Метаморфические горные породы

Происхождение метаморфических пород.На земной поверхности одним из важнейших процессов является процесс выветривания (разрушения горных пород). Глубже располагается зона цемента­ции. В этой зоне рыхлые породы уплотняются, цементируются. Ниже этих зон, примерно с глубины 0,8 км и далее на многие ки­лометры, располагается зона метаморфизма.

Магматические и осадочные горные породы в процессе свое­го существования и в результате процессов внутренней динамики Земли могут попасть в такие участки земной коры, где темпера­тура, давление и химизм среды резко отличны от условий обра­зования этих пород. На оказавшиеся в этой зоне горные породы кроме повышенного давления и температуры сильно воздейству­ют активные химические соединения, циркулирующие в земной коре. В новых условиях многие минералы вступают в реакции, образуя минеральные парагенезисы. При метаморфизме интен­сивно изменяются первичный состав, строение и сложение по­род. В целом под метаморфизмом горных пород понимают сущест­венные изменения их минерального состава, структуры и текстуры, происходящие под воздействием эндогенных процессов в земной коре с сохранением твердого состояния породы, без расплавления или растворения. Достаточно редко, в особых усло­виях, процессы метаморфизма сопровождаются переплавлением исходной породы с вмещающими породами или без них, и в результате образуются ультраметаморфические породы.

Изменение минералов и горных пород вызывается воздейст­вием основных факторов метаморфизма: температуры и давления с одновременным воздействием флюидов. Флюидами называют жидкие или газообразные компоненты магмы или циркулирую­щие в глубинах Земли насыщенные газами растворы. В их соста­ве, как предполагается, преобладают пары воды, хлора, углекис­лоты и многих других элементов и соединений. Воздействие флюидов наиболее эффективно в связи с их способностью про­сачиваться сквозь горные породы. В результате метаморфизма изверженные и осадочные горные породы изменяют характери­стики своего состава, меняют свою структуру и текстуру, а вслед­ствие этого свойства; степень же и особенности этих изменений зависят от интенсивности, характера и продолжительности мета­морфических процессов.

Петрографы выделяют несколько видов метаморфизма: катак-ластический, термальный и динамотермальный. Указанные виды метаморфизма корреспондируют с выделенными в генетической классификации горных пород группами метаморфических пород:

регионального, контактового и динамометаморфизма, так как по­следние больше характеризуют общие условия протекания про­цесса метаморфизма, а выделенные в петрографии виды акцен­тируют внимание на метаморфических факторах: давлении, температуре или их совместном действии.

Катакласттеский метаморфизм по своему существу является дислокационным, поэтому для него часто и употребляют это на­звание. Этот тип метаморфизма приурочен к участкам развития дизъюнктивных нарушений — дислокаций — типа сбросов и раз­вит в их границах. Метаморфизм в данных условиях совершается при сравнительно небольших давлениях и довольно низкой тем­пературе. Происходит дробление крепких минералов или их де­формации. Эти изменения протекают и в первоначальных струк­туре и текстуре пород, и в результате происходит хрупкое разрушение минералов и их перемещение. Трещины в породе не возникают, происходит преобразование породы в результате плас­тических деформаций. Под влиянием таких деформаций возмож­ны химические изменения пород, когда неустойчивые минералы растворяются, а устойчивые растут в определенных направлениях. Схема эта относительна и условна, так как в одних породах пре­обладают чисто пластические деформации, в других — это, в основном, микроразрывные деформации, в третьих — сочетание тех и других. В одних случаях возможна перекристаллизация (как в глинистых сланцах), в других она не наблюдается. Все вместе формирует самые разнообразные породы — от гранитоидов до тектонических брекчий, катаклазитов и милонитов.

При формировании термально-метаморфизованных пород глав­ным фактором является температура, источник которой — магма. Под действием температуры на границах (контакте) интрузий об­разуются ореолы, сложенные особыми контактово-метаморфизо-ванными породами. Мощность зоны контактовых изменений бы­вает различной и главным образом зависит от двух факторов: состава и состояния вмещающих пород, температуры, состава и продолжительности воздействия магмы. Так, установлено, что в глинистых и мергелистых породах она значительно больше, чем в песчаниках или кварцитах. На контактах с ультраосновными и основными интрузиями ее мощность значительно меньше, чем на контактах с интрузиями кислых пород, например гранитов. Наи­более типичными породами термального метаморфизма являются контактовые роговики, скарны, породы кремнистого состава.

