Понятие о горных породах

Твердая кора земного шара и весь твердый его остов сложены из минеральных агрегатов. Горными породами называются те из этих агрегатов, которые играют существенную роль в составе литосферы, обнаруживая в основных чертах постоянство состава и строения в разных частях земного шара и на более или менее значительных пространствах. Горные породы легко отличаются от случайных минеральных агрегатов, непостоянных по составу и строению и несущественных для строения земной коры. Минеральные выполнения пор и пустот, различные жильные отложения, рудные и другие гнезда отдельных минералов на этом основании не могут быть причислены к горным породам; их удаление из состава земной коры мало отразилось бы на общем характере ее, между тем как удаление гранитов, известняков значительно повлияло бы на облик земного шара. Каждая горная порода представляет результат одного или нескольких минеральных процессов, химических или механических. Наука, изучающая горные породы, носит название петрографии.

Согласно генетической классификации, горные породы подразделяются на три большие группы:

• 1. изверженные,
• 2. осадочные,
• 3. метаморфические.

Магматические и метаморфические горные породы слагают около 90% объёма земной коры, однако, на современной поверхности материков области их распространения сравнительно невелики. Остальные 10% приходятся на долю осадочных пород, занимающие 75% площади земной поверхности.

1. Изверженные горные породы образовались из расплавленной магмы, поднявшейся из глубин Земли и отвердевшей при остывании. Различные условия охлаждения магмы привели к образованию изверженных пород с различным строением и свойствами.

Глубинные породы, образование которых происходило под значительным давлением верхних слоев, остывали медленно и сравнительно равномерно. Такие условия были благоприятны для кристаллизации минералов, составляющих горную породу. В связи с этим глубинные породы массивны, плотны и состоят из тесно сросшихся более или менее крупных кристаллов; они обладают большой плотностью, высокими прочностью на сжатие и морозостойкостью, малым водо поглощением и большой теплопроводностью. Глубинные породы имеют зернистое кристаллическое строение, называемое еще гранитным — от названия наиболее распространенного представителя этих пород — гранита.

Излившиеся породы образовались на поверхности земли при отсутствии давления и при быстром охлаждении магмы. Некоторая часть магмы, излившаяся на поверхность, уже содержала кристаллы отдельных минералов. Поэтому в большинстве случаев излившиеся породы состоят из отдельных хорошо сформированных кристаллов, вкрапленных в основную скрытокристаллическую массу; такое строение называют порфировым по аналогии с широко распространенными среди этой группы пород порфирами. В тех случаях, когда излившиеся породы застывали мощным слоем, их строение было сходно с глубинными породами. Если же слой был сравнительно тонок, то охлаждение происходило быстро, и масса их оказывалась стекловатой, а верхние слои излившейся лавы становились пористыми вследствие энергичного выделения газов из магмы при уменьшении давления.

Среди изверженных горных пород различают массивные и обломочные, образовавшиеся в результате разрушения массивных пород.

Массивные глубинные горные породы (граниты, сиениты, диориты и габбро) образовались в результате медленного охлаждения магмы на большой глубине под значительным давлением и в результате этого полной кристаллизации ее. Все глубинные породы характеризуются высокой плотностью и ярко выраженной кристаллической (крупнокристаллической) структурой.

Гранит — наиболее распространенная глубинная горная порода, состоящая в основном из кварца, полевого шпата и слюды. Иногда слюда заменена темноокрашенными (железисто-магнезиальными) минералами. Цвет гранита зависит от главной составной части — полевого шпата и наличия темных минералов. Он бывает серый, красный и пр. Зерна минералов имеют настолько прочную спайность, что излом чаще происходит не по плоскости спайности, а по зернам минералов. Плотность гранита в среднем 2600 кг/м³, предел прочности при сжатии 100…300 МПа. Большая механическая прочность, стойкость против выветривания и морозостойкость обусловливают высокие строительные свойства гранита и изготовленных из него строительных материалов и изделий. Гранит применяют для изготовления облицовочных плит, лестничных ступеней, полов, бортовых камней, щебня и др. Гранит используют при строительстве гидротехнических сооружений и сооружений памятников.

Сиенит состоит в основном из полевого шпата (ортоклаза) и какого-нибудь темноокрашенного минерала. Строение сиенита сходно с гранитом. Плотность 2400…2900 мг/м³, предел прочности при сжатии 150…200 МПа. Сиениты мягче гранитов, лучше поддаются полировке, обладают большей вязкостью. Используют сиениты наряду с гранитами, Между гранитами и сиенитами имеются переходные разности — граносиениты.

