КЕмерово 2004

ВВЕДЕНИЕ

 

Цикл лабораторных работ по инженерной петрографии является составной частью курса «Инженерная геология и гидрогеология», а также геологической основой для изучения курса «Почвоведение».

Целью лабораторных работ является овладение студентами практическими навыками определения и описания грунтов различного генезиса, принятыми в петрографии и инженерной геологии согласно ГОСТ 25100–95.

Цикл включает пять лабораторных работ, выполняемых в течение семи занятий.

o Лабораторная работа № 1 «Состав, морфология и диагностические свойства породообразующих минералов».

o Лабораторная работа № 2 «Подгруппа скальных грунтов магматического происхождения».

o Лабораторная работа № 3 «Подгруппа скальных грунтов осадочного происхождения».

o Лабораторная работа № 4 «Подгруппа скальных грунтов метаморфического происхождения».

o Лабораторная работа № 5 «Класс природных дисперсных грунтов».

Сведения, полученные в процессе выполнения работ, помогут глубже понять причины ряда инженерно-геологических явлений, рассматриваемых в лекционной части курса. Они необходимы для анализа инженерно-геологических и гидрогеологических условий на осваиваемой под городское строительство территории по специальным картам, которым завершается лабораторный практикум курса.

Лабораторные работы построены по однотипной схеме. Они содержат вводную ознакомительную, но обязательную часть, которая выделена из лекционного курса на самостоятельную проработку во внеаудиторное время. Конспект по этому разделу составляется во время подготовки к лабораторному занятию, представляется преподавателю совместно с отчетом по лабораторной работе и остается на руках у студента для подготовки к зачету (экзамену) по курсу.

Практическая часть лабораторной работы включает знакомство с эталонными коллекциями минералов и горных пород, а также определение и описание минералогических и инженерно-петрографических образцов индивидуальной задачи. Индивидуальная задача представляет собой образец каменного материала, снабжённый номером (например, ГК1–20(1)). Буквенный символ означает название специальности; цифра после него – номер комплекта задач; число, написанное через тире, – порядковый номер задачи в комплекте (номер задачи соответствует порядковому номеру фамилии студента в групповом журнале). Цифра в скобке означает номер лабораторной работы.

К инженерно-петрографическим образцам индивидуальной задачи прилагается паспорт инженерно-геологических свойств и их характеристик (показателей), которые студентам предлагается понимать как показатели, установленные ранее в рассматриваемых грунтах в естественном состоянии в горном массиве. Данные по каждой индивидуальной задаче приводятся в альбоме «Показатели физико-механических свойств грунтов» под номером, соответствующим номеру образца каменного материала. На основании паспортных характеристик должно быть установлено номенклатурное подразделение грунта согласно ГОСТ 25100–95 «Грунты».

Лабораторная работа выполняется индивидуально. В конце занятия представляется отчёт в табличной форме с описанием образцов индивидуальной задачи, составленной на внутреннем развороте двойного листа тетради в клетку. Пример оформления титульной страницы и отчётов приводится в конце методических указаний к каждой лабораторной работе.

Лабораторная работа должна быть защищена, т.е. студенту необходимо продемонстрировать владение терминологией, классификациями и приёмами описания отдельных минералов, а также состава и строения грунтов и инженерно-геологических показателей, используемых в их номенклатуре. Обязательным элементом защиты является умение определить любой предложенный не из задачи образец наиболее распространённых минералов и грунтов.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Состав, морфология и диагностические свойства породообразующих минералов

Цель лабораторной работы: изучение состава, морфологических особенностей и диагностических свойств породообразующих минералов, а также овладение навыками их определения и описания.

 

1. Теоретические положения

Минералы – это продукты природных физико-химических процессов, протекающих на поверхности или в недрах земной коры, получившие определенную химическую индивидуализацию и определенные физические свойства.

Естественные минеральные агрегаты определенного состава и строения, сформировавшиеся в результате геологических процессов и залегающие в земной коре в виде самостоятельных тел, называются горными породами.

Горные породы и почвы в инженерной геологии рассматриваются как грунты, слагающие основания инженерных сооружений, являющиеся средой или материалом для возведения сооружений.

