рис.2.

Рис.2. Типы цементации: а- базальный цемент; б- контактовыйцемент;

в- пленочный цемент; г- цемент выполнения пор

Базальный (основной) - в котором составные части как бы «рассеяны» в растворе. Цементация механически прочная.

Контактовый - развит только в местах соприкосновения зерен. Цементация непрочная.

Пленочный – цемент обволакивает зерна цементирующим веществом. Цементация обеспечивается взаимодействием между пленками.

Цемент пор - выполнение цементом в большей или меньшей степени пространства между соприкасающимися зернами. Прочность цементации различна.

4.Пористость - суммарный объем всех пустот, пор и трещин в породе.

О количественной оценке объема пор судят по коэффициенту пористости. Это отношение объема пор к объему породы, выраженное в процентах.

Пористость - характерный признак большинства осадочных пород, исключением являются лишь химические осадки, которые нередко имеют довольно высокую плотность (плотные известняки, гипсы, галит).

5.Климатические условия влияют на состав и свойства породы и откладывают определенный отпечаток. Например, наличие жаркого, сухого климата и замкнутого бассейна создает предпосылки для образования осадков химического происхождения (соль, гипс, известняки и др.). Наличие морского бассейна способствует образованию осадков как химического, так и органогенного происхождения. В прибрежных морских условиях очень много растений и животных, которые, отмирая, образуют колонии рифов, известняков, ракушечник и т.д. В пустынях - породы обломочного характера (песок, песчаник).

Окраска осадочных пород разнообразна и в известной мере зависит от климата. Например, если накопление осадков идет в условиях теплого, но влажного климата, то им свойственна красноватая окраска, для северных районов (холодный, влажный климат) образуются породы с характерными светло-серыми тонами.

6.Наличие остатков фауны и флоры.

У большинства горных пород осадочного происхождения имеются в своем составе остатки растительного и животного происхождения. Например, известняки - ракушечники, торф, каменный уголь. По наличию растительных и животных остатков судят о возрасте горной породы и палеогеографическим условиям, которые способствовали образованию осадков того или иного характера.

Обломочные породы

Образуются в результате механического разрушения различных горных пород (магматических, метаморфических) под внешними геологическими агентами (изменение температуры, действие воды, силы ветра и т.д.). По состоянию породы различают: рыхлые (глыбы, валуны, щебень, галька, дресва, пески и др.) и сцементированные (брекчии, песчаники, алевролиты и др.).

По видам и размерам обломков различают:

1) грубообломочные- обломки в диаметре более 100 мм.

В их состав входят угловатые (глыбы) и окатанные обломки (валуны). Эти породы имеют слоистую форму залегания, наибольшее количество их приходится на горные районы, морские побережья, речные долины, районы ледниковых отложений.

2) крупнообломочные - размер 2-100 мм. Входят сюда щебень, галька, дресва, гравий.

Сцементированные галька и гравий носят название конгломерат; сцементированные щебень, дресва - брекчия.

Некоторые конгломераты внешне очень декоративны. Они похожи на полированный, зеркально-блестящий камень с мозаичным рисунком. Словно крупные разноцветные пятна выделяются в нем обломки серого известняка, красного гранита, фиолетового порфирита и других ярко окрашенных пород. Таким конгломератом облицованы полы в ряде зданий Еревана.

Грубо - и крупнообломочные породы применяют в строительстве как заполнитель при изготовлении бетона, в дорожном деле, при устройстве фильтров. Сцементированные разновидности пород используются как красивый облицовочный материал, поделочный камень, с кремнистым и карбонатным цементами как строительный материал.

3) среднеобломочные - размер частиц 2-0,05 мм. Они в свою очередь подразделяются на рыхлые породы - пески и сцементированные - песчаники,

По минералогическому составу пески могут быть мономинеральными (кварцевыми) или полиминеральными (кварцево-полевошпатовыми). Окраска песков различна, наиболее характерна белая, серая, бурая.

По происхождению выделяются пески речные, озерные, морские, ледниковых отложений и пески пустынь.

По размеру частиц пески могут быть равномерно - и разнозернистыми. Кроме того, их подразделяют на:

гравелистые (содержание частиц > 2 мм более 25%);

крупные (содержание частиц > 0,5 мм более 50 %);

средней крупности (частицы > 0,25 мм в количестве, превышающем 50 %);

мелкие (частицы > 0,1 мм в количестве, превышающем 75 %);

пылеватые (содержание частиц > 0,1 мм меньше 75 %).