Диориты по минералогическому составу представлены плагиоклазом, роговой обманкой, реже — биотитом и авгитом. Цвет диорита от темно-зеленого до черно-зеленого. Плотность 2700…2900 кг/м^з, предел прочности при сжатии 180…200 МПа, Диориты трудно обрабатываются, обладают большим сопротивлением истиранию, хорошо полируются, стойки против выветривания. Применяют диорит в дорожном строительстве и в виде облицовочных плит.

Габбро — кристаллическая горная порода, состоящая в основном из плагиоклаза и темноокрашенных минералов (пироксены в виде авгита). Реже в состав габбро входят биотит и роговая обманка. Цвет габбро может быть от серого и зеленого до черного. К группе габбро относится также лабрадорит — горная порода, состоящая в основном из минерала Лабрадора (разновидности полевого шпата) серого, зеленовато-серого или темного цвета с синим отблеском на плоскостях спайности. Плотность габбро очень высокая и равна 2900…3160 кг/м³; предел прочности при сжатии 100…280 МПа, а иногда и до 350 МПа. Габбро стоек против выветривания, трудно обрабатывается, но дает хорошую долговечную полировку. Применяют его для гидротехнических и других видов сооружений в виде разнообразных строительных материалов — щебня, облицовочных плит и т. д. Лабрадорит, обладающий красивой расцветкой, используют как облицовочный материал.

Излившиеся горные породы образовались при остывании магмы, излившейся на поверхность земной коры. Структура излившихся пород может быть полукристаллической, зернистой и стекловатой. Излившиеся породы имеют химический и минералогический составы такие же, как и глубинные, обладают примерно теми же физико-механическими свойствами, но отличаются мелкокристаллической (до стекловатой) структурой.

Кварцевый порфир — аналог гранита — имеет стекловатую структуру с вкраплением крупных зерен кристаллов кварца. При выветривании эти зерна могут выпадать из основной массы горной породы. Плотность 2400…2600 кг/м³, предел прочности при сжатии 130…180 МПа. Используют его в виде щебня или штучного камня. Наряду с кварцевым порфиром существует бескварцевый порфир (аналог сиенитов), в котором кварц отсутствует.

Трахит — горная порода, по химико-минералогическому составу сходная с порфиром, но образовавшаяся в более поздние геологические периоды. Трахит отличается высокой пористостью и относительно низким пределом прочности при сжатии — 60…70 МПа.

Диабаз — аналог габбро — состоит из плагиоклаза и авгита и имеет в своем составе примеси кварца и роговой обманки. Плотность 2800…3000 кг/м³, предел прочности при сжатии 200…300 МПа, цвет темно-серый. Диабаз хорошо полируется. Применяют его в виде щебня, штучных камней, плит, брусчатки, в качестве облицовочного материала. Из расплавленного диабаза при температуре 1200…1350 С отливают различные изделия. Плавленый диабаз стоек к кислотам и щелочам, обладает высокими диэлектрическими свойствами. Прочность плавленого диабаза составляет около 500 МПа.

Базальт по химическому и минералогическому составу является аналогом габбро. Имеет темный цвет, скрытокристаллическую структуру с некоторым количеством вулканического стекла и состоит из плагиоклаза и авгита. Плотность 2700…3300 кг/м³, предел прочности при сжатии 100…150 МПа. Высокая твердость и прочность базальтов позволяет использовать их в качестве материалов для дорожных покрытий. Применяют базальт как сырье для изготовления каменного литья.

Порфирит и андезит — аналоги диорита. Порфирит — более старая, а андезит более молодая горные породы; цвет их серый, сероватои желтовато-зеленый. Плотность 2200…2800 кг/м³, предел прочности при сжатии 60…240 МПа. Порфириты применяют в качестве облицовочного материала, щебня и дорожной брусчатки, а андезит (как кислотостойкий материал) — в качестве заполнителя в кислотоупорных бетонах, а также для специальных облицовок.

Обломочные горные породы образовались при быстром охлаждении раздробленной, выбрасываемой при извержении вулканов лавы (пемза, вулканический пепел). Часть обломочных пород (вулканического пепла) подверглась цементированию, образуя вулканические туфы.

Обломочные породы делят на рыхлые (пемза, вулканические пеплы и др.) и цементированные (вулканический туф).

Пемза образовалась при быстром остывании магмы и интенсивном выделении из нее газов, вспучивающих массу. Последующее быстрое остывание вспученных кусков магмы приводит к образованию стекловидной пористой породы. Цвет пемзы серый, черный и иногда белый. Пемза состоит из кремнезема Si0₂ (до 70%) и глинозема А1₂О₃ (до 15%). Залегает пемза в виде обломков размеров 5…50 мм в диаметре, выброшенных во время извержения вулканов. Плотность пемзы в куске 400…1400 кг/м³, пористость до 80%, предел прочности при сжатии 0,4…2,0 МПа, твердость 6. Используют пемзу как щебень для легких бетонов, в качестве теплоизоляционного материала, а также как активную минеральную добавку к извести и цементам.