По происхождению горные породы подразделяются на три генетические группы: магматические, осадочные и метаморфические.

Магматические породы образуются в результате охлаждения и затвердевания в недрах или после излияния на поверхность Земли силикатных расплавов – магм, возникающих в мантии или земной коре.

Осадочные породы образуются из остаточных и переотложенных продуктов выветривания и разрушения различных горных пород, путем химического или механического выпадения осадков в водно-воздушной среде, иногда при посредничестве организмов. Существование осадочных пород возможно в термодинамических условиях приповерхностной части земной коры.

Метаморфические породы возникают из исходных пород любого происхождения под воздействием меняющихся условий существования (температуры, давления, агрессивного воздействия газов и водных термальных растворов), при этом исходные породы постепенно утрачивают признаки первичного происхождения и в зависимости от вида метаморфизма изменяют свое строение, состав или то и другое вместе. Метаморфические породы возникают на той или иной глубине от поверхности Земли.

Генезис пород устанавливается на основании особенностей их строения и минерального состава. Минеральный состав горных пород в значительной степени определяет их инженерно-геологические свойства, поэтому в инженерной петрографии широко используются данные минералогии о химическом составе, строении и свойствах породообразующих минералов.

 

1.1. Минералы как кристаллические вещества

Минералы в природе находятся в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном. Значительно преобладают твердые минералы, среди которых небольшая часть представлена аморфными образованиями, а подавляющее большинство – кристаллическими веществами. В аморфных телах материальные частицы (атомы, ионы) располагаются беспорядочно, а в кристаллических – упорядоченно, наподобие узлов пространственной решетки. Закономерному расположению материальных частиц соответствует минимальная внутренняя энергия. Следовательно, кристаллическое состояние вещества более устойчивое, поэтому оно более характерно для природных химических соединений – минералов.

Важным свойством кристаллических веществ является способность самоограняться, т.е. при своем росте в определенных условиях покрываться плоскими гранями и приобретать геометрически правильную многогранную форму в виде кристаллов.

 

1.2. Минералы как химические соединения

Химические элементы закономерно группируются в земной коре, образуя минералы. Как самородные элементы минералы встречаются редко, обычно они образуют различные химические соединения.

Среди минералов практически нет химически чистых веществ. В их структуру входят различные химические примеси. В одних минералах количество таких примесей незначительно – это минералы постоянного состава (галит – NaCl). Другие минералы содержат разные количества химических примесей. Такие минералы называют минералами переменного состава, и главная причина их существования – явление изоморфизма.

Изоморфизм – это явление замены в кристаллической решетке минерала одних химических элементов другими, но без изменения кристаллической структуры минерала. Изоморфизм происходит при условии разницы в размере взаимозаменяемых атомов не более 15 %, близости их химических свойств и сохранения электронейтральности кристаллической решетки.

Такие минералы представляют собой твердые смеси, т.е. кристаллические растворы переменного химического состава. В формулах минералов изоморфные атомы заключаются в круглые скобки и отделяются друг от друга запятыми (например, Mg и Fe в минерале оливин – (Mg,Fe)₂[SiO₄]).

Различают два типа изоморфизма по степени совершенства: совершенный и несовершенный.

При совершенном (неограниченном) изоморфизме возможна полная (до 100 %) замена одних атомов другими, т.е. могут существовать два крайних и все промежуточные по составу минералы, имеющие часто собственные названия. Например, в минерале оливин – (Mg,Fe)₂[SiO₄] наблюдается полный изоморфизм между Mg²⁺
(R = 0,078 нм) и Fe²⁺ (R = 0,082 нм). R – это радиус атомов или ионов, измеряемый в нанометрах (1нм равен 10^–9 м). Крайними членами изоморфного ряда являются форстерит Mg₂[SiO₄] и фаялит Fe₂[SiO₄].

При несовершенном (ограниченном) изоморфизме количество изоморфной примеси не может превышать какого-то предела, неоднозначного для разных минералов. Например, в минерале сфалерит – (Zn,Fe)S железа двухвалентного не более 20 % от суммы (Fe + Zn).

