Передмова.

 

Основою кожної інженерної споруди є гірські породи, які у взаємодії з фундаментами суттєво впливають на надійність експлуатації будівлі. Для підземних споруд гірські породи слугують за навколишнє середовище. Від складу гірських порід, їх будови, стану, властивостей, а також від умов залягання залежить вибір конструкції споруди, методи проходки і кріплення котлованів, підземних виробок, застосування заходів щодо зменшення негативної дії небезпечних геологічних процесів і явищ.

Знання з інженерної геології необхідні будівельникам для забезпечення надійної роботи будівель і споруд у складних природних умовах із дотриманням сучасних вимог раціонального використання і охорони довкілля та високого рівня техніко-економічної ефективності будівництва.

Фахівець з основ та фундаментів повинен добре знати інженерно-геологічні особливості головних генетичних комплексів гірських порід і типові для них геологічні процеси, що відбуваються внаслідок дії різноманітних природних та техногенних чинників. Інженер повинен володіти головними принципами і методами вивчення гірських порід, геологічної будови основ, гідрогеологічних умов і геологічних процесів.

Інженер-будівельник повинен вміти:

- розпізнавати виявлені при розробці котловану гірські породи і прояви небезпечних геологічних і інженерно-геологічних процесів;

- оцінити розходження фактичного геологічного розрізу в конкретних природних умовах із вказаним в матеріалах проекту фундаментів;

- при проектуванні певного об’єкта аналізувати і читати головну інженерно-геологічну документацію з метою вибору місця для будівництва;

- давати оцінку інженерно-геологічних умов району і прогноз їх зміни за час будівництва і експлуатації споруд;

- складати на основі первинної інженерно-геологічної документації узагальнену характеристику інженерно-геологічних та гідрогеологічних умов будівельного майданчика;

- обґрунтувати головні проектні рішення з основ і фундаментів із урахуванням взаємодії їх з довкіллям і запропонувати заходи щодо його охорони;

- установити склад додаткових інженерно-геологічних досліджень, необхідних для проектування конкретних споруд.

Завданням нашої дисципліни є вивчення трьох головних розділів: геології, гідрогеології та безпосередньо інженерної геології.

Геологія – це наука про Землю, її будову, склад, історію розвитку та процеси, що відбуваються на її поверхні і в надрах.

Гідрогеологія – наука про підземні води, іх походження, класифікацію, закони руху.

Інженерна геологія – це наука, що вивчає властивості гірських порід як основи будівель і споруд (розділ „грунтознавство”) та фізико-геологічні процеси і явища, які впливають на умови будівництва і експлуатації (розділ „геодинаміка”).

До складу курсу входять також відомості із мінералогії (науки, що вивчає природні сполуки, однорідні за хімічним складом та фізичними властивостями), петрографії (науки про гірські породи, їх походження, класифікацію, властивості) і геоморфології (науки про стародавні та сучасні форми рельєфу).

Інженерна геологія виникла із загальної геології. Сама ж геологія сформувалася в самостійну науку в кінці ХVШ століття. Її засновниками були загальновідомі вчені - М. В. Ломоносов (1711-1765р.р), Д. Геттон (1726-1797), Ч. Ляйєль (1797-1875) та інші. Серед вітчизняних вчених значний внесок зробили вчені В.М. Севергін, А.П.Карпінський, Е. С. Федоров, А. Е. Ферсман, В. А. Обручев та інші.

Засновником інженерної геології був академік Ф. П. Саваренський (1881-1946), велику роль в становленні цієї науки зіграли також праці М. М. Філатова, А. Ф. Лебедева, В. В. Охотіна та ін.

Розвиток інженерної геології як самостійної галузі загальної геології почався в XIX столітті і мав три етапи:

1. Друга половина XIX століття.

2. 20…30-ті роки XX століття.

3. Період після Великої Вітчизняної війни.

Перший етап. В другій половині XIX та на початку XX століття в країні набуло значного розвитку будівництво залізниць, зокрема через Кавказький хребет, Сибір, Закаспій. Значна протяжність доріг, перетин ними територій з різноманітними природними умовами дали можливість накопичити велику кількість геологічних даних. Будівельники вперше познайомились з багатьма геологічними процесами - зсувами, карстом, обвалами і т. ін. Геологія почала застосовуватися для вирішення конкретних завдань будівельників.

Другий етап. Після відновлення зруйнованого народного господарства в країні в 20…30-х роках почалося величезне будівництво - гідротехнічне, промислово-цивільне та ін. Будувалися зрошувальні канали Середньої Азії, Дніпровська гідроелектростанція в Запоріжжі, судноплавні канали - Біломоро-Балтійський та Москва-Волга, велетенські промислові об'єкти в Харькові, металургійні комбінати на Дніпропетровщині

На цьому етапі інженери-геологи перейшли від якісної до кількісної оцінки властивостей гірських порід. З'явилися перші нормативи і технічні умови будівництва в складних природних умовах (в умовах вічної мерзлоти, на просадкових ґрунтах та ін.). Вийшли з друку перші книги з інженерної геології.

Третій етап. В країні відбувається велике будівництво. Це гідроелектростанції на Дніпрі, Волзі, ріках Сибіру, нові залізничні та автомобільні шляхи, міста, промислові об'єкти. Все це вимагало подальшого розвитку інженерної геології. На цьому етапі розвитку в інженерну геологію значний внесок зробили такі вчені як І. В. Попов, М. М. Маслов, М. Я. Денисов, А. К. Ларионов, В. П. Ананьєв і багато інших.

Сучасна інженерна геологія вивчає природні геологічні умови місцевості до початку будівництва, а також ті зміни, котрі відбуваються в довкіллі внаслідок будівництва та експлуатації споруд. В наш час жодна будівля чи споруда не може бути запроектована без відповідних інженерно-геологічних досліджень. Це визначає головні задачі інженерної геології.

1) вибір місця, найсприятливішого в інженерно-геологічному відношенні, для спорудження певної будівлі;

2) оцінка інженерно-геологічних умов території (вивчення геологічних умов, визначення фізико-механічних властивостей грунтів основи, виявлення небезпечних геологічних процесів) з метою вибору найбільш раціональних типів і конструкцій фундаментів і споруд ;

3) рекомендації необхідних заходів щодо інженерного поліпшення вибраної території.

 

1.2. Загальні відомості про Землю.

1.2.1. Походження Землі.

Сонячна система складається із Сонця, 9 великих планет і десятків тисяч малих планет, комет і метеоритів.

Питання про походження Землі - одне з найважливіших в природознавстві. Першою гіпотезою про походження планет була гіпотеза Канта-Лапласа, згідно з якою Сонячна система утворилася з величезної розжареної газоподібної туманності, що оберталася навколо своєї вісі. Земля спочатку була в рідкому стані, потім затверділа.

Подальший розвиток науки показав непереконливість цієї гіпотези. В 40-х роках XX століття російський вчений О. Ю. Шмідт (1891-1956) запропонував нову гіпотезу походження планет Сонячної системи. Він вважав, що Сонце на своєму шляху зустріло і захопило одне з пилових скупчень Галактики, а отже, планети утворилися не із розжарених газів, а з холодних твердих часток, які оберталися навколо Сонця. В цьому скупченні виникли ущільнені згустки матерії, що поклали початок планетам. За ствердженням О. Ю. Шмідта Земля спочатку була холодною. Надра її почали поступово розігріватися лише тоді, коли вона досягла значних розмірів. Це відбувалося за рахунок виділення тепла внаслідок розпаду радіоактивних речовин, що містяться в ній, хімічних реакцій, тертя при тектонічних рухах і т. ін. Надра Землі набули пластичного стану, щільніші речовини зосередились ближче до центру планети, легші - на поверхні. Відбулося розшарування Землі на окремі оболонки; воно продовжується до цього часу і є головною причиною тектонічних рухів.

