Министерство образования и науки РФ ГОУ ВПО ТюмГАСУ

Министерство образования и науки РФ ГОУ ВПО ТюмГАСУ Кафедра СПОФ ГЕОЛОГИЯ 120 тематических слайдов Автор: ИГАШЕВА С.П., ст.преп. каф. СПОФ

ОСАДОЧНЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

Камень - чудо природы и тайна её. Э. Межелайтис Осадочные горные породы (ОГП) по происхождению являются вторичными.

ГЕНЕЗИС осадочных пород заключается в разрушении различных горных пород на поверхности земли, образовании осадка, его переносе, сортировке, отложении, накоплении, уплотнении и окаменении (рисунок 1):

По способу образования различают: а) ОБЛОМОЧНЫЕ ОГП – образуются при механическом разрушении исходных горных пород и минералов (щебень, галечник, песок, песчаник) (фото 1):

Фото 1 Щебень ИСП

б) ГЛИНИСТЫЕ ОГП – образуются при совместном действии физического и химического выветривания (глины) (фото 2):

Фото 2 Глина ИСП

в) ХЕМОГЕННЫЕ – образуются при накоплении осадка, выпадающего из водных растворов (известняк, гипс, каменная соль) (фото 3):

Фото 3 Каменная соль [9]

г) ОРГАНОГЕННЫЕ ОГП - образуются при накоплении органических остатков (ракушечник, мел, торф, уголь) (фото 4):

Фото 4 Нефть Журнал «Вокруг света»

д) породы СЛОЖНОГО ГЕНЕЗИСА образуются при сочетании различных процессов осадконакопления (мéргель образуется при одновременном осаждении в водоёме карбонатных и глинистых частиц) (фото 5):

Фото 5 Мéргель ИСП

Рисунок 1 ОГП в схеме связи классов горных пород

Процессы осадконакопления происходят на земной поверхности повсеместно, но в разных условиях приводят к различным результатам.

Поэтому ОГП подразделяют и по месту образования: типично морские (ракушечник, мел); типично континентальные (щебень, торф); полигенетические (глины, соли, руды).

СОСТАВ осадочных горных пород разнообразен, частично схож с МГП: среди главных (породообразующих) минералов ОГП много первичных то есть таких, которые сохранились неизменёнными после разрушения исходных пород (кварц, слюды, роговая обманка и др.).

Но также появляются вещества, которые не характерны для глубинных условий, и могут образоваться только на земной поверхности (гипс, кальцит, глинистые минералы, и др.)

Один и тот же минерал может быть в одной ОГП главным, а в другой – второстепенным (частицы глинистых минералов в супеси могут составлять не более 10 % от объёма, а в глинах до 100 %).

Осадочные горные породы могут быть и мономинеральными (кварцевый песок, каменная соль), и полиминеральными (песок, супесь, лёсс) (фото 6):

Фото 6 Пески ИСП

Второстепенные (акцессóрные) минералы могут сильно влиять на свойства осадочной породы (всего несколько процентов глинистых минералов в составе песчаных пород придают им способность вмещать в себя и удерживать воду, уменьшаться в объёме при высыхании, набухать при увлажнении и т.д.).

Минералы осадочных пород могут находиться не только в кристаллическом и аморфном состоянии, но и в коллóидном (глинистые).

СТРУКТУРЫ осадочных горных пород из-за их разнообразия не имеют единой классификации и выделяются для каждой группы ОГП отдельно:

а) для структур обломочных ОГП определяющее значение имеют размеры обломков (в разнозернистых породах структурный тип устанавливают по преобладающей фракции) (фото 7); внешний облик обломков, различают по степени окáтанности:

Фото 7 Галечник и песок – обломки разного размера ИСП

угловáтые (неокатанные) не несут следов обработки водой или ледником. Вероятно, переноса обломочного материала от места образования не было или он был кратковременным и на небольшое расстояние (глыбы, щебень, дресва) (фото 8):

Фото 8 Неокатанные обломки ИСП

окатанные обломки указывают на долгий путь и длительное время переноса до места отложения (валуны, галечник, гравий) (фото 9);

Фото 9 Окатанный обломок [9]

физическое состояние породы рыхлые (валуны, щéбень, галечник, гравий, песок) (фото 10), сцементированные (песчáник, алевролит, конгломерáт, брéкчия) (фото 11):