Существует два типа изоморфизма по характеру компенсации валентности: изовалентный и гетеровалентный.

Изовалентный изоморфизм характеризуется заменой в кристаллической решетке одного атома другим атомом той же валентности. Пример замены двухвалентного магния двухвалентным железом в структуре оливина рассмотрен выше.

При гетеровалентном изоморфизме в кристаллических структурах минералов происходит замена одного атома другим атомом иной валентности. Гетеровалентный изоморфизм ярко проявляется на примере плагиоклазов. Плагиоклазы представляют собой изоморфный ряд с полной (100%-ной) изоморфной смесимостью при высоких температурах. Крайними членами этого ряда являются альбит NaAlSi₃O₈ и анортит CaAl₂Si₂O₈. Происходит замена Na¹⁺ (R = 0,057 нм) на Ca²⁺
(R = 0,106 нм), а избыток заряда компенсируется вхождением Al³⁺
(R = 0,057 нм) на место Si⁴⁺ (R = 0,039 нм).

Большинство породообразующих минералов представляет собой изоморфные смеси. Химический состав и физические свойства минерала – члена изоморфного ряда зависят от параметров среды минералообразования. Например, из магматического расплава, обогащенного магнием, железом и кальцием, будет кристаллизоваться плагиоклаз с высоким содержанием кальция (лабрадор, битовнит, анортит – основные плагиоклазы), а из расплава, обеднённого этими химическими элементами, но богатого щелочами, возникнут преимущественно натриевые плагиоклазы (олигоклаз, альбит – кислые плагиоклазы).

 

1.3. Вода в составе минералов

Вода входит в состав минералов в различных формах.

Конституционная вода входит в кристаллическую решетку минералов в виде ионов ОН^– или Н₃О⁺. Удаление её происходит при высоких температурах (600–700 °С), при этом минерал разрушается. Например, минерал тальк Mg₃[Si₄O₁₀](OH)₂.

Кристаллизационная вода входит в решетку минералов в виде молекул Н₂О. Удаление её происходит при температурах 300–400 °C, минерал при этом также разрушается. Например, гипс Ca[SO₄]×2H₂O.

Адсорбционная вода может сорбироваться минералами, обладающими коллоидными свойствами. Она удаляется при температуре 110 °C, минерал при этом не разрушается. Например, опал SiO₂×nH₂O.

В минералах могут присутствовать одновременно разные виды воды, например – монтмориллонит (Al,Mg)₂[Si₄O₁₀](OH)₂×nH₂O.

 

1.4. Классификация важнейших породообразующих минералов по химическому составу

Согласно принятой в минералогии классификации всё многообразие минералов по химическому составу поделено на десять типов. В составе большинства типов выделены классы, а иногда и подклассы. Породообразующие минералы являются представителями не всех типов минералов. Поэтому классификация приводится не в полном объёме.

Тип простые вещества

Класс самородные металлы: золото – Au.

Класс самородные неметаллы: сера – S.

Тип сернистые соединения и их аналоги

Класс простые сульфиды и их аналоги: пирит – FeS₂.

Тип галогенные соединения

Класс хлориды: галит – NaCl, сильвин – KCl, карналлит – KMgCl₃×6H₂O.

Тип кислородные соединения

Класс оксиды и гидроксиды: магнетит – Fe₃O₄, гематит –Fe₂O₃, гётит – a-FeO(OH), гидрогётит – a-FeO(OH)×nH₂O, лепидокрокит – g-FeO(OH), гидролепидокрокит – g-FeO(OH)× nH₂O , пиролюзит – MnO₂, псиломелан – (Mn⁴⁺, Mn²⁺)₅O₁₀(Ba,H₂O)_£2, гиббсит – Al(OH)₃, бёмит – g-AlO(OH), диаспор – a-AlO(OH), кварц – SiO₂, халцедон – SiO₂, опал – SiO₂×nH₂O.

Класс сульфаты: гипс – Ca[SO₄]×2H₂O.