Заслуговує уваги також гіпотеза В. Г. Фесенкова, який вважав, що в надрах зірок відбуваються ядерні процеси. В один із періодів це призвело до швидкого стиснення і збільшення швидкості обертання Сонця, внаслідок чого утворився довгий протуберанець (виступ), який відірвався від Сонця і розпався на окремі планети.

 

1.2.2. Форма і будова Землі. Геосфери Землі.

За формою Земля схожа на кулю, сплющену біля полюсів. Таку форму називають сфероїдом, але, оскільки поверхня Землі ускладнена глибокими океанічними западинами і високими гірськими системами на материках, цю дійсну, притаманну тільки Землі форму, називають геоїдом. Довжина земного меридіану складає 40008,548 км, довжина екватору - 40075,7 км. Відстань від полюсу до центра Землі - 6356км, від екватору – 6378км, середній радіус кулі, рівновеликої Землі, дорівнює 6371,11 км. Різниця між екваторіальним і полярним радіусом складає 21,5 км. Загальна площа поверхні Землі - 510 млн. км², із них площа суходолу - 149 млн. км² (28,8%), площа води - 361 млн. км² (71,2%). Об’єм Землі – 1,083х10¹²км³. Вік Землі за даними радіологічних методів складає 4,5 млрд. років.

Знання внутрішньої будови Землі має велике наукове і практичне значення, грунтуючись на вивченні землетрусів, визначенні маси і щільності Землі вважають, що наша планета має концентричну будову і складається із ядра, мантії і літосфери (див. рис. 1). На поверхні Землі знаходиться водяна оболонка (гідросфера), сфера життєдіяльності організмів (біосфера) і газова оболонка (атмосфера). Щільність внутрішніх геосфер зростає у напрямку до ядра.

 

 

Рис. 1. Схема будови Землі.

 

Ядро Землі займає біля 17% її об’єму і 34% її маси. Вважається, що ядро Землі виповнене залізом та нікелем. Воно має зовнішню і внутрішню сфери. Зовнішнє ядро не пропускає поперечні сейсмічні хвилі, тобто поводиться як рідина. В умовах високих температур і тиску це, звичайно, не рідина, але речовина має властивості рідини. Радіус ядра складає близько 3470 км, щільність досяга 9- 11 гр/см³. Внутрішнє ядро знаходиться в переущільненому, металізованому стані, що зумовлює магнітне поле навколо Землі. Температура досягає 2000…2500°С, тиск - до 3,5 млн. ат.

Мантія – найбільший елемент Землі, займає 83% її об’єму і біля 63% її маси. Верхня мантія розміщується в межах від 80 до 400 км, перехідна зона – 400…900 км, нижня мантія - 900…2900 км, середня щільність мантії 5,3…6,5 гр/см³. Особливу цікавість викликає склад мантії, оскільки земна кора з усіма корисними копалинами утворилася із речовини мантії. Виповнена вона переважно з кремнію, заліза, магнію, нікелю. Верхня мантія характеризується наявністю в ній астеносфери („геосфера” без міцності) – інтервалу з розм’якшеним, пластичним станом речовини. У верхній мантії містяться осередки розплавленої магми, зароджуються сейсмічні та вулканічні явища, відбуваються процеси гороутворення.

Літосфера (земна кора) - це зовнішня частина Землі поширюється до глибини 50…80 км. Найбільш вивчена її верхня частина (бурові свердловини досягли глибини 8…12 км). У межах материків літосфера товща, в межах океанів - тонша. Складається вона з різноманітних гірських порід і мінералів зі щільністю 2,7…2,8 г/см³. Хімічний склад до глибини 16 км такий: кисень - 46,8%; кремній-27,3%; алюміній-8,7%, залізо-5,1%, кальцій-3,6%, натрій-2,6%, калій -2,6%, магній-2,1%, інші елементи – 1,2%. За складом і потужністю виділяють три типи земної кори.

1. Континентальна кора має потужність до 80 км. Це магматичні, метаморфічні та осадові породи, що утворюють три шари. Верхній, осадовий, має невелику щільність, потужність його не перевищує 10…15 км. Підстиляє його гранітний шар потужністю 10…50 км; це магматичні та метаморфічні породи, переважно кислі за складом. В нижній частині кори залягає базальтовий шар потужністю до 30…40 км, містить магматичні породи переважно основного складу. Особливістю континентальної кори є наявність коренів гір - різкого збільшення потужності під гірськими системами до 100…120 км.

2. Океанічна кора значно тонша, її потужність зменшується до 5…10 км. Вона також складається із трьох шарів: пухкого осадового потужністю до кількасот метрів, потужнішого середнього шару із ущільнених осадів та продуктів підводних вулканічних вивержень та нижнього - базальтового, потужністю до 4…10 км.

3. Кора перехідних зон знаходиться на периферії великих континентів, де є моря і архіпелаги островів. Тут відбувається зміна континентальної кори на океанічну. За будовою, потужністю та щільністю порід ця кора займає проміжне положення між континентальною та океанічною.

Між атмосферою, гідросферою, біосферою і літосферою існує постійна взаємодія, що в значній мірі відзначається на будові, складі і властивостях гірських порід.

Гідросфера – зовнішня водяна оболонка Землі (океани, моря, ріки, озера, льодовики); вона вкриває 71,2% земної поверхні. На дні океанів виділяють три зони: континентальний шельф, материковий схил та океанічне ложе (див. рис. 2). Середня потужність світового океану біля 3,8 км, найглибша океанічна западина – 11022м (Маріанська в Тихому океані). Об’єм води у світовому океані сягає 1370 млн. км³.

 

Рис. 2. Зони відкладення морських осадів та їх співвідношення із зонами рельєфу дна Світового океану

 

Температура води змінюється в залежності від широти місцевості та глибини океану (до 150 м). Найвища температура верхнього шару води в Перській затоці +35,6°С, найнижча - у Північному Льодовитому окані -2,8°С. Середній вміст солей 3,5 г/л; це хлориди, сульфати, карбонати, йод, фтор, фосфор, рубідій, цезій, золото та ін. елементи. Значний вміст у воді органічних форм (бентос, планктон, нектон).

Біосфераабо сфера життєдіяльності організмів пов'язана з поверхнею Землі і невіддільна від інших геосфер. Вона охоплює нижню частину атмосфери, гідросферу, верхню частину літосфери. Мікроорганізми існують в земній корі до глибини сотень метрів. Організми і рослини суттєво впливають на гірські породи: руйнують їх, створюють нові.

Атмосфера – зовнішня повітряна оболонка, виповнена із суміші газів і оточує Землю шаром в 3000 км. Вона складається з трьох шарів: тропосфери, стратосфери та іоносфери

Тропосфера має товщину від 6 км біля полюсів до 15…18 км біля екватору. В тропосфері міститься майже 80% всієї маси газів атмосфери: це азот (78.0%), кисень (21,0%) аргон (0,93%), вуглекислий газ (0,031%) та інші гази, а також майже вся водяна пара. Температура на висоті 10…12 км складає -50°С. В тропосфері утворюються хмари зосереджуються теплові рухи повітря, відбувається кругообіг води.

Стратосфера розповсюджується до висоти 80…90 км. Присутність озонового шару на висоті 25 км обумовлює підвищення температури до +25°С, але на висоті 80…90 км вона знову знижується до -60...-90°С.

Іоносфера - це верхня частина атмосфери, яка на висоті 3000 км переходить у міжпланетний простір. Іоносфера має невелику щільність та високу іонізацію газів. На висоті 220 км фіксується підвищення температури до кількасот градусів.

 

1.2.3. Тепловий режим Землі.

 

Земля має два джерела тепла: зовнішнє - від сонячної радіації (99,5%) та внутрішнє - від розпаду радіоактивних речовин, хімічних реакцій, тертя при тектонічних рухах та ін. (0,5%.). Сонце щохвилини дає на 1см² земної поверхні близько 8,1 Дж теплової енергії (це сонячна константа). Цим теплом можна нагріти 1г води на 2⁰С.