Фото 10 Галечник – рыхлый осадок ИСП

Фото 11 Брéкчия – сцементированная порода catalogmineralov.ru [9]

Для сцементированных обломочных ОГП важно определить состав цементирующего вещества (глинистый, карбонатный, желéзистый, кремнезёмистый и др.) и тип цемента, т.е. характер его соотношения с обломками в породе (рисунок 2):

а) базáльный и коррозиóнный (разъедáния); б) базáльный и сгỳстковый (неравномерный); в) цемент пор; г) контактовый (соприкосновения); д) цемент пор и выполнения; е) беспорядочно зернистый кристаллический; ж) крустификациóнный (обрастания); з) нарастания (регенерации); и) прорастания Рисунок 2 Типы цементов ОГП

СТРУКТУРЫ ОБЛОМОЧНЫХ ПОРОД

б) структуры глинистых пород выделяют по размерам частиц. Формы глинистых частиц (чешуйки, листочки, пластинки) при этом не учитываются:

в) в хемогенных ОГП структуры выделяют по размерам частиц (крупнозернистая, среднезернистая, мелкозернистая), по их форме (зёрна, оолиты, землистые, натёчные) (фото 12, 13):

Фото 12 Зернистые агрегаты каменной соли [8]

Фото 13 Натёчные формы [8]

СТРУКТУРЫ ХЕМОГЕННЫХ ПОРОД

г) структуры органогенных ОГП выделяют по виду органики и по её сохранности (фото 14, 15):

Фото 14 Торф состоит из растительных остатков ИСП

Фото 15 Скопление раковин морских животных [9]

д) в породах сложного генезиса структуры выделяют по размерам частиц (землистая, глинисто-пылевáтая) (фото 16).

Фото 16 Землистая структура пород сложного генезиса [9]

ТЕКСТУРЫ ОГП зависят от взаимного расположения частиц:

ОКРАСКА любой горной породы определяется: цветом минеральных зёрен, входящих в её состав (пески, состоящие из зёрен кварца белые, а из роговóй обманки – чёрные), цветом исходных горных пород (фото 17, 18):

Фото 17 Галечник, образовавшийся из гранита

Фото 18 Песок, содержащий зёрна различного цвета ИСП

для обломочных пород имеет значение окраска цемента в составе породы (кварцевый цемент придает породе светлую окраску, битуминóзный цемент окрашивает породу в чёрный цвет, а желéзистый - в красный. Глины, содержащие тонкорассéянное углефицированное органическое вещество имеют чёрный и тёмно-серый цвета) (фото 19):

Фото 19 Цвет цементирующего вещества определяет общую окраску горной породы ИСП

климатом, в котором ОГП сформировались (в районах с прохладным и влажным климатом формируются ОГП серо-зеленого цвета) (фото 20), в районах с сухим жарким климатом - красного, бурого, желтовато-бурого) (фото 21):

Фото 20 Окраска ОГП, образовавшихся в районах с умеренным климатом [9]

Фото 21 Окраска ОГП, образовавшихся в районах с жарким сухим климатом [9]

ПЛОТНОСТЬ осадочных горных пород различна (от 250 кг/м³ у диатомитов до 3000 кг/м³ у известняков).

ВОДНЫЕ СВОЙСТВА ОГП очень разнообразны

а) ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ монолитных ОГП зависит от степени трещиноватости

ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ рыхлых ОГП зависит от количества и размера пор

очень сильно водопроницаемые - более 30 м3/сутки; сильно водопроницаемые – от 3 до 30 м3/сутки; водопроницаемые - от 0,30 до 3 м3/сутки; слабо водопроницаемые – от 0,005 до 0,30 м3/сутки; практически неводопроницаемые – менее 0,005 м3/сутки;

ВЛАГОЁМКОСТЬ способность горных пород вмещать и удерживать некоторое количество влаги глины, суглинки, диатомит, опока

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА известняк, ракушечник, мел, мергель, лёсс и обломочные ОГП с карбонатным цементом растворимость в воде и активное взаимодействие с HCl (10%) (фото 22):

Фото 22 Ракушечник вскипает под действием HCl 10% ИСП

Другие породы могут растворяться в кислоте без бурных реакций (каменная соль, гипс и т. п.). С водой взаимодействуют, т.е. растворяются в ней, практически те же активные породы. Их растворению способствует СО2.