Класс фосфаты: апатит – Ca₅(PO₄)₃(OH,F,Cl), вивианит – Fe₃(PO₄)×8H₂O.

Класс карбонаты: кальцит – Ca[CO₃], доломит – Ca(Mg,Fe)[CO₃]₂.

Класс силикаты. Минералы этого класса являются главнейшими породообразующими минералами и широко распространены в природе, слагая до 75 % объёма земной коры. Основой кристаллической структуры силикатов является кремнекислородный анион [SiO₄]^4–. Позицию кремния в анионе может занимать алюминий [AlO₄]^5–, но не более половины объёма решетки. Такие минералы являются алюмосиликатами. Анионы в структуре силикатов способны к полимеризации, т.е. к образованию различных анионных группировок. Между собой одиночные анионы или их группировки соединяются через катионы. Геометрия сочетания катионов и анионных группировок в кристаллической решетке объясняет разнообразие и обусловливает свойства силикатов. Характер сцепления анионов в группировке лежит в основе выделения подклассов силикатов.

Подкласс островных силикатов: оливин – (Mg,Fe)₂[SiO₄], дистен – Al₂[SiO₄]O, эпидот – Ca₂(Al₂Fe)[SiO₄][Si₂O₇]O(OH), гранаты гроссуляр-андрадитовые – Ca₃(Al,Fe,Cr)₂[SiO₄]₃, гранаты пироп-альмандиновые – (Mg,Fe,Mn)₃Al₂[SiO₄]₃.

Подкласс кольцевых силикатов: турмалин –NaFe₃Al₆[Si₆O₁₈][BO₃]₃(OH)₄.

Подкласс цепочечных силикатов – пироксенов: авгит – (Ca,Na)(Mg,Fe²⁺,Fe³⁺,Ti,Al)[(Si,Al)₂O₆].

Подкласс ленточных силикатов – амфиболов: роговая обманка – Ca₂Na(Mg,Fe²⁺)₄(Al, Fe³⁺)[(Si,Al)₄O₁₁]₂(OH)₂, актинолит – Ca₂(Mg,Fe)₅[Si₄O₁₁]₂(OH)₂.

Подкласс слоевых силикатов: тальк – Mg₃[Si₄O₁₀](OH)₂, хлориты – (Mg,Fe)_6–n(Al,Fe³⁺)_n[Al_nSi_n–4O₁₀](OH)₈, биотит – K(Mg,Fe)₃[AlSi₃O₁₀](OH,F)₂, мусковит – KAl₂[AlSi₃O₁₀](OH,F)₂, гидрослюды – (K,H₃O)Al₂[AlSi₃O₁₀](OH)₂, монтмориллонит –Al₂Mg₃[Si₄O₁₀](OH)₂×nH₂O, каолинит – Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈.

Подкласс каркасных силикатов: калиевые полевые шпаты (КПШ) – K[AlSi₃O₈], натрий-кальциевые полевые шпаты (плагиоклазы) – это изоморфный ряд (100 – n)Na[AlSi₃O₈] ↔ nCa[Al₂Si₂O₈].

 

2. Содержание и порядок выполнения

лабораторной работы №1, описание оборудования

 

Работа выполняется в течение четырех часов.

 

Первое занятие лабораторной работы №1

Первое занятие посвящено теоретическому и практическому освоению морфологических особенностей и диагностических свойств породообразующих минералов с использованием образца индивидуальной задачи и эталонной коллекции минералов. Суть указанных признаков и приемы их использования приводятся ниже.

Необходимое оборудование и материалы: методические указания к лабораторной работе № 1, эталонную коллекцию минералов, шкалы твёрдости, лупы, стеклянные и фарфоровые пластинки, магнитные стрелки, 10%-ную соляную кислоту, комплект индивидуальных задач на подгруппу – получает дежурный до начала занятия.

Первая лабораторная работа выполняется по образцу, номер которого в скобках содержит цифру 1. Например, ГК2–15(1).

Результаты наблюдений диагностических признаков минералов индивидуальной задачи заносятся в соответствующие графы отчета. Форма и примеры составления отчета, а также образец оформления титульного листа приводятся в прил. 1 и 2.