В земній корі виділяють три зони розподілу температур (рис. 3):

I – зона добового та сезонного коливання температур;

II – зона постійних температур;

III - зона зростання температури з глибиною.

 

Рис. 3. Схема розподілу температури у Земній корі.

Загальна потужність першої зони - 9…15м (для Дніпропетровська -10 м); добові коливання температури затухають на глибині біля 1.5 м, це залежить від кліматичних умов місцевості. Взимку в цій зоні утворюється підзона з мінусовою температурою - глибина промерзання ґрунту (в м. Дніпропетровську вона сягає 80…90 см).

На глибинах 15…40 м знаходиться зона незмінної температури, яка дорівнює середньорічній для місцевості: у північній півкулі це +15.5°С, у південній +1З,6°С.

В межах третьої зони температура зростає при заглибленні. Величина підвищення температури на кожні 100 м глибини називається геотермічним градієнтом. Середня величина геотермічного градієнта складає 3⁰С. Інтервал глибин, в якому температура зростає на 1°С, називають – геотермічним ступенем. Середня величина геотермічного ступеня дорівнює 33 м. Вказана закономірність справедлива тільки до певних глибин Земної кори.

2. МІНЕРАЛИ ТА ГІРСЬКІ ПОРОДИ

 

2.1. Мінерали, їх походження та класифікація

2.1.1. Загальні відомості

Мінерали - це природні сполуки, однорідні за фізичними властивостями і хімічним складом. Виникають вони в надрах Землі або на її поверхні внаслідок фізико-хімічних процесів.

Усього в природі налічується кілька тисяч мінералів. Приблизно 100 з них зустрічаються досить часто. Оскільки вони створюють переважну більшість гірських порід, то їх називають породотворними. Мінерали бувають в твердому (кварц, кальцит та ін.), рідкому (вода, нафта) та газоподібному (азот, кисень, вуглекислий газ) стані.

В земній корі мінерали інколи зустрічаються самостійно, але найчастіше вони входять до складу гірських порід. Певні їх комбінації і кількість в значній мірі визначають властивості гірських порід. Якщо мінерал складає понад 10% маси породи, то його називають головним, менше 10% - другорядним (акцесорним).

Тверді мінерали бувають як кристалічними, так і аморфними. Кристалічні мінерали анізотропні, тобто їх фізичні та оптичні властивості в різних напрямках не однакові. Кристали таких мінералів можуть мати форму правильних багатогранників (галіт), оскільки атоми в них розмішені в закономірному порядку, що створює просторові кристалічні грати. Аморфні мінерали мають у всіх напрямках однакові властивості, без кристалічної структури, оскільки їх атоми розміщені безладно (кремінь).

Українські вчені винайшли значну кількість штучних мінералів, які в природі не зустрічаються, приміром, штучні алмази та інші з`єднання вуглецю і кремнію твердіші за природні алмази.

Оскільки кожен мінерал утворюється внаслідок різноманітних геологічних процесів, то й існувати він може лише у відповідних умовах; визначальне значення мають температура, тиск, концентрація речовин. Коли ці умови змінюються, мінерал видозмінюється або руйнується.

 

 

2.1.2. Походження мінералів

Мінерали утворюються трьома шляхами: ендогенним, екзогенним і метаморфічним.

Ендогенним шляхом мінерали утворюються з магми - вогняно-рідкого силікатного розплаву, збагаченого газами і водяною парою. Ці мінерали часто називають магматичними. При зниженні температури магма твердіє, кристалізується, утворюються мінерали. Так виникають силікати, кварц та ін. Характерною рисою цього процесу є наявність високої температури (>1200°С) та високого тиску (до 3000 т/см²). Ендогенні мінерали первинні за походженням.

Екзогенні процеси протікають на поверхні Землі, на суходолі або у водяному середовищі. Вони сприяють створенню осадових мінералів, вторинних за походженням На суші осадові мінерали виникають в процесі вивітрювання, тобто, руйнування існуючих порід під дією води, вуглекислого газу, кисню, добових та сезонних змін температури і т. ін. Так, наприклад, виникає каолініт, кварц при хімічному вивітрюванні ортоклазу. У водяному середовищі мінерали осідають із перенасичених розчинів (галіт, кальцит) при їх охолодженні або висиханні.

Метаморфічним шляхом мінерали виникають внаслідок перетворення магматичних і осадових мінералів під дією високих температур, високого тиску, а також магматичних газів та водяної пари. Вказані мінерали змінюють свій початковий стан, зазнають перекристалізації, набувають більшої щільності та міцності. Так утворилися рогова обманка, тальк, хлорит та ін. метаморфічні мінерали, вторинні за походженням.

2.1.3. Фізичні властивості мінералів.

Мінерали відрізняються один від одного як своїм хімічним складом, так і фізичними властивостями (зовнішніми ознаками); головні з них такі: твердість, колір, блиск, прозорість, щільність, злам і спайність; деякі мінерали мають особливі властивості. Більшість породотворних мінералів мають 2…3 визначальні ознаки, за якими їх завжди можливо розпізнати.

Колір залежить від хімічного складу мінералу та домішок, які можуть суттєво впливати на забарвлення. Є мінерали, які, залежно від кольору отримаи свою назву (рубін - червоний, альбіт - білий, хлорит - зелений). Зустрічаються мінерали з різноманітним забарвленням, приміром, кварц може бути безбарвним, білим, буро-жовтим, сірим, бузковим, чорним. Для деяких мінералів визначають також колір мінералу, розтертого в порошок: він встановлюється за кольором риски, яку мінерали залишають на непокритій поливою порцеляновій поверхні. Наприклад, золотисто-жовтий пірит має чорний або чорно-зелений колір риски.

Прозорість - це здатність мінералу пропускати промені світла. За цією властивістю розпізнають прозорі (гірський кришталь, ісландський шпат, топаз), напівпрозорі (гіпс, галіт) та непрозорі (ортоклаз, лабрадор) мінерали.

Блиск - здатність відбивати промені світла від своєї поверхні. Ця важлива діагностична властивість залежить від показника заломлення мінералу. Визначається блиск на поверхні свіжого зламу. Всі мінерали за цією ознакою розподілені на дві групи:

1. Мінерали з металевим блиском (пірит, самородне золото, мідь, срібло).

2. Мінерали з неметалевим блиском, серед яких зустрічається;

- скляний блиск має більшість мінералів ;

- масний ( кварц, галіт) ;

- перламутровий (мусковіт, тальк);

- шовковистий ( мінерали з тонковолокнистою будовою - рогова обманка, гіпс-селеніт ) ;

- восковий ( халцедон );

- алмазний ( алмаз, сірка );

- тьмяний або ж блиск відсутній ( каолініт, монтморилоніт, кремінь).

Твердість - це здатність протидіяти зовнішньому механічному впливу - дряпанню або розтиранню в порошок.

При розтиранні в порошок визначається дійсна твердість, при дряпанні - відносна. В геологічній практиці частіше вживається остання. Для встановлення відносної твердості користуються шкалою Мооса (див. табл. 1), до якої входять десять мінералів-еталонів.

 

Таблиця 1

Шкала твердості

Еталонний мінерал	Бал умовної твердості	Число твердості, кг/мм2	Польова шкала
Тальк		2,4	Графіт олівця
Гіпс			Ніготь - 2,5
Кальцит			Латунна монета – 3.5
Флюорит			Залізний цвях - 4
Апатит			скло » 5
Ортоклаз			ніж – 5.5 бали
Кварц
Топаз
Корунд
Алмаз

 

Для визначення твердості невідомого мінералу необхідно його рівну площину подряпати з легким натиском мінералом - еталоном або предметом, твердість якого відома. В якості еталонів твердості використовують різні предмети (табл. 1).