Динамотермальный метаморфизм дает самое большое разнооб­разие пород с очень широким их распространением в земной коре. В зависимости от условий протекания процесса различают региональный и локальный динамотермальный метаморфизм. Са-

мостоятельным видом регионального динамотермального мета­морфизма является ультраметаморфизм. В каждом из этих видов метаморфизма сложный комплекс взаимодействия температур, стресса (разрядки напряжений), давления, иногда и флюидов приводит к формированию чрезвычайно широкого спектра мета­морфических пород с весьма разнообразными физико-механиче­скими свойствами.

В глубинных зонах складчатых областей региональный мета­морфизм может сопровождаться переплавлением ряда пород (ульт­раметаморфизм) с образованием смешанных горных пород — миг­матитов. Это очень сложные по структуре породы. Для многих из них характерны слойчатость, послойные и секущие складки. Боль­шое разнообразие структур мигматитов обусловливает весьма раз­личную их прочность, неоднородность свойств, повышенную (по сравнению с другими массивно-кристаллическими породами) вы-ветриваемость.

Метаморфические породы по внешнему виду и условиям за­легания занимают промежуточное положение между магматиче­скими и осадочными породами. По минеральному составу они ближе к магматическим породам. Типичными минералами явля­ются слюды, кварц, хлорит, тальк.

Метаморфическим породам в целом присуща кристаллическая структура. Наиболее характерны следующие текстуры: сланцева­тая — однообразное расположение (параллельно друг другу) пла­стинчатых минералов и полосчатая — обособление минеральных скоплений в форме полос, в виде слоев. Для пород типа кварци­та характерны массивные текстуры.

Форма залегания.Метаморфические породы, возникшие из глубинных магматических пород, более или менее сохраняют их первоначальную форму залегания. При метаморфизации осадоч­ных пород слоистость сильно деформируется. При контактном метаморфизме образуются своеобразные оболочки метаморфиче­ских пород, окружающих магматические породы. Динамомета-морфизм образует мощные зоны смятия, возникают сложные складки. При региональном метаморфизме измененные осадоч­ные породы часто сохраняют первичную слоистость.

В процессе движений земной коры метаморфические породы могут быть выведены на дневную поверхность и служить объек­том строительной деятельности человека. Они являются хорошим скальным основанием для зданий и сооружений. При строитель­стве подземных сооружений сланцеватость оказывает неблагопри­ятное действие, так как по плоскостям сланцеватости возможны обвалы, особенно кровли горизонтальных подземных выработок. Породы чаще всего бывают трещиноватыми. Метаморфические

породы имеют различную прочность и стойкость к выветрива­нию во времени. Например, если кварциты в городских условиях начинают разрушаться через 200—400 лет, то мраморы уже через 20—130 лет.

Классификация метаморфических породоснована на структур­ных признаках и минеральном составе. Среди них выделяют по­роды:

• массивные (зернистые) — кварцит, мрамор;

• сланцеватые — гнейс и кристаллические сланцы различного
минерального состава (рис. 28).

Физико-механические свойства метаморфических горных по­род во многом очень близки к магматическим, что обусловлено наличием у них жестких, преимущественно кристаллизационных связей. Все метаморфические породы, равно как и магматиче­ские, не будучи измененными, имеют прочность, значительно превышающую нагрузки, обычно возникающие в строительной практике. В пределах реальных воздействий, создающихся при возведении на метаморфических породах даже очень «тяжелых» сооружений, эти породы деформируются как упругие тела. Мета­морфические породы практически водонепроницаемы и за иск­лючением карбонатно-доломитовых разностей не растворяются в воде. Деформируемость и фильтрация в массивах этих пород обу­словлены исключительно трещиноватостью, а также зонами, за­тронутыми выветриванием. Вместе с тем метаморфические поро­ды не являются полным аналогом магматических по свойствам, а имеют достаточно большие отличия, которые, в свою очередь, диктуются генезисом. Для большинства метаморфических пород характерна анизотропность свойств, обусловленная их слоисто­стью, сланцеватостью. Проч­ность на сжатие, сопротивление сдвигу, модуль упругости значи­тельно ниже вдоль сланцевато­сти, чем перпендикулярно ей («вкрест» сланцеватости). Слан­цеватостью определяются и зна­чительная выветриваемость этих пород, а также пониженная ус­тойчивость на природных скло­нах и в бортах искусственных выработок. Многие метаморфи­ческие породы образуют тонко-

Рис. 28. Метаморфическая горная порода сланцеватой структуры — гнейс

плитчатые или листоватые весьма подвижные осыпи. Особенно ярко это проявляется у слабометаморфизованных пород, напри­мер у глинистых сланцев.