 

2.1. Морфология минералов и их агрегатов

Морфология (греч.: «морфос» – форма, «логос» – слово, учение) минералов и минеральных агрегатов – это изучение и характеристика минералов и их формы (внешнего вида).

Морфология минералов и их агрегатов зависит от химического состава и кристаллической структуры минералов, от условий и способа их образования. Это позволяет использовать морфологические особенности для диагностики минералов и судить об их генезисе (происхождении).

Подавляющее большинство минералов являются кристаллическими веществами, однако при возникновении горных пород они редко реализуют основное свойство кристаллических тел – способность самоограняться, т.е. образовывать геометрически правильные кристаллы.

В виде правильных кристаллов в породах минералы почти не встречаются. В качестве редких примеров можно назвать пирит и гранаты (рис. 2.1). Форма кристаллов характеризуется их габитусом, который определяется по одной наиболее развитой в огранке простой форме. Под простой формой в кристаллографии понимают совокупность граней, одинаковых по форме и размерам, участвующих в огранке кристалла, связанных между собой элементами симметрии. Кристалл может обладать одной простой формой или комбинацией простых форм. Габитус кристалла может служить хорошим диагностическим признаком минералов. Наиболее распространенный габитус породообразующих минералов: кубический, ромбододекаэдрический, призматический, пинакоидальный и др.

 

2.1.1. Морфология минеральных зерен

Основная масса породообразующих минералов образует кристаллические индивиды, не обладающие правильной огранкой или огранённые частично. В минералогии их именуют минеральные зерна. Морфология минеральных зерен характеризуется их степенью изометричности, которая выражается в различном соотношении длины, ширины и высоты (толщины). По степени изометричности различают:

1) изометричные зерна, имеющие равновеликие размеры по трём взаимно перпендикулярным направлениям в пространстве («шаровидные») (рис. 2.2, а);

2) удлинённые или вытянутые в одном направлении зёрна, среди которых по соотношению длины и поперечника различают следующие разновидности: столбчатые, шестоватые, игольчатые, волокнистые (рис. 2.2, б);

3) уплощенные (сплюснутые) зёрна, одинаково вытянутые в двух направлениях, при сохранении третьего короткого. По «толщине» различают: таблитчатые, пластинчатые, листоватые, чешуйчатые зёрна (рис. 2.2, в).

Существуют формы зёрен переходные между основными тремя типами. Досковидные зёрна имеют промежуточную форму между вторым и третьим типами (столбчатые и одновременно уплощенные индивиды). Бочёнковидные зёрна – промежуточная форма между первым и вторым типами (рис. 2.2, г, д).

Некоторые минералы обладают неправильной формой зерна, которая по соотношению длины, ширины и высоты примерно соответствует изометричной форме.

Определяя форму зерна минерала в породе, необходимо обратить внимание на различие сечений зёрен. Изометричные зёрна имеют одинаковые сечения при любом случайном сколе. Вытянутые и уплощенные зёрна имеют различные сечения вдоль и поперёк зерна. По этому признаку зёрна разных форм в породах легко отличаются друг от друга (рис. 2.3).

2.1.2. Морфология минеральных агрегатов

Минералы в природе редко встречаются в виде отдельных кристаллов или изолированных кристаллических зерен, а образуют кристаллические или аморфные массы, называемые минеральными агрегатами.

Минеральный агрегат– скопление одного или нескольких минералов, возникшее в результате природных процессов минералообразования. Если минеральный агрегат сложен одним минералом, его называют мономинеральным, если двумя и более минералами – полиминеральным.

По условиям образования и распространенности различают две группы минеральных агрегатов: зернистые и особые.

Зернистые агрегатыпредставляют собой скопление кристаллических минеральных зерен, иногда в сочетании с хорошо образованными кристаллами. Зернистые агрегаты наиболее распространены в природе, ими представлено подавляющее большинство горных пород.

Зернистые агрегаты классифицируются по нескольким параметрам.