Щільність– це кількість речовини в одиниці її об’єму, тобто відношення маси мінералу до його об'єму. Поділяють мінерали на легкі - з щільністю до 2,5 г/см³ (сірка, гіпс, галіт, гази, вода), середні - із щільністю 2,5...4,0 г/см³ (кварц, ортоклаз, більшість породотворних мінералів) та важкі - щільність більше 4,0 г/см³ (пірит, золото)

Спайність - це здатність мінералів розщеплюватися або розколюватися при ударі в закономірних напрямках з утворенням рівних, блискучих поверхонь, що називаються площинами спайності. Ця властивість пов’язана з внутрішньою будовою і тому добре виражена у кристалічних мінералів.

Спайність буває:

- надто досконалою - коли мінерал легко розщеплюється на тонкі пластини чи волокна (тальк, слюди, азбест);

- досконалою - мінерал розколюється при ударі молотком з утворенням чітко окреслених площин; досконала спайність спостерігається в одному (гіпс), двох (ортоклаз) або трьох (кальцит) напрямках;

- середньою, коли мінерали від удару розколюються на куски, що покриті як площинами спайності, так і криволінійними поверхнями злому; кількість напрямків спайності не завжди вдається визначити (авгіт, рогова обманка) ;

- недосконалою, що визначається за допомогою лупи (апатит);

- надто недосконалою (спайність відсутня) - від удару мінерал розколюється в довільних напрямках (кварц, пірит).

Площини спайності слід відрізняти від граней кристалів; на останніх майже завжди є штриховка.

Злам (злом) - вид поверхні мінералу у напрямку, що не збігається з площиною спайності. Злам є важливою діагностичною ознакою при вивченні мінералів. Зустрічаються такі види зламу: рівний, нерівний, зернистий, землистий, цукроподібний, раковистий, голчастий, скалкуватий, ступінчастий, волокнистий, пластинчастий.

Особливі ознаки мають тільки деякі з мінералів. Це можуть бути ознаки, що показують відношення мінералів до світла, води, кислот. Так, мінерал лабрадор має на площинах спайності блакитно-зелені відблиски - іризацію. Мінерал ісландський шпат (прозорий різновид кальциту) має властивість подвійного променезаломлення, поляризації світла, використовується в оптичній промисловості. Мінерали класу галоїдів легко розчиняються у воді та мають смак: галіт - солоний, сільвін – гірко - солоний, карналіт - гіркий. Деякі мінерали мають специфічний запах (нафта, гази). Є мінерали, що мають підвищену гігроскопічність і легко прилипають до вологих рук (каолініт, монтморилоніт). Мінерали класу карбонатів реагують з 10% розчином соляної кислоти: кальцит - в чистому вигляді, доломіт та магнезит в порошкоподібному стані або при підігріванні; при цьому виділяється вуглекислий газ. Мінерал тальк масний на дотик; таке враження складається тому, що він має лускоподібну будову. Деякі рудні мінерали мають магнітні властивості (магнетит), інші – горять (сірка).

 

2.1.4. Класифікація і характеристика основних породотворних мінералів

 

Кожен мінерал характеризується певним хімічним складом. В окремих випадках зустрічаються мінерали, що схожі за хімічним складом, але відрізняються будовою і зовнішністю.

Хімічний склад кристалічних мінералів відтворюють кристалохімічні структурні формули, котрі одночасно вказують на кількісне співвідношення елементів і характер їх взаємозв'язку в просторових гратах. Досить часто хімічний склад мінералів показують у вигляді простих з`єднань, приміром СаSО₄ 2H₂O (гіпс), Al₂O₃ ^· 2SiO₂ ^· 2H₂O (каолініт) Хімічна формула аморфних мінералів відображує лише кількісне співвідношення елементів.

Хімічний склад мінералів є основою для їх класифікації. Всі мінерали в залежності від їх складу та поширенням в Земній корі розподіляють на десять класів:

I. Силікати - 75%

II. Карбонати – 1,7%

III. Оксиди 17%

IV. Гідрооксиди,

V. Сульфіди - 1,2%

VI. Сульфати, 0,5%

VII. Галогени, 0,5%

VIII. Фосфати, 0,5%

IX. Вольфрамати,

1X. Самородні елементи. 0,1%

Інженеру-будівельнику доводиться мати справу як з окремими мінералами, так і з гірськими породами, які є відповідним поєднанням мінералів. В складі гірських порід мінерали розподіляються неоднаково, наприклад, польові шпати складають до 60% об'єму магматичних порід, біля 30% метаморфічних і до 12% осадових порід. Багато місця у складі порід займає кварц ( 12% об'єму земної кори), менше - карбонати (1,7%), сульфати (0,1%) і т. ін.

2.1.5. Характеристика породотворних мінералів.

I. Силікати. Це найчисленніший клас, до складу якого входить до 800 мінералів. Клас поділяється на групи, об'єднані спільним складом та будовою: польові шпати, піроксени, амфіболи, слюди, тальк та хлорит, глинисті мінерали, ортосилікати.

Польові шпати (каркасні силікати) - це мінерали ендогенного походження; в залежності від хімічного складу їх поділяють на дві підгрупи: плагіоклазів та ортоклазу.

Плагіоклази (кальцієво-натрові) являють собою безперервний ланцюг суміші мінералів, що складаються з різної кількості альбіту Na₂O Al₂O₃ 6SiO₂ і анортиту CaO Al₂O₃ 6SiO₂. Залежно від вмісту альбіту і анортиту плагіоклази мають різну назву (див. табл.2)

 

 

Таблиця 2

Різновиди плагіоклазів

 

Вміст альбіту, (Ал) %	Вміст анортиту, (Ан)%	Плагіоклази
100…90	0…10	альбіт
90…70	10…30	олігоклаз
70…50	30…50	андезин
50…30	50…70	лабрадор
30…10	70…90	бітовніт
10…0	90…100	анортит

 

Плагіоклази мають білий, сірувато-білий, сірий та темно-сірий колір, інколи з зеленкуватим, синім та червоним відтінком (іризація), блиск скляний, твердість 6…6.5 балів, спайність досконала у 2-х напрямках, щільність змінюється від 2,61 г/см³ (альбіт) до 2,76 г/см³ (анортит).

До складу широко розповсюджених магматичних гірських порід (габро діабази, базальти) найчастіше входить мінерал лабрадор. Лабрадор є основним плагіоклазом, колір має від сірого до чорного з синьо-зеленим відблиском на площинах спайності (іризація). Має досконалу спайність у двох напрямках, твердість 6 балів, колір риски – білий. Хімічна формула 0,5Ал х 0,5Ан.

Найбільш розповсюдженими мінералами підгрупи ортоклазу (калієво-натрові польові шпати) є ортоклаз і мікроклін, що мають однакову хімічну формулу К₂O Al₂O₃ 6SiO₂. На відміну від плагіоклазів, що розколюються при ударі навкіс, ортоклаз розколюється під прямим кутом, мікроклін - під кутом, що трохи менше від прямого.

Ортоклаз має рожевий, м'ясо-червоний, жовтий та сірувато-рожевий колір, інколи - білий або сірий; блиск скляний, спайність досконала у 2-х напрямках, твердість 6 балів, щільність 2,5…2,6 г/см³. Мікроклін має подібні властивості.

Польові шпати входять до складу гранітів, сієнітів, гнейсів та багатьох інших порід, часто в значних кількостях. Їх використовують в скляній та керамічній промисловості; лабрадор - як корисний матеріал для виготовлення прикрас та облицювання.

Піроксени (ланцюжкові силікати) мають складний хімічний вміст. Найпоширенішим серед них є авгіт _,Ca(Mg, Fe)[(SiAl)₂O₆], зеленкувато-чорного, інколи бурого кольору, блиск скляний, твердість 5…6 балів, злам ступінчастий, зернистий, спайність досконала, щільність 3,2…3,6 г/см³. Є головною складовою частиною габро та піроксенітів. Його присутність надає породі ламкості, утруднює її обробку. При вивітрюванні авгіт переходить у серпентин, хлорит або каолініт.