Пески широко используются в стекольной, фарфорово-фаянсовой и металлургической промышленностях, в дорожном деле. Они являются мелким заполнителем бетонов, цементных растворов. Песок - главная составляющая часть силикатного кирпича.

Песчаники - сцементированные пески. Они широко применяются как строительный материал (бут, плиты, щебень и т.д.), для облицовки наружных частей зданий, интерьеров;

Богатые кремнеземом (не менее 97%) разновидности используются в качестве кислотоупорного материала и ценного сырья для производства огнеупоров, а также для изготовления точильных кругов, жерновов, брусков и т.д.

4) мелкообломочные породы (пылеватые породы, алевриты (0,05-0,005 мм) - суглинки

К суглинкам относятся тонкозернистые пылеватой структуры породы, среди которых заметную роль играют лессы.

Лессы обладают высокой пористостью (до 55 %). Выделяют макро пористость при наличии крупных пор, различаемых невооруженным глазом.

По внешнему виду они представляют собой однородную палевую, серовато-желтую или светло-желтую породу. Применяются лессы при изготовлении кирпича, строительных растворов, для получения низкотемпературного цемента.

Сцементированные алевриты - называют алевролитами. Отличаются от лёссов тем, что не размокают в воде. В строительной практике относятся к полускальным или слабым скальным грунтам. Применяют как строительный камень.

5) тонкообломочные – размер частиц <0,005 мм. Рыхлые породы – глины. Они составляют около 50% общего объема осадочных пород. По минералогическому составу могут быть мономинеральными (каолиновые, монтмориллонитовые) и полиминеральные.

Окраска глин может быть разнообразная: бурая (гидрослюдистая), белая (каолиновая, монтмориллонитовая), зеленая и т.д. Она зависит от состава минералов и красящих примесей (окислов железа, органических веществ).

В большинстве случаев глины гидрофильные. В сухом состоянии они твердые и плотные, в соединении с водой дают пластичную, жирную на ощупь массу и увеличиваются в объеме (набухают).

Наибольшее набухание дают монтмориллонитовые (“шоколадные”) глины. При высыхании глины изменяют свой объем (усадка) и нередко разбиваются системой трещин.

Применение глин различно. Глины широко применяют для красок, сырья для кирпичей, черепиц, для производства фаянса, фарфора, а также в стекольной, бумажной и резиновой промышленности.

Гидрослюдистые глины применяются для изготовления кирпича, грубой керамики, черепицы. Гидрослюдистые карбонатные глины - в цементной промышленности. Каолиновые глины - это наполнитель бумаги, огнеупорный материал, сырье фарфорово-фаянсовых изделий. Глины монтмориллонитовые используются, прежде всего, в нефтяной, текстильной, мыловаренной, резиновой, керамической, пищевой и других промышленностях. Они широко применяются при технической мелиорации грунтов для тампонажа трещиноватых или сильно кавернозных известняков, гипсов и иных карстующихся пород.

Аргиллиты - плотные сцементированные глинистые породы, не размокающие в воде. Они могут рассматриваться как непрочные полускальные грунты в строительстве, так как аргиллиты весьма трещиноваты и легко выветриваются.

6) смешанные обломочные породы – это смесь глинистых, алевритовых, песчаных фракций. Они содержат 25-50% глинистых примесей.

Породы этого типа довольно широко распространены у поверхности земли. Одним из представителей этого типа является мергель, состоящий из углекислого кальция химического или органогенного происхождения и глини­стых частиц. По внешнему виду он похож на глину. Легко вскипает от воздействия раствора соляной кислоты. Окра­ска различная от белых тонов до розовых и т.д.

Образуются мергели в морях, лагунах. Мергели подвержены процессам выветривания, образуют щебень. Его называют часто «трескун», он действительно трескается и рассыпается.

Применяются как облицовочный материал, сырье для получения извес­ти, цемента, как щебень для засыпки, для строительства дорог и т.д.

Химические (хемогенные) породы

Они образуются в результате выпадения из растворов химических осадков. К породам химического происхождения относятся различные известняки, доломиты, ангидриты, гипс, каменная соль и др.