Это значит, что в природных условиях такие породы подвержены выщелачиванию подземными водами. В них образуются карстовые полости, и возведённые на них сооружения подвергаются опасности (фото 23):

Фото 23.1 Натёчные формы ОГП Журнал «Вокруг света»

Фото 23.2 Натёчные формы ОГП ИСП

ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА

а) ПРОЧНОСТЬ - предел сопротивления одноóсному сжатию, - у осадочных горных пород обычно ниже, чем у МГП и МетГП и колеблется в широких пределах (от 0,15 МПа у песков до 260 МПа у крéмнистых песчаников).

Кроме общепринятых интервалов, для осадочных пород используют ещё более дробное разделение: пониженной прочности – от 3 до 5 МПа; низкой прочности – от 1 до 3 МПа; очень низкой прочности – менее 1 МПа.

б) ТРЕЩИНОВАТОСТЬ характерна для монолитных ОГП (брекчия, известняк, опока), но проявляется в разной степени (известняки всегда сильно трещиноваты; массивы гипса практически не бывают трещиноватыми).

в) УСТОЙЧИВОСТЬ ОГП к внешнему воздействию различна (фото 24): Фото 24 Останцы на месте выветривания ОГП [9]

ОСОБЫЕ СВОЙСТВА а) способность песчаных пород доуплотняться при вибрации (землетрясение, работа механизмов и т.п.) (рисунок 3):

Рисунок 3 Последствия доуплотнения песчаных грунтов в основании сооружения (Япония)

б) способность глинистых пород набухать при увлажнении и уменьшаться в объёме при высыхании (фото 25, 26):

Фото 25 Неравномерное уплотнение глин в основании башни [9]

Фото 26 Трещины усыхания в глине

в) ОГП, содержащие глинистые частицы, при увлажнении способны переходить сначала в пластичное состояние, а затем и в текучее (фото 27):

Фото 27 Увлажнённой глине можно придать любую форму ИСП

г) слоистость (фото 28): Фото 28.1 Слоистость ИСП

Фото 28.2 Известняк содержит слои разного цвета ИСП

д) наличие органики (фото 29). Фото 29.1 Органика в ОГП [9]

Фото 29.2 Органика в ОГП [9]

ПРОСÁДКА – дополнительная вертикальная деформация грунта, находящегося в напряжённом состоянии от собственного веса или под действием внешних нагрузок. Часто - значительная по величине (может достигать десятков сантиметров) и быстро протекающая во времени.

Просáдочность проявляют: лёссы и лёссовидные суглинки - при замачивании; мёрзлые грунты - при оттаивании льда-цемента; песчаные водонасыщенные грунты - при встряхивании.

Вследствие опускания поверхности земли здания и сооружения претерпевают деформации. Поэтому инженер-строитель должен иметь представление о методах строительства на просадочных грунтах.

Методы делятся на: ВОДОЗАЩИТНЫЕ отвод поверхностных вод, гидроизоляцию, предохранение от утечек из водопроводов, устройство водонепроницаемых полов и др.;

КОНСТРУКТИВНЫЕ – приспособление строительных объектов к возможным неравномерным осадкам: повышение жёсткости стен и прочности стыков, применение свайных и уширенных фундаментов и др.;

УСТРАНЕНИЕ ПРОСАДОЧНЫХ СВОЙСТВ ГРУНТОВ: механическое преобразование породы либо с поверхности (трамбовкой, замачиванием), либо в глубине толщ (с помощью грунтовых свай, взрывов в скважинах и др.), применение песчаных и грунтовых подушек, грунто-цементных опор;

физико-химические способы: - óбжиг грунтов через скважины, - силикатизация, - пропитка цементными и глинистыми растворами, - обработка солями, - укрепление органическими веществами и др.

ПЛЫВУННОСТЬ – это способность водонасыщенных дисперсных пород переходить в разжиженное состояние. Она свойственна для песков с различной крупностью зёрен, но более всего - для тонкозернистых песков с пылевáтой, илистой, коллóидной и органическими фракциями.

Массивы таких пород ведут себя подобно вязким жидкостям и называются плывунáми. При вскрытии они разжижаются (фото 30), приходят в движение, заполняют горные выработки (фото 31), засасывают тяжёлые предметы. В свободном состоянии несущей способностью не обладают.