Вулканический пепел встречается в виде порошка от серого до черноте цвета применяют для получения легких растворов и бетонов, а также в качестве активной минеральной добавки к вяжущим веществам.

Вулканические туфы — сцементированная туфовая лава, образованная при примешивании во время извержений к жидкой лаве пепла и песка. В результате быстрого охлаждения туфы имеют стекловидное строение. Типичным представителем вулканического туфа является артикский туф (по наименованию месторождения, расположенного близ г. Артик в Армении). Плотность туфа в куске 1250…1350 кг/м³, пористость 40…70%, предел прочности при сжатии 8…19 МПа и выше, теплопроводность 0,21…0,33 Вт/(м*°С). Цвет розовато-фиолетовый. Применяют туф в качестве песка или щебня для легких бетонов и растворов, крупных стеновых блоков, а также активной добавки к воздушной извести или цементу. Высокие декоративные качества и морозостойкость позволяют широко применять туф в качестве облицовочного материала для фасадов зданий.

2. Осадочные горные породы образовались при осаждении веществ из какой-либо среды, главным образом водной. Осаждение происходило периодами в виде отдельных слоев и пластов.

По способу своего образования осадочные породы подразделяются на три основные генетические группы: обломочные породы (брекчии, пески, алевриты) — грубые продукты преимущественно механического разрушения материнских пород, обычно наследующие наиболее устойчивые минеральные ассоциации последних;

глинистые породы — дисперсные продукты глубокого химического преобразования силикатных и алюмосиликатных минералов материнских пород, перешедшие в новые минеральные виды;

хемогенные, биохемогенные и органогенные породы — продукты непосредственного осаждения из растворов (например, соли), при участии организмов (например, кремнистые породы), накопления органических вещества (например, угли) или продукты жизнедеятельности организмов (например, органогенные известняки).

Гипс — горная порода, состоящая из минерала того же названия. Гипс применяют для производства воздушного вяжущего — строительного гипса, а также в качестве облицовочного материала внутренних частей зданий в виде искусственного мрамора.

Ангидрит состоит из одноименного минерала — ангидрита CaS0₄. Применяют его в качестве облицовочного материала, а также сырья для производства ангидритового цемента.

Магнезит состоит из минерала того же названия — магнезита MgCO₃. Иногда он содержит примеси углекислых кальция и, железа. Твердость магнезита 3,5…4,0; цвет белый, от желтоватого до бурого. Применяют магнезит в качестве сырья для производства воздушного вяжущего — каустического магнезита и огнеупорных материалов.

Доломит состоит в основном из минерала доломита СаСО₃*MgC0₃ с примесями глинистого, железистого, кремнистого и других веществ. Цвет серый, от желтоватого до бурого. Структура зернистая. По свойствам доломиты близки к плотным известнякам, иногда они обладают и более высокими, чем известняки, механическими свойствами. Применяют доломит для производства щебня, изготовления облицовочных плит, огнеупоров и вяжущих материалов.

Известковые туфы образовались при выделении СаСО₃ из кислого углекислого кальция, растворенного в воде. Очень пористые известковые туфы используют как сырье для получения извести, а плотные с мелкими равномерно расположенными порами туфы применяют в виде штучных камней для кладки стен и в качестве щебня для легких бетонов. К органогенным породам относят различные карбонатные и кремнистые породы. Для строительных целей используют известняки, известняки-ракушечники, мел, диатомиты и трепелы. Известняк образовался в водных бассейнах из остатков животного и растительного мира (или как продукт химических осадков). Рыхлые скопления раковин и их осколков скреплялись углекислым кальцием. Известняк состоит в основном из минерала кальцита СаСО₃ и примесей глины, доломита, кварца и др. Плотность известняка 1700…2600 кг/м³, прочность при сжатии 10…100 МПа. Цвет белый, от желтоватого до бурого. Известняк используют для производства щебня, облицовочных плит и архитектурных деталей, а также для производства извести и портландцемента.

Органогенные породы образовались в результате отложения остатков некоторых водорослей и животных организмов с последующим их уплотнением и цементацией (большинство известняков, мел, диатомиты и др.).

Известняк-ракушечник — пористая горная порода, состоящая из раковин и их обломков, сцементированных известковым веществом. Плотность 900…2000 кг/м³, предел прочности при сжатии 0,4…15,0 МПа и более. Применяют для изготовления стеновых камней и блоков, а также в качестве заполнителя для легких бетонов.

Мел — землистая горная порода, состоящая почти из чистого карбоната кальция. В качестве примесей встречаются глинистые вещества и зерна кварца. Мел обладает высокой дисперсностью. Цвет его белый. Применяют в качестве белого пигмента, для приготовления замазки, а также при производстве извести, портландцемента и стекла.