Большинство пород хемогенного происхождения образуется на дне водных бассейнов, при сухом жарком климате. Происходит резкая концентрация содержания солей и выпадения в осадок.

Эти породы имеют одну общую особенность. Они растворимы в воде и обладают трещиноватостью (гипс, соль).

Наиболее характерным для типа этой породы является минерал кальцит (СаСО_З), иногда доломит (CaMg(CO₃)₂) и многие примеси (кварц, пирит и др.).

Окраска известняков белая, серая, иногда желтоватая. Сложение иногда оолитовое (оолитовые известняки, оолиты -скопления округлых зерен кальцита диаметром от 0,5 до 25 мм). Прочность их низкая 16-20 Мпа. Кальцит легко реагируют с HCl. Растворяются в воде с углекислотой, заимствованной из воздуха, при этом, его растворимость возрастает в 30-40 раз. В течение геологического времени влага, просачиваясь по трещинам, постепенно растворяет углекислый кальций и уносит с собой. Трещины расширяются и превращаются в лабиринты узких ходов, каверны и естественные колодцы.

Карбонаты широко используются в металлургической промышленности, при изготовлении стекла, в виде стенового материала, бутового камня, щебня, облицовочного материала, производства извести.

Известковые туфы образуются в континентальных условиях в местах выхода родников. Поступая на поверхность земли, вода теряет часть содержащего в ней СО₂. Известковые туфы представляют собой пористые не слоистые отложения.

Доломиты CaCO₃*MgCO₃ тоже широко распространенные как горные породы химического происхождения. Они внешне похожи на известняки, но только больше примесей дающих ржавый цвет или оттенок. Образуются в морских, мелководных бассейнах. Доломиты не реагируют с HCl в куске, а вступают в реакцию в порошке или в подогретом виде. Доломит является прекрасным огнеупорным материалом с температурой плавления 2300 ⁰ С.

Сульфатные породы представлены гипсом СаSO₄·2Н₂О,ангидритом СаSO₄, галитом NаСl, сильвином КСl.

Под влиянием воды ангидрит при небольшом давлении 0,1 МПа может переходить в гипс с увеличением объема на 30%.

Ангидрит применяется как строительный, отделочный камень, для производства цемента, получения серной кислоты.

Сырой гипс применяется при производстве портландцемента, для изготовления скульптур, в качестве удобрения. Волокнистый гипс (селенит) -для поделок. Обожженный гипс - для лепных работ в архитектуре, для штукатурки, в медицине, в цементной и бумажной промышленностях.

Каменная соль применяется в химической промышленности, керамике, мыловарении, медицине, металлургии, для укрепления грунтов.

Органогенные породы

Это породы, образующиеся из остатков живых организмов и растений. Название известняка органогенного происхождения ассоциирует с видом того животного или растения от которого произошел тот или иной вид. Например, известняк коралловый, образовался из построек коралловых полипов. Известняк брахиоподовый - из раковин брахиопод и т.д.

Мел - это разновидность известняка, образовался он из остатков водорослей, одноклеточных животных. Также бурно реагирует с НС1.

Такие породы органогенного происхождения как диатомит, трепел в основном образованы из остатков водорослей, радиолярий и спикул губок и небольшим содержанием глинистого материала. Содержат до 80-90% кремнезема.

Все эти породы используются в цементной, металлургической, стекольной, бумажной, резиновой промышленности, а также для изготовления красок, белил.

В особую группу необходимо выделить углеродистые породы или каустобиолиты.

Для получения этих видов пород необходимы были определенные условия: наличие богатого растительного и животного мира, климатические условия, способствующие широкому процветанию этих видов, а также и другие факторы (давление, температура), способствующие преобразованию органического вещества. Условия для дальнейшего преобразования органических остатков не везде были одинаковы, отсюда создавались разные породы: торф, уголь, горючие сланцы, битум, нефть и природный газ.

На дневной поверхности пустынных континентов под окисляющим действием атмосферы органические остатки разлагались почти целиком. Органическое вещество переходило в газообразные продукты, которые рассеивались в атмосфере.

Органические вещества, захороненные в болотах и в озерах, без доступа кислорода разлагаясь, образуют торф.

Образование нефти связано с более сложными процессами, происходящими в земной коре. В качестве факторов, обеспечивающих превращение органического вещества в нефть, исследователи называют температуру, давление, катализаторы, микробиологическую деятельность, зараженность бассейна сероводородом, окисление и т.д.