Фото 30 Плывун

Фото 31 Плывун в тоннеле

Плывуны бывают двух видов: а) ложные плывуны  это обычные несвязные грунты в состоянии водонасыщения. Они содержат в порах свободную воду, обладают открытой пористостью, водопроницаемостью и водоотдачей, сравнительно высокой плотностью.

Ложные плывуны не имеют каких-либо цементирующих компонентов. Такие грунты легко поддаются осушению, замораживанию, двухрастворной силикатизации;

б) истинные плывуны ведут себя как глинистые грунты: обладают некоторой связностью и совершенно не отдают воду при обычных способах водопонижения.

Это объясняется наличием в их составе гидрофильных минералов типа монтмориллонита и гидрослюд, а так же микроорганизмов (особого вида бактерий).

Сотрясение и вибрация при производстве подземных работ ведут к тиксотрóпному разжижению грунта, (от греч. thixis – прикосновение; trope - поворот, изменение) часть связанной воды освобождается, а структура грунта разрушается. Всё это требует особого подхода при проведении работ в истинных плывунах:

взрывные работы при проходке не допускаются, необходимо надёжное крепление выработок, водопонижение - только электроосмотическим методом. закрепление истинных плывунов производится временно методом замораживания.

Для выбора наиболее эффективных методов работы с плывýнными грунтами необходимо грамотно их различать:

сухие плывуны (сыпуны) – чистые мелкие пески, приходящие в движение под влиянием вибрации при полном отсутствии воды.

Они осыпаются через мельчайшие трещины в скальных породах или ограждениях и проникают в выработки подобно воде или плывуну. Сыпуны останавливают движение сразу после прекращения вибрации и тампонажа выходов песка.

ФОРМЫ ЗАЛЕГАНИЯ не отличаются разнообразием. Первичной формой залегания ОГП является СЛОЙ – геологическое тело плоской формы, ограниченное двумя приблизительно параллельными плоскостями и обладающее более или менее однородным составом (фото 32):

Фото 32.2 Слоистые толщи ОГП [9]

Со временем слои могут несколько изменить форму (фото 33): Фото 33 Деформированные слои

МЕСТОРОЖДЕНИЯ Осадочные горные породы составляют не более 5 - 8% объёма земной коры, Но распространены чрезвычайно широко и покрывают 75% площади земной поверхности слоем мощностью до 10-12 км.

Многие ОГП распространены в России практически повсеместно (известняки, пески). Лучше всего они сохранились на Восточно-Европейской и Сибирской платформах, Причерноморской и Днепровско-Донской впадинах, где залегают почти горизонтально.

ПРИМЕНЕНИЕ а) ОГП чаще других пород встречаются на поверхности земли и, соответственно, служат ОСНОВАНИЯМИ СООРУЖЕНИЙ. При оценке этих грунтов необходимо учитывать не только их прочность, но и способность к выщелачиванию и доуплотнению.

Многие ОГП требуют укрепления перед строительством сооружений (лёсс, пески, суглинки, супеси), а некоторые совсем непригодны для таких целей (щебень, торф, глины);

б) СТРОИТЕЛЬНЫЙ КАМЕНЬ: штучный камень (фото 34): облицовочный камень (брекчия, песчаник, известняк, ракушечник), стеновые блоки (известняк, туф вулканический); дроблёный камень (щебень, доломит);

Фото 34 Белокаменные церкви России [9]

в) СЫРЬЁМ для изготовления строительных материалов служат многие осадочные горные породы: кирпич является одним из наиболее распространённых строительных материалов. Его изготовление основывается на использовании глинистых пород (глин и суглинков), песков, лёссов, трепела, диатомита;

цемент – необходимый материал при любом строительстве. Представляет собой тонкий порошок, полученный при измельчении мергеля, опоки, известняка, мела, лёссов; производство извести – известняк; керамические изделия получают, используя глины, опóку, лёсс;

стекло производится из кварцевого песка с применением мела; огнеупоры – из песков, песчаников, доломита; заполнители бетонов - щебень, гравий, песок, ракушечник; дорожное строительство – супеси, грубообломочные ОГП;

г) ДРУГОЕ применение ОГП: энергетика – нефть, природный газ, уголь, торф, горючий сланец; химическая промышленность – то же; металлургия – руды, пески, известняк;