Амфіболи (стрічкові силікати) являють собою групу широко расповсюджених мінералів, що входять до складу магматичних і метаморфічних порід. Найбільше значення серед них мають рогова обманка та актиноліт. Кристали цих мінералів звичайно подовжені, призматичні або голчасті.

Рогова обманка - це алюмосилікат заліза та магнію, має складний хімічний вміст (Ca, Mg, Fe, Na)(OH)₂ [Si4O₂]₂. Колір темно-зелений, бурий, колір риски світлий, зеленкуватий, спайність середня, досконала, блиск шовковистий; злам скалкуватий, кристали мають голчасту, подовжену форму, твердість 5,5 балів. Походження магматичне, метаморфічне. Підвищує в’язкість гірських порід.

Актиноліт схожий з роговою обманкою, але відрізняється світло-зеленим забарвленням, голчастим зламом та низькою твердістю (4 бали).

До групи слюд (листкуваті силікати та алюмосилікати) належать досить поширені мінерали мусковіт та біотит.

Мусковіт K_2,O 3Al₂O₃ 6SiO₂ 2H₂O - калієва слюда світлого кольору (безбарвна або серебристо-біла, зеленкувата, жовтувата). Колір риски білий, блиск скляний, перламутровий, твердість 2…3 бали, щільність 2,8…3 г/см³, форма кристалів пластинчаста, листкувата, лускувата, злам пластинчастий, спайність надто досконала. Походження магматичне, пегматитове, метаморфічне. Використовується в електротехнічній промисловості (як діелектрик), для виготовлення толю, термо - та звукоізоляційних матеріалів. В зоні вивітрювання переходить у глинисті мінерали.

Біотит (залізо-магнієва слюда) - K_2,O 6FeO₂ Al₂O₃ 6SiO₂ 2H₂O. Колір чорний, зеленкувато-чорний, колір риски білий або зеленкуватий, блиск скляний. Спайність, форма кристалів, твердість та злам - як у мусковіта. Щільність 3,0…3,1 г/см³. Утворюється гідротермальним та метаморфічним шляхом. Біотит - поганий діелектрик. При вивітрюванні переходить у вермикуліт. Використовується як покрівельний матеріал, для прикрас. Присутність слюд у складі гірських порід знижує їх міцність.

У групі тальку та хлориту (листкуваті силікати) найпоширенішими є власне ці мінерали.

Тальк 4SiO₂ 2MgO H₂O - листкувата, лускувата, інколи щільна маса. Колір блідо-зеленкуватий або білий із буруватим, жовтуватим відтінком. Блиск перламутровий, скляний. Спайність надто досконала, твердість 1 бал, щільність 2,7…2,8 г/см³. Характерною ознакою є відчуття милкості на дотик. Походження гідротермальне (гідроліз олівіну), метаморфічне. У будівельній промисловості використовується як вогнестійкий, ізоляційний матеріал.

Хлорит - 4SiO₂ 3MgO H₂O - має колір від світло - до темно-зеленого, риска біла, блиск скляний, перламутровий, твердість 2 бали, щільність 2,0…2,5 г/см³, спайність досконала в одному напрямку, злам нерівний, скалкуватий. Вторинний мінерал, утворюється при хімічному вивітрюванні рогової обманки, авгіту, біотиту в умовах високого тиску і температури.

Олівін (ортосилікати) - 2FeO SiO₂. Колір від жовто-зеленого, оливково-зеленого до чорного, риска біла. Блиск скляний, твердість 6,5…7 балів, спайність недосконала, щільність 3,5 г/см³, злам нерівний, раковистий. Походження магматичне, інколи метаморфічне. Використовується як вогнетривкий матеріал, для виготовлення технічного скла.

Група глинистих мінералів -це гідросилікати алюмінію, марганцю і частково заліза. Зустрічаються у вигляді тонкозернистих та щільних мас. Найпоширенішими є мінерали каолініт, монтморилоніт і гідрослюди. Це породотворні мінерали глинистих порід.

Каолініт - Al₂O₃ 2SiO₂ 2H₂O, має пластинчасті, лискуваті кристали, білий колір з відтінками (жовтуватим, зеленкуватим, буруватим, червонуватим), блиск тьмяний або масний, твердість 1…1,5 бали, щільність 2,63 г/см³, злам землистий, спайність помітна тільки при збільшенні під мікроскопом. Утворюється при хімічному вивітрюванні алюмосилікатів (польових шпатів, слюд). Використовується при виготовленні вогнетривів, кераміки.

Монтморилоніт- алюмосилікат заліза і магнію. Колір білий з відтінками (синім, рожевим, зеленкуватим). Блиск тьмяний, спайність як у каолініта, твердість 1 бал, щільність мінлива, утворюється при вивітрюванні. Важливою відзнакою є властивість набрякати (збільшуватися в об'ємі більше ніж в 10 разів) у воді. Він утворює бентонітові відбілюючі глини, входить до складу багатьох глинистих порід.

II. Карбонати. До цього класу належать солі вугільної кислоти - всього до 80 мінералів. Мінерали вторинні, утворюються при вивітрюванні інших мінералів, шляхом випадіння із водяних розчинів або життєдіяльності організмів, що синтезують для побудови свого скелета вуглекислий кальцій. Найпоширенішими породотворними мінералами є кальцит, доломіт, магнезит.

Кальцит (вапняковий шпат) СаСОз - білого, сірого, жовтуватого кольору, буває з червонуватим, чорним, блакитним відтінком, часто безбарвний, риска біла; щільність 3,0 г/см³, спайність досконала у трьох напрямках, твердість - 3 бали, злам - ступінчастий. Бурхливо реагує із соляною кислотою з виділенням вільного вуглекислого газу

СаСОз + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + СО₂­

Прозорий різновид кальциту -ісландський шпат має властивість подвійного променезаломлення, використовується в оптиці для одержання поляризованого світла та в електротехніці.

Кальцит є головним породотворним мінералом вапняків, крейди, мергелю, мармуру та ін.

Доломіт СаСОз МgСO₃- схожий на кальцит, має білий, жовтуватий, сірувато-білий, рожевий, зеленкуватий колір, інколи безкольоровий. Блиск скляний до тьмяного, риска біла, спайність досконала у трьох напрямках, злам ступінчастий, твердість 3,5…4 бали, щільність 2,85 г/см³. Із соляною кислотою реагує у порошкоподібному вигляді, походження гідротермальне. Породотворний мінерал, використовується при виготовленні портландцементу, вогнетривів, як флюс в металургії, як добриво.

Магнезит МgСO₃ має сірий, білий, жовтуватий колір, скляний блиск, досконалу спайність в 3-х напрямках, твердість 4,0…4,5 бали; риска біла, злам зернистий; із соляною кислотою реагує погано, тільки при підігріванні або у порошкоподібному стані. Використовується для виготовлення вогнетривів, цементу, абразивів.

III, IV. Оксиди та гідрооксиди. Налічується біля 200 мінералів, тобто 17% маси земної кори.

Найпоширенішим серед оксидів є кварц - SiO₂. Колір частіше світлий: білий, сірий, жовтий, рожевий, інколи чорний, буває безбарвним, риска біла. Спайність відсутня, блиск скляний, масний, твердість 7 балів. Щільність 2,65…2,7 г/см³, злам раковистий, зернистий, нерівний. Кристалічний кварц (шестигранна подовжена призма з пірамідальною вершиною і штриховкою на гранях) безкольоровий і прозорий - це гірський кришталь, фіолетового кольору – аметист, чорного - моріон, жовтого - цитрин, зеленого - празем, жовтувато - та бурувато-червоного – авантюрин. Кварц стійкий щодо хімічного та механічного впливу. Походження магматичне, гідротермальне, пегматитове. Породотворний мінерал. Використовується в скляній, керамічній промисловості, при виготовленні вогнетривів.

