Осадочные горные породы, их условия образования, классификация, состав и свойства.
Осадочные породы занимают верхнюю часть литосферы. Это прерывистый чехол переменной мощности, состоящий из разнообразных пород, которые покрывают поверхность континентов, дно океанов и морей. Осадочные породы в земной коре составляют около 5 %, но они покрывают более 75 % поверхности Земли. Поэтому строителям часто приходится иметь дело с осадочными породами (разнообразными грунтами). Мощность толщ осадочных пород изменяется от нескольких метров до нескольких километров. В Прикаспийской низменности мощность осадочного покрова составляет 15-20 км.
Образование, или литогенез, осадочных пород происходит по определенной схеме. Для осадочных пород сначала необходимо образование исходных продуктов за счет разрушения (выветривания) магматических, метаморфических и осадочных пород. При выветривании первичных пород образуются новые минералы, обломки пород, коллоидные и истинные растворы. Затем происходит их перенос одним из трех геологических агентов – водой, ветром или ледником. Отложение (накопление) переносимых осадков называется седиментогенезом. Накопление осадочных пород обычно происходит в виде слоев или линз. Тонкие слои называют прослоями. Слоистость пород обусловлена сменой крупности или вещественного состава материала, а также изменением цвета осадка при его накоплении.
Превращение осадков в осадочные породы называется их диагенезом. Формирование пород происходит в различных физико-химических условиях, которые определяют все особенности пород как грунтов. Такими особенности, отличающие осадочные породы от магматических и метаморфических, являются:
1. Минералогический и химический состав, в котором различают, кроме первичных магматических минералов, новые вторичные минералы — соли (кальцит, гипс, галит) и глинистые минералы (каолинит, монтмориллонит, гидрослюды). В осадочных породах минералов больше, чем в магматических, и изучать их труднее (малый размер частиц, коллоидное и аморфное состояние вещества).
2. Структуры осадочных пород разнообразны и определяются размером их частиц (зерен минералов, обломков пород, агрегатов частиц) и характером их структурных связей.
3. Пористость — характерная особенность большинства осадочных пород (кроме химических осадков). Объем пор может быть очень большим: в глинах, суглинках, супесях, лессах пористость Vn=40-60%, ил имеет пористость до 70-80%, ракушечник – 30-40%, песчаник – 10-15%.
4. Роль климата (климатическая обусловленность осадконакопления) выражается в формировании определенных типов осадочных пород в разных климатических зонах (пример –моренные суглинки, лессовые породы, соли, латериты).
5. Присутствие органических остатков (растений и скелетных частей организмов) во многих осадочных породах позволяет определить условия их образования.
Классификация осадочных пород. Осадочные породы принято разделять на три группы: 1) обломочные и глинистые, 2) химические (хемогенные) осадки и 3) органогенные, возникшие в результате жизнедеятельности организмов. Такое деление условно, т.к. многие осадочные породы имеют смешанное происхождение (пример, известняки, песчаники, мергели, угли).
Классификация обломочных и глинистых пород (табл. 3.2) основана на размере и форме их частиц и обломков, с учетом их плотности и состояния (рыхлости и сцементрованности).
Грубообломочные породы состоят из угловатых (глыбы, щебень, дресва) или окатанных (валуны, галька, гравий) обломков различных пород. Грубообломочные осадочные породы образуются в основном в горных районах, на морских побережьях, в долинах рек, в ледниковой морене. Окатанность и размер их обломков зависит от способа и пути транспортировки материала. Например, речные отложения Кубани, Терека, Кумы и других рек по мере удаления от истоков становятся более мелкими и лучше окатанными.
К обломочным осадочным породам относят также пирокластические породы – твердые продукты извержения вулканов (вулканические бомбы, песчаные и пылеватые частицы). Оседая на поверхности земли, они образуют сцементированные породы – пепел и туф.
Песчаные породы – рыхлые, сыпучие отложения с размером частиц 0,05-2,0 мм, принесенные водой или ветром. Различают – морские, озерные, речные, эоловые (ветровые) пески. В песках преобладают прочные минералы, устойчивые к выветриванию — кварц, полевые шпаты, слюды. Пески могут быть мономинеральные (месторождение с. Спасское, в котором кварц (SiO2) составляет 99,7 %) и рудные (Бешпагирское месторождение циркониевых песков). Пески состоят из частиц размером 0,05-2,0 мм. По крупности частиц пески делятся на крупные (0,5-2,0 мм), средние (0,25-0,5 мм), мелкие (0,1-0,25 мм) и пылеватые (менее 0,1 мм). В песках преобладают стойкие к выветриванию зерна минералов (в основном кварц, меньше слюды и др.). Мономинеральные чистые пески встречаются редко. В Ставропольском крае есть Спасское месторождение кварцевых песков, Происхождение песков – речное, ветровое, морское и т.д.
