Осадочные горные породы
Процессы, происходящие при образовании осадочных горных пород и их классификация. Первичные (изверженные) горные породы, находящиеся на земной поверхности, подвергаясь выветриванию (см. подразд. 4.6), постепенно превращаются в рыхлые продукты разрушения, которые ветром, льдом и главным образом водой сносятся в более низкие места, закрытые водные бассейны, моря и океаны, где происходит их осаждение. Произошедшие таким образом горные породы называются вторичными, или осадочными.
Вода может переносить продукты разрушения двумя путями: механически (мелкие частицы — во взвешенном состоянии, а крупные частицы — перекатывая по дну) и в виде водного раствора (растворимые продукты). В зависимости от этого и образование осадка происходит либо в результате механического выпадения частиц из потока (при замедлении течения реки), либо в результате выделения растворимого вещества в осадок при испарении воды или в случае химических реакций, в результате которых образуются нерастворимые соединения. Кроме того, образование осадка происходит в результате жизнедеятельности низших животных или растительных организмов.
По происхождению осадочные породы подразделяются на механические осадки (или обломочные породы), физико-химические осадки и органогенные породы (рис. 4.3). В свою очередь, механические осадки подразделяются на рыхлые и сцементированные, а органогенные породы — на зоогенные и фитогенные. Зоогенные породы произошли в результате жизнедеятельности животных, а фитогенные — в результате жизнедеятельности растительных организмов.
Минералогический состав осадочных горных пород представлен минералами, приведенными в табл. 4.3.
В осадочных породах, таких как механические осадки, могут встретиться все минералы первичных пород. Однако для осадочных горных пород характерны свои, присущие только им минералы. В то время как в магматических породах преобладают соли слабых кислот (кремневой и алюмокремневой), в осадочных горных породах силикаты и алюмосиликаты играют подчиненную роль, уступая первое место солям сильных кислот (угольной, серной и Т. Д.).
Кальцит (известковый шпат) встречается в составе известняков и мраморов как в виде правильно образованных кристаллов, так и в виде сплошной массы разнообразного сложения, зернистой или плотной. Чистый кальцит бесцветен; при наличии же примесей он бывает сероватым (или белым) или окрашенным в светлые оттенки голубого, желтого, бурого и других цветов. Кальцит характеризуется совершенной спайностью по трем направлениям. Его распознают по реакции с соляной кислотой, с которой он хорошо реагирует даже на холоде, выделяя с характерным вспениванием углекислый газ. Растворимость кальцита в обычной воде ничтожно мала, однако он хорошо растворяется в воде, содержащей С02. Это свойство кальцита лежит в основе образования ряда известковых пород. Его также нужно учитывать при использовании строительного камня из пород, богатых СаС03.
Магнезит в природе встречается в составе одноименной породы. Магнезит используется для изготовления огнеупорных изделий и вяжущего вещества — каустического магнезита.
Доломит по химическому составу представляет собой двойную соль углекислых кальция и магния. Он встречается как в кристаллическом виде, так и в виде зернистых (реже — землистых) масс в составе породы с таким же названием. Доломит применя-
Магматические горные породы?
Выветривание
t
Перенос ___ I
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ется, как и магнезит, при производстве огнеупоров и для получения вяжущего вещества — каустического доломита.
Различают эти минералы по действию соляной кислоты. Магнезит не реагирует с соляной кислотой ни при каких условиях, а доломит реагирует с соляной кислотой, но плохо; при нагревании он выделяет С02. В горных породах кальцит и доломит сопутствуют друг другу в различных соотношениях.
Гипс и ангидрит представляют собой сернокислые соли кальция и образуют породы с одноименными названиями. Гипс может иногда являться цементирующим веществом в песчаниках. В отличие от гипса ангидрит не содержит кристаллизационной воды. Однако он медленно присоединяет воду, постепенно переходя в гипс. Ни тот, ни другой как строительные камни не употребляются. Главное применение гипса и ангидрита — получение гипсовых вяжущих веществ.
Каолинит образуется при выветривании полевых шпатов и является главной составной частью многих глин. Чистый каолинит имеет белый цвет, землистый вид, на ощупь слегка жирен и легко рассыпается.
Водный кремнезем в осадочных породах в отличие от магматических горных пород присутствует не только в кристаллическом состоянии (в виде кварца), но и в аморфном виде, часто в соединении с водой (Si02 ■ лН20); таким является, например, опал, содержащий до нескольких процентов воды. Водный аморфный кремнезем слагает такие осадочные горные породы, как диатомит и трепел, а также является очень прочным природным цементирующим веществом, заполняя промежутки между зернами песка (в песчаниках) и кальцита (в известняках).