Халцедон - SiO₂ - прихованокристалічний або аморфний різновид кварцу. Колір світлосірий, блакитно-сірий, риска біла, напівпрозорий, блиск тьмяний до воскового, твердість 6,5-7 балів, спайність відсутня, злам раковистий, щільність 2,6 г/см³. Утворюється із водяних розчинів у вигляді напливів, брунькоподібних утворень, зерен та конкрецій. Входить до складу уламкових осадових та магматичних порід. Смугастий різновид халцедону - це агат, синій - сапфірин, із червоними плямами оксидів заліза - геліотроп або кровавик, з великою кількістю механічних домішок - кремінь.

Опал - SiO₂ nH₂O - гідрооксид кремнію, аморфний різновид, зустрічається у вигляді напливів; колір світлий, зеленкуватий, червонуватий до чорного, риска біла. Інколи буває прозорим. Блиск тьмяний до воскового, перламутровий, скляний. Спайність відсутня, злам раковистий, (на зламі має увігнуті поверхні) твердість 5…6,5, щільність 1,8…2,3 г/см³. Входить до складу осадових та магматичних порід.

Корунд - Al₂O₃ - синій, червоний, сірий, зелений, твердість 9 балів, злам нерівний до раковистого, спайність відсутня, блиск алмазний, скляний. Має різновиди: червоний - рубін, синій - сапфір, темний - наждак.

V. Сульфіди. До цього класу належить біля 350 мінералів, але у земній корі їх менше 0,28%. З них добувають мідь, цинк, свинець, сірчану кислоту. Вони не є породотворними, у вигляді домішок знижують якість порід та сировини для виготовлення будівельних матеріалів. Це пов'язано з тим, що сульфіди легко розкладаються під дією атмосферних чинників із утворенням сірчаної кислоти, яка діє на оточуючі мінерали, руйнує породу вцілому. Найпоширеніші серед сульфідів є пірит та халькопірит.

Пірит (сірчаний колчедан) - FeS₂ - латунно-жовтого кольору, риска чорна, блиск металевий, спайність відсутня, злам раковистий, твердість 6,0…6,5, щільність 5 г/см³. Використовується для виробництва сірчаної кислоти.

Халькопірит CuFeS - використовується як мідна руда

VI. Сульфати - це солі сірчаної кислоти. До класу належить приблизно 260 мінералів, що складають 0,1% маси земної кори. Мінерали світлого кольору, м'які, розчинні у воді. Утворюються звичайно як хімічні осади. Породотворними є гіпс та ангідрит.

Гіпс - СаSО₄ 2H₂O. Блиск скляний, перламутровий, шовковистий, колір білий, сірий, жовтуватий, червонуватий, буває безбарвним, риска біла; твердість 2 бали, спайність досконала в одному напрямку, злам ступінчастий, голчастий, у волокнистих різновидів (селеніт). При температурі 107°С переходить в напівобпалений гіпс, що має в'яжучі властивості (будівельний алебастр). Використовується для виробництва цементу, алебастру, сірчаної кислоти, фарб,

Ангідрит - СаSО₄ . Колір сірий, блакитний, коричневий. Блиск скляний, масний, спайність досконала, злам нерівний, ступінчастий, твердість 3,5 бали, щільність 3,0 г/см³. Використовується для виробництва окремих видів цементу.

VII. Галогени. До цього класу належить більш як 100 мінералів. Це солі галоїдних кислот, що легко розчинюються у воді, а тому являють собою шкідливі домішки в породах. Породотворними є галіт, сильвін, флюорит.

Галіт – NaСl. Безкольоровий, сіруватий, напівпрозорий, блиск масний, скляний, твердість 2,5 бали, риска біла. Спайність досконала у трьох напрямках, кристали мають форму куба. Солоний на смак, легко розчиняється у воді. Використовується для виробництва соляної кислоти, хлорного вапна, кераміки.

VIII. Фосфати. Це солі ортофосфорної та інших фосфорних кислот. Найбільш поширеним представником класу є апатит.

Апатит - Ca₅[PO₄]₃(Cl, F). Колір зелений, зеленкувато-сірий, бурий, жовтий, фіолетовий. Блиск скляний, масний, спайність недосконала, злам нерівний, раковистий, цукристий. Твердість 5 балів, щільність 3,2…3,4 г/см³. Входить до складу магматичних і осадових порід. Цінна сировина для виробництва фосфорних добрив.

X. Самородні елементи.До цього класу належить приблизно 100 мінералів, які є простими хімічними елементами. Вони складають 0,15% маси земної кори. Це насамперед благородні та кольорові метали – золото - Au, срібло - Ag, платина - Pt , мідь - Cu та ін., а також неметали - графіт, алмаз - С , сірка - S та ін. Породотворними з них є тільки графіт та сірка.

Графіт - C. Колір від сіро-сталевого до чорного, риска чорна, блискуча. Блиск металевий, спайність надто досконала, твердість 1 бал, масний на дотик, щільність 2,2 г/см³, пише на папері. Зустрічається в метаморфічних та магматичних гірських породах. Використовується для виготовлення олівців, як мастило, у гумовій, електротехнічній та атомній промисловості (як сповільнювач та відбивач нейтронів).

Сірка – S. Колір світло-жовтий, червоний, коричневий та чорний, інколи буває біла та блакитна. Блиск скляний, масний, спайність досконала, злам раковистий. Твердість 1 бал, щільність 2 г/см³. Утворюється вулканогенним та осадовим шляхом. Використовується для виробництва сірчаної кислоти, целюлози, ядохімікатів, штучних волокон, гуми та ін.

 

3. ГІРСЬКІ ПОРОДИ

 

Гірські породи - це природні об’ємні утворення, з яких складається земна кора (літосфера). Породи виникають як закономірні сполучення одного або декількох мінералів; у першому випадку вони мають назву мономінеральних (гіпс, мармур), у другому - полімінеральних (граніт, гнейс). Кожна порода має більш-менш сталий мінералогічний склад, будову (структуру та текстуру) та форми залягання.

Структура – це внутрішня будова гірської породи. Вона залежить від форми, розмірів та кількості зерен мінералів.

Текстура - це склад породи, обумовлений взаємним розміщенням зерен у просторі.

За своїм походженням гірські породи поділяються на магматичні, осадові та метаморфічні утворення.

 

3.1. Магматичні гірські породи

3.1.1. Походження та класифікація

Налічується близько 600 видів та різновидів магматичних порід. Вони виникають при охолодженні розплавленої магми, що утворюється в земних надрах і являє собою силікатну за складом масу, насичену різноманітними газами та водяною парою. Розплавлена магма тріщинами та розломами проникає у напрямку поверхні землі. В одних випадках вона захолоняє в надрах і таким чином утворюються глибинні (інтрузивні) магматичні породи, в інших випадках вона досягає поверхні землі і таким чином утворюються виливні (ефузивні) магматичні породи; останні є аналогами глибинних.

Умови охолодження магми на глибині та на поверхні (чи близько до поверхні) Землі різні. Глибинні порода утворюються в умовах високого тиску, повільного та рівномірного охолодження. В цьому разі відбувається повна розкристалізація магми, утворюються щільні, масивні, повнокристалічні породи, що залягають великими масивами (граніт, габро).

Ефузивні магматичні породи формуються в умовах низького тиску і температури, при швидкому охолодженні та виділенні газових компонентів. Магма не повністю кристалізується, виникають породи з великою кількістю аморфного скла, нерідко з великою пористістю (базальт, пемза). Ефузивні породи, що утворилися в палеозойській ері і раніше, називають стародавніми (палеотипними), а в більш пізній час – молодими (кайнотипними). В палеотипних породах відбулися вторинні процеси, хімічні реакції, що призвели до появи вторинних мінералів (приміром, хлориту у складі діабазів).