Глинистые породы составляют около 50% объема осадочных пород и чаще всего служат основаниями зданий и сооружений. Они делятся на супеси, суглинки и глины – в зависимости от количественного содержания глинистой, пылеватой и песчаной фракций. Основные свойства глинистых пород определяется содержанием глинистых частиц размером менее 5 мк: пластичность, набухание, усадка, водопроницаемость и т. д. В глинистых грунтах не всегда преобладают глинистые частицы, в супесях и суглинках могут преобладать и пылеватые частицы размером 0,05-0,005 мм, представленные тонко раздробленным кварцем (до состояния пыли), полевыми шпатами, карбонатами. Глинистые частицы образуются не в результате дробления пород, а в процессе сложных химических реакций на уровне коллоидных и истинных растворов.
Лессовые породы относятся к наиболее распространенным отложениям, особенно на Северном Кавказе, где они занимают около 75 % площади степной зоны и часто покрывают поверхности террас в предгорьях Кавказа. Это, в первую очередь, хорошо известные покровные суглинки, характеризуемые следующими признаками:
— цвет палево-серый и буровато-серый,
— отсутствие слоистости, высокая однородность,
— на ощупь мягкие и мучнистые, пылеватые, легко растираемые пальцами рук, иногда с ощущением тонкого песка,
— высокая пористость (до 50 и более %), часто макропористые с видимыми порами-канальцами до 1 мм,
— маловлажные, почти сухие и поэтому находящиеся в твердом состоянии, способные сохранять отвесные откосы в котлованах и вертикальные обрывы по берегам рек (Кубань, Дон, Кума, Малка, Терек и др.),
— содержат горизонты ископаемых (погребенных) гумусированных почв толщиной 0,5-1.5 и более м, которые можно часто видеть в береговых обрывах рек и глубоких котлованах,
— вскипают от соляной кислоты, т.к. содержат около 10 % CaCO3 (карбонатов),
— содержание легкорастворимых солей до 2 % от массы породы (до 30 кг в 1 м 3 грунта), что при орошении и подъеме грунтовых вод приводит к засолению почв,
— быстро размокают и легко размываются, из-за чего мутная вода степных рек,
— при замачивании котлованов и под фундаментами зданий могут давать дополнительную осадку, называемую просадкой.
Лессовые грунты широко распространены в Китае (т.н. Лессовое плато), в Средней Азии (Ташкент, Самарканд, Душанбе и др.), на Украине, Болгарии, Румынии, Венгрии, в США, Аргентина. Общая площадь лессовых пород на Земном шаре составляет 13 млн. км 2 , в границах бывшего СССР – 14%.
Повсеместно лессовые отложения залегают в виде покровных толщ переменной мощности от первых метров до 100 и более м.
По гранулометрическому составу лессовые грунты включают лессовидные пылеватые пески, лессовые супеси (типичные лессы), лессовидные суглинки и глины. В составе лессовых пород практически нет частиц крупнее 0,25 мм. Это пылевато-глинистые грунты, состоящие из двух фракций – пылеватой (0,05-0,005 мм) и глинистой (менее 0,005 мм). В суглинках и глинах почти половину составляют глинистые частицы, в типичных лессах преобладает пылеватая фракция (пыль).
Пыль состоит в основном из зерен кварца и полевых шпатов, слюды (мусковит, биотит), в среднем 10 % карбонатов (кальцит). В крупной фракции в небольшом количестве найдено более 50 других минералов, в том числе тяжелых и рудных.
В глинистой фракции преобладают глинистые минералы (каолинит, гидрослюда, монтмориллонит), в меньшем количестве другие тонкодисперсные и коллоидно-дисперсные минералы.
Лессовые толщи всего мира образовались в периоды похолоданий по периферии ледниковых массивов из пыли, принесенной сильными ветрами из различных областей питания. Для Северного Кавказа основную пыль принесли восточные ветры из Прикаспийской низменности. На географической карте Ставропольского края восточнее села Степного виден т.н. хвалынский береговой уступ, куда доходила трансгрессия древнего Каспия. К западу от уступа начинается лессовый покров Предкавказья с пылеватых песков, которые сменяются супесями (лессами), затем далее на запад переходят в суглинки и глины. Такой результат ветровой (эоловой) сепарации лессового материала наблюдается и в других регионах мира.
Мощность просадочной зоны по глубине разрезов достигает 30-40 и даже 50 м в восточных районах Ставрополья (Буденновск, Благодарный, Степное), в Чечне, Кабардино-Балкарии, а величина просадки каналов и при замачивании котлованов достигает 2,0-2,5 м. В г. Буденновске силосные корпуса элеваторов просели на 2 м и отклонились от вертикали до 2 м. Там же неудачное строительство завода ЖБИ по проекту Севкавгипроводхоза привело к просадке фундаментов до 180 мм. Большей просадочностью обладают типичные лессы, более пористые и маловлажные. Просадка возрастает также с ростом нагрузки примерно по линейной зависимости.
Сцементированные осадочные породы с жесткими связями образуются за счет цементации рыхлых осадочных пород каким-либо природным цементом – кремнеземом SiO2nН2О, карбонатами СаСО3, гидроокислами железа F2O3nH2O, глинистыми частицами. Наиболее прочным является кремнеземистый (кварцевый) цемент, наименее слабым – глинистый (слабоводостойкий) тип цемента.