К породам, которые подверглись воздействию глубокого реги­онального метаморфизма и имеют наибольшее распространение, относятся гнейсы, кварциты, кристаллические сланцы. Несколько реже встречаются мраморы и мраморизованные известняки, обычно они приурочены к областям древней декембрийской складчатости, где слагают массивы больших размеров.

Физико-механические параметры гнейсов в зависимости от особенностей их состава, структуры и текстуры меняются в зна­чительных пределах. При выветривании физико-механические свойства гнейсов изменяются особенно сильно. Наибольшей стойкостью обладают кварцевые гнейсы; полевошпатовые и био-титовые гнейсы выветриваются значительно интенсивнее, вплоть до того, что при испытании их на морозостойкость образцы мо­гут распадаться на отдельные плитки. Некоторым гнейсам прису­ща своеобразная очковая текстура, которая, по мнению ряда спе­циалистов, резко снижает их прочность.

Наиболее прочными и устойчивыми метаморфическими поро­дами являются кварциты. Обычно они слагают отдельные массивы мощностью до 100 м и более или залегают в виде прослоев различ­ной мощности в толще таких же высокометаморфизованных слан­цев. Кварциты — это массивные породы различной зернистости, обладающие очень высокими прочностью, сопротивлением исти­ранию, твердостью. Их сопротивление сжатию, как правило, пре­вышает 150—200 МПа. Пористость ничтожно мала, их водопогло-щение и водонасыщение составляют 0,2—0,3 %. Наличие жестких кристаллизационных связей между слагающими минеральными зернами, кроме того, приводит к исключительно высокой морозо­устойчивости и слабой выветриваемости кварцитов.

Самое большое разнообразие физико-механических свойств наблюдается у кристаллических сланцев. От массивных метамор­фических пород их отличает слоистость, сланцеватость, кливаж. Эти особенности вызывают резкую анизотропность их свойств, позволяющую раскалываться на тонкие, часто листоватые плит­ки. Сланцеватость и кливаж сланцев, особенно хлорит-серицито-вых и глинистых, способствуют соскальзыванию и оползанию их как на природных склонах, так и на откосах искусственных вые­мок. В зависимости от состава и степени метаморфизованности прочностные свойства сланцев изменяются в широких пределах: от нескольких десятков МПа у кристаллических до долей МПа у глинистых разностей.

Кристаллические сланцы биотитового, мусковитового, дву-слюдяного, кварцево-слюдяного, амфибол-биотитового состава имеют прочность на сжатие (в средних значениях) в направле­нии, перпендикулярном сланцеватости, 120—160 МПа, при во до-насыщении — до 80—ПО МПа, т.е. примерно на 30% ниже. Слагаемые этими породами массивы являются достаточно проч­ными с инженерно-геологической точки зрения, но, как прави­ло, они сильно трещиноваты и поэтому сильноводопроницаемы. Наиболее легко выветриваются среди указанных пород сланцы, имеющие в своем составе биотит. Почти всегда в толще сланцев формируются «карманы» выветрелых пород мощностью до нес­кольких десятков метров.

Своеобразную группу метаморфических пород образуют так называемые «зеленые» сланцы — хлоритовые, хлорит-серицито-вые, тальк-хлоритовые. Они сравнительно устойчивы к воздейст­вию химического выветривания, но легко разрушаются при перио­дическом промерзании и оттаивании. По прочности они уступают вышеописанным сланцам (/^_ж у сухих образцов в среднем 45—60 МПа, а у водонасыщенных она снижается до 25—30 МПа, т. е. почти вдвое). Наименее устойчивы к выветриванию глинистые сланцы. В воздушно-сухом состоянии они обладают значительной прочностью (20—40 МПа), но при водонасыщении довольно часто образцы просто разваливаются. Эти породы хорошо противостоят химическому выветриванию, а при воздействии таких факторов физического выветривания, как «замерзание — оттаивание», легко разрушаются, но в процессе физического выветривания на скло­нах глинистые сланцы образуют рыхлые, подвижные, труднопро­ходимые осыпи. Насыщение этих осыпей водой после сильных ливней приводит к формированию в горных районах селевых потоков.