Магматичні породи класифікуються також за вмістом двоокису кремнію SiO₂. Якщо у їх складі SiO₂ >75% вони ультракислі, 65...75% - кислі, 52...65% - середні, 40...52% - основні, SiO₂< 40% – ультраосновні. Цей розподіл магматичних порід за вмістом кремнезему має певне практичне значення: породи з невисоким вмістом SiO₂ мають більшу питому вагу, нижчу температуру плавлення, краще поліруються. При зменшенні вмісту SiO₂ забарвлення змінюється від світлого до темного, поступово зникає вільний кварц і збільшується вміст піроксенів, підвищується в’язкість порід.

До складу магматичних порід входить велика кількість первинних мінералів (польові шпати, амфіболи, піроксени, кварц, слюди), що утворилися ендогенним шляхом, а також зустрічаються вторинні мінерали (карбонати, глинисті), які виникли з первинних мінералів при їх вивітрюванні. Кількість цих мінералів свідчить про ступінь вивітрилості порід.

 

3.1.2. Структура і текстура

 

Властивості порід в значній мірі залежать від внутрішньої будови та складу їх. В зв’язку з цим виникає необхідність у вивченні структури та текстури гірських порід.

Структура інтрузивних магматичних порід завжди кристалічно-зерниста; вона буває:

- рівномірнозерниста: крупнозерниста (розмір зерен більш ніж 5 мм), середньозерниста (1...5 мм), та дрібнозерниста (менше 1мм)

- порфироподібна - коли серед маси дрібних чи середнього розміру зерен зустрічаються значно крупніші (порфирові вкраплення).

Структура ефузивних порід буває:

- порфирова - серед аморфного вулканічного скла зустрічаються окремі зерна мінералів;

- прихованокристалічна, коли вкраплені у вулканічне скло зерна дуже малі за розміром;

- склувата - зерна мінералів відсутні, порода складена вулканічним склом.

Текстура магматичних порід буває:

- масивна – рівномірне, щільне розміщення зерен мінералів в масиві гірської породи;

- смугаста - чергування смуг із різним мінеральним складом, кольором або різною структурою;

- шлакова - порода містить в собі великі пори, пустоти, залишені пухирцями газів, що виділялися з лави;

- плямиста - на фоні однорідної маси вирізняються плями іншого кольору;

- очкова - плями мають округлу форму;

- флюїдальна - зерна зорієнтовані в напрямку потоку.

 

3.1.3. Форми залягання

Ефузивні магматичні породи залягають у вигляді різноманітних потоків, покривів та куполів залежно від рельєфу місцевості та складу магми.

Форми залягання інтрузивних порід розподіляються на січні та згідні. До січних відносять батоліти, жили, штоки, дайки і гарполіти. До згідних - лаколіти, лопотіти (див. рис. 5).

Батоліт - це велика магматична інтрузія, площа якої перевершує 100 км², в плані батоліт має овальну форму, подекуди з нього можуть виступати куполи.

Гарполіт у розтині має серпоподібну форму, у плані - овальну.

Шток – частіше невеликого розміру інтрузія стовпоподібної або неправильної форми.

Дайка - плитоподібна за формою, стрімкопадаюча інтрузія, має невелику товщину і значну протяжність.

Лаколіт - це інтрузія грибоподібної форми, розміром до 10 км²; магматичний розплав проникає в міжшаровий простір, злегка підіймаючи верхні шари гірських порід.

Лополіт - блюдцеподібне магматичне утворення, що залягає узгоджено із тими породами, що вміщують його.

Сіл – жила пластова, утворена внаслідок проникнення магми між шарами осадових порід таким чином, що підошва жили є покрівлею нижнього шару, а покрівля являє собою підошву верхнього шару. Особливістю сілу є зберігання постійної потужності - від кількох см до десятків метрів.

 

Рис.4. Форми залягання магматичних гірських порід

3.1.4. Види окремостей порід

При охолодженні магми зменшується її об’єм, що призводить до виникнення тонких тріщин в масивах гірських порід. Такі тріщини розділяють породу на блоки певної форми, які називаються окремостями. Приміром, гранітам притаманна матрацеподібна окремість, діоритам – кульова, базальтам – стовпчаста (рис. 5).

Вид окремостей має значення при розробці гірських порід, він в деякій мірі полегшує видобуток, розколювання та обробку матеріалу. Стовпчаста окремість базальту, приміром, сприяє видобутку та застосуванню його для брукування шляхів.

 

 

Рис.5. Види окремостей. а - матрацеподібна, б – стовбчаста.

3.1.5. Будівельні властивості

Невивітрілі магматичні породи мають високі будівельні властивості, обумовлені мінеральним складом та жорсткими кристалізаційними зв'язками між окремими зернами. Найміцнішими є породи, з дрібнозернистою і рівномірнозернистою структурою та масивною текстурою. Меншу міцність мають породи крупнозернисті, з порфировою та склуватою структурою. Смугаста текстура полегшує розробку гірської породи, але знижує її якість.

Значна частина магматичних порід, що залягають близько від поверхні Землі, зазнають значних змін внаслідок фізичного (розтріскування) та хімічного (хімічні реакції) вивітрювання. Так утворюється рапаківі („гнилий камінь”) та каолініти.

Міцність магматичних порід оцінюють межею міцності при стисканні зразків. Так, для гранітів, сієнітів. вона дорівнює 1200¼2500 кг/см², для діоритів, андезитів - 1500¼3000 кг/см², для габро, діабазів, базальтів - 2500¼5000 кг/см². Але слід враховувати, що в природних умовах, в масивах гірські породи звичайно розбиті системою тріщин, що значно знижують міцність.

В цілому на оцінку надійності магматичних гірських порід впливає ступінь їх вивітрілості, наявність тріщинуватості, форми залягання, структура, текстура т. ін.

 

 

3.2. Осадові породи.

 

Осадові гірські породи є вторинними породами. Вони утворюються на поверхні землі, де під впливом води, повітря, живих організмів і сонячної енергії постійно змінюється поверхневий шар літосфери, руйнуються первинні гірські породи і мінерали. Продукти руйнування транспортуються на схилах під впливом сили тяжіння, переносяться вітром або водою, осідають із водяних розчинів.

 

3.2.1. Походження осадових порід.

Зміна форми залягання, мінерального складу та місця залягання гірської породи під впливом фізичних та біологічних чинників називається вивітрюванням. Виділяють три типи вивітрювання гірських порід: фізичне, хімічне та біологічне. Внаслідок дії атмосферних чинників, таких як коливання температури повітря та вода, відбувається фізичне вивітрювання первинних гірських порід, тобто, руйнування їх внаслідок розширення мінералів при нагріванні та стискання при охолодженні. Оскільки гірські породи неоднорідні за своїм мінералогічним складом, а різні мінерали змінюються в об'ємі при нагріванні та охолодженні по-різному, то порушується зв’язок між окремими мінералами. На контактах поміж ними з'являються щілини, в них потрапляє вода, повітря, проникає коріння рослин, оселяються лишайники та бактерії. Усе це з часом зумовлює руйнування масивної кристалічної породи і сприяє створенню уламків.

Виділяють певні стадії утворення уламкових осадових гірських порід:

- руйнування;

- перенесення;

- накопичення (акумуляція);

- перетворення первинного осаду в гірську породу (діагенез); при цьому витискується зайва волога, з’являються кристалічні зв’язки, інколи відбувається цементація.

Фізичне руйнування гірських порід спричинюється і льодовиками. Льодовикові маси під час руху механічно подрібнюють та переносять уламки кристалічних порід, перетворюючи їх на валуни, гальку, пісок і. т. ін..

Руйнує тверді гірські породи і вітер внаслідок обточування скель дрібними, зваженими рухомим повітрям, уламками (коразія) див. рис. 6.

