Петрографические особенности горных пород

Свойства пород зависят от их состава и строения. Состоят горные породы из минералов. Известно около 3000 различных минералов, однако в составе горных пород существенную роль играют только немногим более 20 так называемых породообразующих минералов, наиболее распространенных в земной коре.

Минералы обычно делятся по основным химическим группам в следующем порядке:

Самородные элементы (золото, серебро, мышьяк, сера, сурьма, алмаз и др.).

Сульфиды (халькозин Cu₂S, сфалерит ZnS, киноварь HgS, пирит FeS₂ и др.).

Окислы (куприт Cu₂O, корунд Al₂O₃, гематит Fe₂O₃, кварц SiO₂, и др.

Силикаты (оливин (Mg, Fe)₂^.[SiO₄]; тальк Mg₃(OH)₂Si₄O₁₀; мусковит KAl₂^.(OH, F)₂[AlSi₃O₁₀]; биотит K (Fe, Mg)₃(OH, F)₂[AlSi₃O₁₀]; серпентин Mg₆(OH)₈[Si₄O₁₀]; каолинит Al₄(OH)₈[Si₄O₁₀]; калиевые полевые шпаты K[AlSi₃O₈] и др Соли кислот — сульфаты (ангидрит CaSO₄; барит BaSO₄), вольфраматы (шеелит CaWO₄), карбонаты (кальцит CaCO₃).

Галоидные соединения (флюорит CaF₂; галит NaCl; сильвин KCl).

По минералогическому составу различают мономинеральные и полиминеральные горные породы. Примерами мономинеральных пород являются песчаник, известняк, мрамор, гипс и др. Большинство пород принадлежит ко второму типу.

Можно выделить несколько важнейших групп породообразующих минералов, оказывающих существенное, и притом различное, влияние на механические свойства пород:

• а) кварцевые минералы — кварц, кремень, халцедон и др.;
• б) силикатные минералы — полевой шпат, амфибол, пироксен, слюда и др.;
• в) карбонатные и глинистые гидрофильные минералы — кальцит, доломит, каолинит и др.;
• г) легкорастворимые минералы — гипс, галит, сильвин и др.

Наивысшей прочностью и упругостью обладают кварцевые породы (кремнистые песчаники, кварциты). Высокую прочность имеют силикатные породы. Однако с повышением содержания слюдистых минералов показатели прочности снижаются. При наличии в породе глинистых и легкорастворимых минералов прочность и упругость резко уменьшаются.

К строению пород относят размеры, форму, взаимное расположение и способ срастания слагающих их минеральных частиц. Важнейшими признаками строения пород являются их структура и текстура.

Под структурой понимают строение минерального агрегата, т. е. степень кристаллизации пород (кристаллическое или аморфное их строение), размеры, форму минеральных частиц и характер связей между ними (табл. 2.1).

Таблица 2.1.

Структуры горных пород.

По степени кристаллизации пород выделяют полнокристаллические, неполнокристаллические, стекловатые, порфировые и обломочные структуры.

Полнокристаллическим породам свойственна полная раскристаллизация всех слагающих их минералов. Породы неполнокристаллические состоят частично из кристаллических зерен, частично из аморфной стекловатой цементирующей массы. Стекловатые породы полностью состоят из стекловатой массы. В породах порфировой структуры в общую стекловатую или кристаллическую массу вкраплены крупные зерна. Породы обломочной структуры состоят из сцементированных обломков первичных пород, из которых они образовались. С увеличением степени раскристаллизации пород обычно их прочность понижается.

По крупности кристаллических зерен различают породы гиганто-, грубо-, крупно-, средне-, мелкозернистой, афанитовой и скрытокристаллической (микрокристаллической) структур.

Породы гигантозернистой структуры имеют размеры слагающих их кристаллов свыше 100 мм. Примером таких пород являются некоторые слюдяные пегматиты. Крупность кристаллов грубозернистых пород от 10 до 100, крупнозернистых от 5 до 10, среднезернистых от 1 до 5, мелкозернистых до 1 мм. В породах афанитовой структуры зерна различимы лишь в лупу, скрытокристаллической — только под микроскопом. По мере уменьшения зернистости, как правило, повышаются плотность, прочность и упругость пород.

Выделяют также породы равномернозернистой структуры, сложенные из кристаллов примерно одинаковых размеров, и неравномернозернистой структуры, в которых размеры слагающих их кристаллов существенно различны.

Свойства пород неполнокристаллической, порфировой и обломочной структур существенно зависят от характера цементации и состава цементирующего (стекловатого) вещества.

Состав цемента (стекла) может быть самым разнообразным: кремнистым, железистым, известковистым, глинистым, мергелистым, гипсовым и т. д. Наибольшей прочностью обладают породы с кремнистой и железистой цементацией, наименьшей — с гипсовой, глинистой.

Другим важнейшим признаком строения пород наряду со структурой является их текстура. Под текстурой (сложением) понимают взаимное расположение структурно однотипных частиц породы в занимаемом ими пространстве (табл.2.2).

Таблица 2.2.

Важнейшие типы текстуры горных пород.

Текстура породы может быть упорядоченной и неупорядоченной. С точки зрения геомеханики важнейшими являются следующие текстуры:

массивная — частицы горной породы плотно прилегают друг к другу, ориентированы произвольно;

пористая — частицы породы прилегают друг к другу неплотно, между ними имеется множество микропустот (пор);

слоистая—частицы пород чередуются, образуя слои и напластования.

Породы упорядоченной текстуры обладают обычно анизотропностью свойств, т. е. существенным различием их показателей в различных направлениях, в частности, по направлениям слоистости, сланцеватости, плойчатости от одноименных показателей в иных направлениях.

Свойства горных пород неупорядоченной текстуры (например, массивно-кристаллических) оказываются сходными во всех направлениях. Такие породы при решении задач геомеханики можно рассматривать как квазиизотропные тела.

Для многих осадочных и метаморфических пород с точки зрения пространственных закономерностей изменения их механических свойств существенное значение имеют слоистость, полосчатость и пластовая отдельность.

Слоистость и полосчатость связаны со сменой минералогического или вещественного состава, причем эта смена может быть резкой или же постепенной.

Пластовая отдельность — это плоскости, по которым одни пласты или слои отделяются от других. При этом сцепление пород по плоскостям пластовой отдельности обычно значительно ниже, чем сцепление внутри пластов или слоёв пород. Особенно велика эта разница для слоистых метаморфических пород, которым свойственно расслаивание массивов. В процессах метаморфизма это расслаивание сопровождалось межслоевыми подвижками, которые обусловили дополнительное снижение сцепления и угла трения по поверхностям раздела слоев.