По абсолютному размеру кристаллических зерен различают:

1) явнозернистые – размер зерен больше 0,1 мм, они легко различимы глазом;

2) скрытозернистые – размер зерен меньше 0,1 мм, зерна неразличимы глазом, зернистое строение агрегата надежно устанавливается только при исследовании под микроскопом.

В зависимости от количественного содержания минералов в полиминеральном агрегате минерал может образовывать сплошной зернистый агрегат или присутствовать в виде вкрапленных зёрен в массе других минералов.

Зернистые агрегаты классифицируют и по форме слагающих их минеральных зёрен. Например – таблитчатый, игольчатый, столбчатый агрегаты. Исключение составляют агрегаты, образованные изометричными зёрнами, – термин «изометричный агрегат» не употребляют.

Особые агрегатыимеют значительно меньшее распространение в земной коре, чем зернистые агрегаты. Это объясняется тем, что для их возникновения требуются специфические условия минералообразования. Большинство из них формируются в приповерхностных частях земной коры и устанавливаются в породах осадочного происхождения. К особым агрегатам относятся друзы, конкреции, оолиты, натёчные и землистые агрегаты, выцветы и некоторые другие.

Друзы(нем.: «щётка») – это агрегаты хорошо образованных кристаллов, прикреплённых одним концом к общему основанию (рис. 2.4, а). Возникают при кристаллизации минералов в свободном пространстве – в открытых трещинах, пустотах.

Конкреции (лат.: «стяжения, сгущения») представляют собой шаровидные или неправильной формы образования, возникающие в осадочных породах в основном на стадии преобразования осадка в осадочную горную породу. Они образуются за счёт стягивания минерального вещества к какому-либо центру кристаллизации. При этом рост кристаллов направлен от центра конкреции к её периферии. В результате этого нередко возникает радиально-лучистое внутреннее строение (рис. 2.4, б). Размер этих образований колеблется от нескольких миллиметров до десятков сантиметров. Наиболее часто в виде конкреций встречаются фосфорит, сидерит.

Оолитыагрегаты сферических образований от долей миллиметров до 10–15 мм с явно выраженным концентрически-скорлуповатым строением (рис. 2.4, в). Оолиты образуются в подвижной водной среде путём послойного осаждения минерального вещества вокруг каких-либо затравок (песчинок, пузырьков воздуха и пр.), находящихся во взвешенном состоянии. По мере достижения определённых размеров оолиты падают на дно, соединяясь между собой минеральным цементом сходного или иного состава. Также оолитовые агрегаты могут возникать при диагенезе в результате диффузии в коллоидной среде. В виде оолитов встречается кальцит, лимонит, псиломелан. Осадочные горные породы оолитового строения носят название икряных или гороховых камней.

Натёчные агрегаты возникают в пустотах горных пород путем выпадения из медленно испаряющихся коллоидных растворов. При свободном стекании в крупных полостях под действием силы тяжести возникают натечные образования в виде сосулек – сталактиты и растущие им навстречу за счет падающих капель сталагмиты (рис. 2.4, г). Медленно продвигающиеся коллоиды при высачивании на стенки пустот обволакивают их, постепенно теряют воду и затвердевают, образуя почковидные и гроздевидныеагрегаты (рис. 2.4, д). Натечные образования обнаруживают концентрически-зональное внутреннее строение, которое объясняется послойным отложением вещества из раствора. С течением времени коллоидные массы натечных форм подвергаются раскристаллизации, при этом натечные образования приобретают волокнистое строение с радиально-лучистым расположением возникших кристаллических индивидов, заметным в изломе. Натечные формы образуют опал, кальцит, лимонит и другие.

Землистые агрегаты (син.: порошковатые) – это мягкие, мучнистые, неплотные, пачкающие руки образования, в которых отдельные минеральные зерна неразличимы невооруженным глазом. Возникают в экзогенных условиях при химическом разрушении горных пород и руд. Землистые агрегаты образуют глинистые минералы, лимонит, псиломелан и другие.

Выцветы – этотонкие пленки или корочки минералов, покрывающие поверхность других минералов, горных пород, почв. Образуются в засушливое время и характерны для водорастворимых минералов: галита, гипса.