 

Рис.6 Геологічна робота вітру

 

Вітер видуває (дефляція) уламки (частки) і переносить їх на великі відстані. При зменшенні швидкості вони відсортовуються і відкладаються. Утворюються так звані еолові відклади (піски, леси)

Значну роль в утворенні гірських порід відіграють річки. Величезна кількість змитих текучими водами піску, глини, пилу відкладається в долинах, дельтах річок, морях, океанах.

Помітну роботу виконують дощові і снігові води. Вони переносять продукти руйнування (пісок, мул, глину), сортують і відкладають наносні породи, розчиняють різні хімічні сполуки.

Велику руйнівну роботу виконують також морські хвилі – руйнують, подрібнюють скелясті береги, переносять і обробляють продукти руйнування, відкладають їх, утворюючи потужні товщі осадів.

Внаслідок сукупної дії всіх чинників, які беруть участь у фізичному руйнуванні, кристалічні порода на поверхні Землі перетворюються на брили, валуни, гальку, щебінь, жорству гравій, пісок; при цьому мінералогічний склад уламків не змінюється. Вказані породи називаються уламковими осадовими породами.

Фізичне вивітрювання сприяє розвитку хімічного вивітрювання, яке відбувається під впливом води, кисню, вуглекислоти та інших газів, що містяться в повітрі.

Внаслідок хімічного вивітрювання змінюється хімічний склад мінералів і вони перетворюються на сполуки з іншою будовою і властивостями. Процеси хімічного вивітрювання досить складні і різноманітні. Це розчинення, окислення, гідратація, гідроліз, каолінізація, карбонізація, серпентинизація, бокситизація.

Одним з основних чинників хімічного вивітрювання є вода. Вона розчиняє мінерали, зволожує продукти їх розкладу, входить до складу мінералів. Наявність у воді вуглекислого газу посилює гідроліз. Суть цього процесу полягає в тому, що в кристалічних просторових гратах мінералів іони лужних металів замінюються іонами водню дисоційованої води.

Дуже поширеним у природі є процес окислення, коли кисень повітря проникає в товщу гірських порід і взаємодіє з ними. Окислюються здебільшого породи, що містять сполуки оксиду заліза або інші елементи, здатні окислюватися. Внаслідок окислення змінюється будова, колір породи, утворюються вторинні мінерали.

Гідратація - це хімічне приєднання до мінералів води. Сполуки, що утворюються в процесі гідратації, називаються гідратами.

Каолінізація - складний процес хімічного вивітрювання, суть якого полягає в дії води і вуглекислоти, внаслідок чого утворюються глинисті мінерали. Наприклад, з польових шпатів утворюється каолініт.

Карбонізація - це процес зміни гірської породи, у результаті якого утворюються карбонати кальцію, магнію, заліза та ін.

Серпентинизація - процес перетворення магнезіально-залізистих мінералів на серпентин.

Бокситизація полягає в тому, що в умовах вологого і теплого клімату алюмосилікатні гірські породи вилуговуються природними водами, багатими на органічні кислоти .Так утворюється мінерал боксит.

Продукти хімічного вивітрювання не залишаються без змін. Вони взаємодіють між собою і утворюють досить складні сполуки, виникають нові вторинні мінерали - алюмосилікати і феросилікати або глинисті мінерали. Таким шляхом утворюються хімічні осадові гірські породи, до яких належать вапняки, гіпси, доломіти, соляні поклади та ін.

Біологічне вивітрювання - це фізичні і хімічні зміни мінералів і гірських порід під впливом рослинних і тваринних організмів. Коріння рослин (досягає 10-20 м) механічно розпушує породу, залишаючи після себе кореневі ходи, якими в грунт надходить вода з розчиненими в ній вуглекислим газом і киснем. З ростом коріння зростає напруженість рослини, розширюються тріщини навіть у скелях. Досліди свідчать, що корінь діаметром 10 см і довжиною 100см може зрушити брилу породи масою 30-50 т. Це сприяє фізичному вивітрюванні гірських порід.

У процесі життєдіяльності коріння рослин зі своїх клітин виділяє вуглекислий газ і органічні кислоти, що руйнують мінерали. Відбувається повний розпад мінералу, його біохімічне вивітрювання. Значну роль у вивітрюванні відіграють водорості, лишайники, мохи та мікроорганізми. Бактерії, гриби і водорості руйнують мінерал в 20 разів швидше, ніж фізичні чинники. Так, деякі бактерії в процесі життєдіяльності виділяють азотну кислоту, яка руйнує порівняно стійкі гірські породи. Польові шпати під впливом мікроорганізмів, зокрема діатомових водоростей, перетворюються на глину. Таким шляхом утворюються органогенні осадові породи, різноманітні за складом і походженням:

- зоогенні (вапняки – черепашники, крейда);

- органогенні (торф, вугілля, діатоміти);

- сапропелеві (мули, сапропелі, асфальт, бітум).

Часто пухка вторинна порода переноситься за допомогою води, вітру, льоду на далекі відстані. Під час транспортування осадові породи сортуються за розмірами і масою часток, певною мірою змінюється їх хімічний склад. З осадових порід складається верхня частина літосфери, отже вони знаходяться в зоні інженерної діяльності людини і найчастіше використовуються як основа, середовище та матеріал для будівництва.

 

3.2.2. Особливості осадових порід

Осадові породи значного мірою відрізняються від інших гірських порід за рядом ознак: це шаруватість залягання, пористість, характерний мінеральний та хімічний склад, залежність складу і властивостей від кліматичних умов, вміст органічних залишків.

Шаруватість - це властивість утворювати своєрідну макротекстуру – специфічну форму залягання осадових гірських порід. Віділяють такі форми:

- шари (пласти, верстви) - однакові за складом, кольором та розміром часток значної потужності (найкоротша відстань між покрівлею і підошвою) та протяжності з чітко вираженими площинами нашарування – покрівлею і підошвою; це поверхні що відокремлюють його від молодого і давнього шарів;

- прошарки - шари невеликої потужності і протяжності;

- пропластки - шари невеликої потужності, але значної протяжності; .

- лінзи - це поклади значної потужності, але незначної протяжності.

Декілька шарів невеликої потужності складають пачку. Група шарів різної потужності, що мають спільний склад та вік, називається товщею.

У більшості випадків осадові гірські породи морського походження мають горизонтальне залягання шарів. Континентальні накопичення характеризує велика кількість лінз, виклинювання шарів, похиле залягання, фаціальне заміщення. Під впливом повітряних або водяних течій утворюються асиметричні знаки брижів. Останні зазвичай перекриті іншими накопиченнями („поховані”)

Шаруватість виникла внаслідок зміни умов утворення (періодична зміна складу матеріалу, перерва в накопиченні і т. ін.).

Пористість - це наявність великого об'єму пор у складі породи. Ця властивість характерна для більшості осадових порід, за виключенням хімічних осадів. Пори бувають дрібні, середні, великі та каверни. Загальна величина пористості мулу досягає 70¼80%, глини, суглинку - 40¼60%, лесів - 48¼52%, пісків - 35¼40%; пісковиків - 10¼15%. Пористість - це відношення об'єму пор Vп до об'єму всієї породи V, тобто

n=Vп / V

Частіше користуються коефіцієнтом пористості, який показує відношення об'єму пор до об'єму твердих часток Vч в породі:

e=Vп / Vч

За мінеральним і хімічним складом осадові породи також відрізняються від магматичних і метаморфічних. Крім первинних мінералів (кварцу, слюди) до складу осадових порід входить значна кількість вторинних мінералів (каолініт, гіпс, кальцит). У багатьох випадках вторинні мінерали відіграють головну роль (в глинах, наприклад). Загалом склад осадових порід значно бідніший, ніж магматичних, але вивчати його важче, тому що в них крім кристалічних, зустрічаються аморфні мінерали, а також, пилуваті, глинисті і колоїдні частки. За хімічним складом значну частину осадових по