Значение каустобиолитов (торф, уголь, горючие сланцы и нефть) особенно велико в качестве энергетического сырья.

В последнее десятилетие нефть и ее продукты применяются не только как топливо, но и как сырье для химической промышленности. Из нефти сейчас добывают свыше 2000 видов продуктов, используемых в быту и промышленности.

Все виды угля (бурый, каменный, антрацит) тоже являются ценным энергетическим сырьем. Они широко используются для нужд нашей экономики (топливо, сырье для химической промышленности и т.д.).

Инженерно-геологическая характеристика осадочных пород

Грубообломочные и крупнообломочные породы. Общая прочность этих пород зависит от видов обломков и как они сложены.

Различают рыхлые породы (глыбы, валуны, щебень, галька) и сцементированные конгломераты и брекчии.

Под нагрузками эти виды пород практически не уплотняются и относятся к надежным основаниям различных промышленных и гражданских сооружений.

Рыхлые породы обладают большой водопроницаемостью. В водонасыщенном состоянии теряют сопротивляемость сейсмическим явлениям.

Многие физические свойства грубо- крупнообломочных осадков зависят в значительной мере от степени выветрелости обломков.

Среднеобломочные породы (пески) характеризуются тем, что лишены структурных связей и находятся в сыпучем состоянии, даже при увлажнении приобретают незначительную связность. Обладают водопроницаемостью (от средней до высокой). Под давлением пески уплотняются незначительно. Пористость при этом снижается всего на 1-2%.

Сцементированные пески – т.е. песчаники. Наиболее прочные и устойчивые песчаники с кремнеземистым цементом. Прочность доходит до 200 МПа.

Строительные качества песчаников очень высокие. Ухудшают их примеси пирита, лимонита, глинистые прослойки. А в целом песчаники являются устойчивыми и надежными основаниями для различных инженерных сооружений.

Мелкообломочные породы- алевриты. Наиболее широко распространены в природе лессы и лессовидные суглинки.

Для них характерно свойство- просадочность.

Просадочность- это явление, связанное с воздействием воды на структуру грунта с последующим ее разрушением и уплотнением под весом самого грунта или сооружения. Отсюда в районах залегания лесами необходимы четкие критерии механизма просадочности и знания расчетов при строительстве зданий , сооружений.

Тонкообломочные породы - глины. Особенностью их является большая сжимаемость под давлением. Глины при увлажнении набухают, становятся пластичными. С этим свойством связано явление - оползни.

Оползни - опасное явление при строительстве. Поэтому при выборе площадок для строительства с этим явлением нельзя не считаться. После обжига глины наоборот становятся крепкими, теряют свою пластичность.

Органогенные породы характеризуются значительной пористостью, многие подвержены растворению в воде, обладают большой сжимаемостью (торф).

Каустобиолиты. Для строительных целей каустобиолиты конечно имеют небольшое значение, но их происхождение, места скоплений необходимо знать.

Торф, например, обладает большой пористостью, влажностью, сильно сжимается под нагрузками. Объемный вес у него 600-110 кг/м^З. Залегает слоями. Осадка сооружения, построенная на торфе, значительна и продолжается десятки лет.

Породы химического происхождения подвержены трещиноватости. Появление трещины в породе увеличивает поверхность соприкосновения с водой. Тем самым увеличивается интенсивность растворения их. Поэтому при выборе площадок для строительства, при изучении пород ее слагающих, необходимо обращать внимание и на этот важный факт.

Таким образом, в целом инженерно- геологические характеристики оса­дочных пород определяется следующим:

-осадочные породы обладают сжимаемостью и растворимостью,

-отличаются повышенной устойчивостью против выветривания;

-подвержены деформационным процессам (размоканию, просадками);

-имеют слоистость, обуславливающая неоднородность их свойств в
различных направлениях (явление анизотропии);

-обладают высокой пористостью, остатками фауны и флоры,

Исходя из инженерно-геологической классификации горных пород только часть их (песчаники, известняки, доломиты, мергели, мел) относятся к классам скальных и полускальных пород, наиболее же распространенные и важные как грунты разности (пески, глины, лессы) принадлежат к нескальным связанным и несвязанным породам и отсюда обладают специфическими физико-техническими свойствами.