Виды структур осадочных горных пород. Зернисто-кристаллическая (мраморовидная) структура — порода состоит из кристаллических зерен, ясно различимых невооруженным глазом или под микроскопом. В зависимости от размера зерен различают мелко — (0,25…0,75 мм), средне — (0,75… 1,25 мм), крупно — (1,25…2,00 мм) и грубозернистую (2…3 мм) структуру.
Плотная (тонкозернистая) структура — зерна трудноотличимы друг от друга даже под микроскопом. Условно к плотным относятся породы зернисто-кристаллической структуры с размером зерна менее 0,25 мм.
Оолитовая структура — порода состоит из шариков радиально-концентрического сложения, сцементированных природным цементирующим веществом. Оолитовая структура характерна для оолитовых известняков.
Обломочная (кластическая) структура — порода состоит из обломков горных пород, сцементированных природным цементом. Такую структуру имеют песчаники, конгломераты и брекчии.
Туфовая (пенистая) структура — структура пористых горных пород.
Рыхлые механические осадки подразделяются по размеру частиц d на глину (d < 0,005), пыль (d = 0,005… 0,050), песок (d = = 0,05…5,00), щебень и гравий (d > 5 мм), булыжники и валуны (крупные камни).
Глина представляет собой мучнистую, тонкодисперсную породу, сложенную глинообразующими минералами: каолинитом, монтмориллонитом (А1203-4Si02‘лН20), гидрослюдами и некоторыми другими, которые состоят из отдельных тончайших частиц (менее 1 мкм) пластинчатой формы, связанных между собой силами молекулярного притяжения.
Глины образуются в результате выветривания горных пород, богатых полевыми шпатами (гранита, сиенита, гнейса, порфира).
Песок может быть кварцевым, полевошпатовым, известковым, доломитовым и т. д. Речной, морской и озерный пески характеризуются окатанной формой зерен и гладкой поверхностью. Горный и овражный пески имеют угловатую форму и шероховатую поверхность зерен.
Большое количество песка расходуется при приготовлении строительных растворов и бетонов, в дорожном деле — при устройстве оснований дорог и приготовлении асфальтобетона. Чисто кварцевые (без примесей) пески высоко ценятся и употребляются как сырье в стекольной, керамической и металлургической промышленностях.
Щебень является породой первичной по отношению к гравию; он образуется непосредственно из материнской породы при ее разрушении и состоит из обломков, имеющих угловатую, острогранную форму.
Гравий образуется из щебня в руслах рек, по берегам морей и озер. Частицы гравия имеют окатанную форму и гладкую поверхность.
Гравий и щебень применяются в дорожном деле: в качестве балласта для железных дорог и как заполнитель для бетона.
Булыжники и валуны — обломки горных пород ледникового происхождения, по размерам превышающие гравий. Их используют для получения щебня.
Сцементированные обломочные породы образуются из рыхлых отложений в результате их уплотнения и воздействия просачивающейся сквозь них воды, несущей в себе то или иное природное связующее вещество, которое, выделяясь из воды, цементирует обломки. К сцементированным породам относятся, например, песчаник (сцементированный песок), конгломерат (сцементированный гравий), брекчия (сцементированный щебень).
Песчаники различаются по виду цементирующего вещества. В порядке возрастания прочности их можно расположить следующим образом: глинистые; гипсовые; железистые; известковые; кремнистые.
Глинистые песчаники сцементированы глиной. Они малопрочны, размягчаются в воде и быстро выветриваются.
Гипсовые песчаники сцементированы гипсом, который растворим, а потому не обладают достаточной устойчивостью.
Железистые песчаники, сцементированные бурым или красным железняком, обладают удовлетворительными качествами и могут быть использованы как строительные камни.
Известковые песчаники, цементирующим веществом в которых является плотный или кристаллический кальцит, обладают высокой прочностью и устойчивостью. При значительном содержании в цементе MgC03 песчаники называются доломитовыми.
Кремнистые песчаники, роль цементирующего вещества в которых выполняет кремнезем в виде кварца, халцедона или опала, обладают высокой механической прочностью, приближающейся к прочности магматических пород, малой истираемостью, большой твердостью и огнеупорностью. К недостаткам кремнистых песчаников относится их трудная обрабатываемость.
В строительстве песчаники используются в качестве штучного камня, облицовочного материала, а также для изготовления щебня и т. д.
Конгломераты и брекчии бывают железистые, известковые, кремнистые и др. В конгломератах сцементированы окатанные обломки горных пород, а в брекчиях — угловатые.