Диатомиты — слабо сцементированная, очень пористая кремнеземистая порода, состоящая от панцирей диатомовых водорослей и частично из скелетов животных организмов. Плотность 400…1000 кг/м³, пористость 60…70%.

Механические отложения образовались в результате осаждения или накопления рыхлых продуктов при физическом и химическом распаде горных пород. Часть из них подвергалась в дальнейшем цементированию глинистым веществом, железистыми соединениями, карбонатами или другими углеродными цементами, образуя цементированные осадочные породы — конгломераты, брекчии.

3. Метаморфические (видоизмененные) породы образуются в природе в результате изменения состава и строения осадочных и изверженных пород. Процессы метаморфизма проходят при повышенных температурах без расплавления или растворения, при воздействии высоких давлений и сдвиговых деформаций. Такие условия возникают тогда, когда исходные породы в результате горообразовательных процессов могут переместиться с поверхности вглубь земной коры. В результате может произойти перекристаллизация минералов, глубоко измениться строение, т. е. образоваться совершенно новые породы, более плотные и в большинстве случаев с ясно выраженной кристаллической структурой. Эти породы могут быть целиком видоизмененными (например, мрамор) или с заметным содержанием исходной породы (мраморовидные известняки). Минеральный состав метаморфических пород часто идентичен исходным магматическим или осадочным породам. Текстура метаморфических пород может быть сланцеватой (гнейсы, глинистые сланцы) и массивной (мрамор и кварциты). Сланцеватое строение характерно для видоизмененных пород, образовавшихся в условиях одностороннего давления. Сланцеватость понижает строительные свойства метаморфических пород, в частности морозостойкость и прочность в направлении, параллельном сланцеватости, но придает им способность относительно легко раскалываться по плоскостям сланцеватости на более или менее тонкие слои. Массивная зернистая текстура характерна для пород, образовавшихся при многостороннем давлении, когда исходная осадочная порода в результате перекристаллизации и уплотнения становится монолитной, состоящей из тесно сросшихся кристаллических зерен. Такие породы отличаются очень высокой плотностью по сравнению с осадочными породами, из которых они образовались.

В строительстве из метаморфических пород применяют гнейсы, глинистые сланцы, мраморы, кварциты.

Гнейсы по минеральному составу и свойствам сходны с породами гранитного типа, из которых они образовались. Из-за сланцеватого строения менее долговечны. В строительстве их чаще всего используют в виде бутовых плит для кладки фундаментов, устройства тротуаров, облицовки набережных, каналов.

Глинистые сланцы — типичные сланцевые метаморфические породы, образовавшиеся из глин; цвет черный или темно-серый. Глинистые сланцы не размокают в воде, стойки против выветривания, легко раскалываются на тонкие ровные плитки (3…10 мм), применяемые как кровельный материал (шифер).

Мраморы образовались в результате видоизменения известняков (реже доломитов) и состоят из прочно сросшихся кристаллов кальцита, иногда с примесями зерен доломита, марганцевых, железистых и углеродистых соединений, придающих им различную окраску. При неравномерном распределении примесей мраморы имеют пеструю окраску с различными узорами, придающими камню декоративность. Мраморы отличаются высокой плотностью — до 2900 кг/м3, малым водопоглощением — до 0,7%, большой прочностью при сжатии — до 300 МПа, но обладают небольшой твердостью — 3. Мрамор хорошо шлифуется и полируется, распиливается на тонкие плиты. Его широко применяют для внутренней облицовки стен, изготовления ступеней, подоконных досок и других изделий. Разновидности мрамора, непригодные для штучных изделий, или отходы при обработке мрамора в виде крошки используют в качестве заполнителя для отделочных растворов и бетонов. Для наружной облицовки зданий большинство мраморов применять не рекомендуется, так как под влиянием атмосферных агентов (воды, сернистого газа, изменений температуры и др.) поверхность мрамора теряет декоративный вид и подвергается заметной коррозии (становится тусклой, шероховатой и более пористой).

Кварциты образовались в результате видоизменения кремнистых песчаников. Они имеют плотную структуру и состоят из перекристаллизованных зерен кварца, сцементированных кварцевым цементом. Окраска — белая, красная, темно-вишневая. Кварциты обладают высокой плотностью — около 2700 кг/м3, небольшим водопоглощением— менее 0,2%, значительной прочностью при сжатии — до 400 МПа, большой твердостью — 7 и долговечностью. Кварциты применяют для наружной облицовки повышенной стойкости, подферменных камней в мостах, иногда в виде щебня и бута, а также как сырье для изготовления динасовых огнеупоров.