Прочность сцементированных осадочных пород определяется прочностью структурных связей, а не прочностью минеральных зерен породы. Песчаник, сцементированный кремнеземом, очень прочный и стойкий к выветриванию грунт, приближается к магматическим породам.
Алевролит (алеврос — пыль) – плотный, сцементированный суглинок, не размокающий в воде.
Аргиллит – плотная, сцементированная камнеподобная глина, не размокающая в воде. Но прочный вид алевролитов и аргиллитов обманчив, они могут легко разрушаться (выветриваться) в поверхностных условиях при воздействии атмосферных осадков, промерзания и оттаивания, набухания и усадки, химического разрушения минералов.
Мергель – серая порода морского или озерного происхождения, состоящая из смеси карбонатов (25-30%) и глинистых минералов. При большем содержании CaCO3 породу называют мергелистый известняк, а при меньшем – глинистый мергель. Структура – тонкозернистая. Залегает толщами (Железноводск), в свежем состоянии – полускальный грунт с прочностью на сжатие до Рсж=60 МПа. Но в поверхностных условиях мергели быстро выветриваются до состояния щебенки. Мергель бурно вскипает от капли соляной кислоты с образованием на поверхности пятна глины. Могут быть более крепкие доломитизированные и кремнистые мергели. Мергель — ценное сырье для цементной промышленности.
Хемогенные осадочные породы – это химические осадки, выпавшие из морской воды усыхающих заливов (бассейнов) и из подземных соленых вод. Осаждение солей начинается с труднорастворимых карбонатов, затем идет среднерастворимый гипс и в конце выпадают в осадок легкорастворимые соли (хлориды и сульфаты натрия и магния).
Органогенные породы образуются в результате накопления остатков животных и растений. Основную массу известняка-ракушечника составляют остатки карбонатных ракушек. Мел образовался из фораминифер планктона размером пылеватой фракции. Диатомит – слабо сцементированная, пористая, светло-серая, похожая на мел, порода с хорошо сохранившимися микроскопическими кремнистыми скелетами диатомей. Трепел – очень пористая, легкая порода плотностью 0,25-1,0 г/см 3 , схожая с диатомитом. Опока – более плотная, похожая на мергель, но водоустойчивая порода, состоящая из микроскопических кремнистых игл-спикул иглокожих морских и озерных водорослей.
Фитогенные породы образуются из растительных остатков. Типичным их представителем является торф, образующийся в болотных условиях без доступа кислорода.
Источник
Классификация осадочных пород по способу образования
По способу образования осадочные породы делятся на:
Пирокластические породы – являются промежуточными между магматическими и осадочными породами. Представляют собой обломочный материал, выброшенный вулканом, но цементация обломков происходила на поверхности земли (вулканический туф, пемза).
В основу классификации обломочных пород положены два принципа:
1) размер обломков или зерен;
2) наличие цемента.
Размер зерен или обломков определяется с помощью гранулометрического анализа.
Классификация обломочных пород
| Размер зерен или обломков, мм | Наличие цемента | |||
| Несцементированные | Сцементированные | |||
| окатанные | неокатанные | окатанные | неокатанные | |
| Крупнообломочные | >200 | валун | глыба | |
| 200-10 | галька | щебень | конгломерат | брекчия |
| 10-2 | гравий | дресва | конгломерат | брекчия |
| Песчаные 2-0,05мм | песок | песок | песчаник | |
| Пылеватые 0,05-0,005мм | лёсс | алевролит |
Несцементированные породы могут быть либо рыхлыми – зерна не связаны между собой; либо связными.
К рыхлым относятся крупнообломочные и песчаные породы, к связным относятся пылеватые и глинистые.
К глинистым породам относятся породы, в которых преобладают частицы размером меньше 0,005 мм.
По наличию цемента глинистые породы делятся на:
1) связные (несцементированные);
Глинистые связные в инженерной геологии и строительстве по содержанию глинистых частиц делятся на:
1) глины – глинистых частиц >30%;
2) суглинки – глинистых частиц 30-10%;
3) супесь – глинистых частиц 10-3%.
Глинистые сцементированные породы называются аргиллитами.
В основу классификации хемобиогенных пород положен химический принцип и выделяются основные группы пород:
— карбонатные – известняк, доломит, мел, мергель;
— кремнистые – диатомит, опока;
— сульфатные –гипс, ангидрит;
— соляные – каменная соль.
Химический и минеральный состав осадочных пород
Химический состав осадочных пород очень близок к метаморфическим породам.
Минералы, входящие в состав осадочных пород, делятся на две группы:
1) минералы, сохранившиеся от первичной породы (кварц);
2) минералы образованные осадочным путем (гипс, доломит, галит).
Обломочные глинистые породы могут быть как мономинеральными, так и полиминеральными.
Обломочно-сцементированные породы всегда полиминеральны, т.к. кроме состава зерен обломков необходимо учитывать минеральный состав цемента.
По минеральному составу различают следующие цементы: карбонатные; кремнистые; железистые; глинистые.
Источник