Карбонатные метаморфические породы могут образовываться как при региональном, так и при контактовом метаморфизме, главным здесь является наличие среди факторов метаморфизма значительных температур и давлений. Наиболее характерной по­родой этой группы является мрамор — перекристаллизованный известняк, в котором между кристаллическими зернами имеется непосредственная связь. Как и у всех пород, структура и тексту­ра мраморов диктуют их физические и механические свойства. В средних значениях временное сопротивление их сжатию состав­ляет около 100 МПа. Приведем некоторые примеры. Среднезер-нистые массивные мраморы протерозойского возраста из бассей­на р. Амур характеризуются прочностью на сжатие в среднем 115 МПа, которая после водонасыщения снижается до 80 МПа, а после испытаний на морозостойкость падает до 70 МПа. Вместе 90

с тем мелкозернистые доломитизированные мраморы достигали прочности 200 МПа. Причем отдельные образцы превышали эти значения, в то же время крупнозернистые «сахаровидные» разно­сти мраморов имеют прочность, не превышающую 50—60 МПа. Отличительной чертой мраморов среди метаморфических пород является их, хотя и слабая, но растворимость в воде, которая со­держит углекислоту. Это определяет значительно меньшую закар-стованность мраморных массивов, чем в толщах, сложенных из­вестняками и доломитами. Мрамор довольно устойчив к «обычному», без «антропогенного дополнения», выветриванию, сохраняет крутые, вплоть до «отвесных», природные склоны.

Наиболее распространенной породой, образующейся при тер­мальном контактовом метаморфизме, являются роговики. Для них характерна полная перекристаллизация исходного материала. Обычно это темные плотные породы, имеющие однородную «мо­нотонную» структуру и мелкозернистую структуру. Чаще других встречаются кварц-биотит-полевошпатового состава породы, обра­зовавшиеся по пелитовому материалу. С инженерно-геологической точки зрения роговики рассматриваются как весьма благоприят­ные основания для ответственных сооружений. Прочность их всег­да значительно выше, чем у вмещающих пород, а от интрузивных пород их выгодно отличает меньшая трещиноватость и значитель­но большая однородность в массиве. Как известно, состав и строе­ние пород определяют спектр изменения их физико-механических свойств. Установлено, например, что диапазон изменения прочно­сти норильских роговиков равняется 60—150 МПа. Наиболее вы­сокими показателями физико-механических свойств обладают тонко- и мелкозернистые разности, пониженные значения отмече­ны для неравномерно-зернистых пород с пористостью до 3,5 %. Все роговики устойчивы к выветриванию. Необходимо заметить, что на сложенных ими природных склонах формируются обвалы, курумы, крупнощебенистые осыпи.

Тектониты — породы, которые обычно не относят к класси­ческим метаморфическим, — являются в то же время типичными представителями катакластического метаморфизма и включают в себя брекчии трения, катаклазиты, милониты. Это раздроблен­ные, иногда перетертые породы различной степени цементации.

Брекчии трения состоят из различной величины обломков по­род, как правило, необработанных, сцементированных тонкоразд­робленной массой тех же пород. Катаклазиты отличаются от брекчий трения меньшим размером обломков. Они характеризу­ют начальные стадии изменения пород. Катаклазиты сохраняют во многом черты исходного материала, поэтому соответственно и различают катаклазиты гранитов, катаклазиты габбро и др. В це-

лом эти породы еще сохраняют достаточно высокую прочность на раздавливание. Милониты характеризуются резко выраженной рассланцованностью, по существу, это микробрекчии (составные части милонитов распознаются только под микроскопом) грубо-или тонкополосчатой текстуры.

Все тектониты в условиях естественного залегания имеют до­статочно высокую плотность. Это отнюдь не рыхлая рассыпаю­щаяся масса, легко перетирающаяся руками. Но вполне очевид­но, что их прочностные и деформационные характеристики должны быть хуже, чем у первичных пород — гранитов, песчани­ков, алевролитов, что и подтверждается испытаниями их на прочность и сжимаемость. Благодаря сланцеватой текстуре, нали­чию раздробленных прослойков, хлоритизации и серитизации первичных минералов, резко снижается сопротивление катакла-зированных пород сдвигу.

Обычно катаклазированные породы слагают маломощные зо­ны, приуроченные к таким дизъюнктивным дислокациям, как сбросы, надвиги и т. п. Катаклазированные породы интенсивно выветриваются, относительно легко размываются, поставляя ма­териал, формирующий осыпи и способствующий развитию дру­гих склоновых процессов.

В общем случае тектониты можно рассматривать как ослаб­ленные зоны скальных массивов и таким образом подходить к их оценке в качестве оснований сооружений. Так, глинистые текто­нические брекчии являются слабыми породами и из оснований ответственных сооружений удаляются.