Осадочные породы химического происхождения получились в результате осаждения вещества из истинных (путем кристаллизации) и коллоидных (вследствие коагуляции) растворов.
Известняки представляют большую группу пород, сложенных в основном минералом кальцитом и различающихся происхождением и структурой.
Различают зернисто-кристаллические известняки или мраморы; плотные известняки, в которых зерна трудноотличимы невооруженном глазом; оолитовые известняки; мел; известковые туфы и известняки-ракушечники.
Подавляющая часть известняков загрязнена различными примесями, наибольшее значение из которых имеют глина и углекислый магний. Смесь глины с известняком может быть настолько совершенной, что невооруженным глазом не удается различить отдельные частицы глины и известняка. Количество глины варьируется в широком диапазоне, так что имеется целый ряд переходных пород от известняка к глине: известняк — глинистый известняк — известковый мергель — мергель — глинистый мергель — известковая глина — глина. Аналогично примесь MgC03 дает две переходные от известняка к доломиту породы: магнезиальный известняк и известковый доломит.
Плотный (обыкновенный) известняк состоит из мелких зерен кальцита, связанных цементирующим веществом, чаще всего кальцитовым или известково-глинистым. Наиболее совершенные представители этой группы приближаются по структуре и свойствам к мраморам и называются мраморизованными известняками.
Обыкновенные известняки распространены в природе и широко используются в строительстве в качестве штучного и бутового камня.
Известковый туф образовался в результате растворения углекальциевых пород и осаждения их в новом месте. Растворимость СаС03 сильно возрастает, если в воде содержится свободная углекислота. Такая вода, просачиваясь в недрах земли через известняковые отложения, переводит карбонат кальция в растворимый бикарбонат:
СаС03 + С02 + Н20 ^ Са(НСОз)2
Когда вода, содержащаяся в растворе Са(НС03)2, выходит на поверхность и давление падает до атмосферного, углекислота из нее улетучивается. При недостатке С02 реакция протекает в обратном направлении с выделением СаС03 в виде твердого осадка. Из-за выделения углекислого газа образуются сильно пористые, ноздреватые и ячеистые отложения СаС03, называемые известковым туфом. Благодаря малой плотности и достаточной прочности известковый туф используется в качестве стенового материала.
Оолитовый известняк состоит из концентрически сложенных кальцитовых шариков, сцементированных углекислым кальцием. Внутри каждого шарика находится песчинка. Шарики образуются в водных потоках, когда взвешенные частицы обволакиваются углекислым кальцием, выделяющимся из раствора по описанному ранее механизму. При достижении критических размеров шарики оседают на дно и цементируются той же солью. В зависимости от размеров шариков порода называется икряным, или гороховым, камнем.
По техническим свойствам оолитовые известняки значительно уступают плотным. Их временное сопротивление сжатию составляет около 20 МПа.
Осадочные породы органогенного происхождения выделились из воды морских или пресных бассейнов в результате жизнедеятельности низших животных (зоогенные породы) и растительных (фитогенные породы) организмов, в том числе бактерий.
Известняк-ракушечник — разновидность известняков, состоящая из раковин моллюсков различной степени сохранности, сцементированных между собой углекальциевой солью.
Цвет ракушечников — желтовато-белый, иногда серый или слабосиневатый. Они характеризуются высокой пористостью и
вследствие этого малой плотностью (около 1 300 кг/м3). Теплопроводность ракушечников в 2 — 3 раза меньше, чем красного кирпича. Благодаря малой твердости, особенно во влажном состоянии, ракушечники легко обрабатываются; их можно пилить обыкновенной пилой и тесать топором. Они также обладают хорошей гвоз — димостью. Отрицательным качеством ракушечников является их сильное водопоглощение, поэтому требуется наружное оштукатуривание зданий. Ракушечник является распространенным стеновым материалом в южных районах России.
Диатомит — слабосцементированная кремнистая (сложенная аморфным кремнеземом) порода белого, светло-серого и желтовато-серого цвета, состоящая из скоплений микроскопических скелетов водорослей-диатомей, радиолярий и губок.
Трепел — порода, вторичная по отношению к диатомиту, состоящая из мельчайших зерен опала или халцедона (разновидностей аморфного кремнезема). По своим физико-техническим свойствам трепел сходен с диатомитом. Обе породы применяются в качестве гидравлической добавки к цементу и извести как тонкодисперсные наполнители в материалах на основе битумов, полимеров и т. д.
Опока — продукт цементации трепела кремнистым веществом.