Краткая характеристика и классификация природных горных пород
ГЛАВА 2
ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Краткая характеристика и классификация природных горных пород
Для получения строительных материалов из камня используют разнообразные горные породы.
Горными породами называют естественные минеральные агрегатные образования в земной коре. Горные породы могут состоять из одного или нескольких минералов.
Минералыэто вещества, состоящие из химических соединений или химических элементов, однородных по химическому составу и физическим свойствам и имеющих одинаковое строение. Минералы, из которых сложены те или иные породы называются породообразующими.
По условиям образования горные породы делят на три группы: изверженные (первичные), осадочные (вторичные) и метаморфические (видоизмененные).
Изверженные (первичные) горные породыобразовались в результате охлаждения и отвердевания магмы различного химического состава. В зависимости от условий образования, скорости и условий охлаждения различают интрузивные, раскристаллизованные на разных глубинах, излившиеся плотные и излившиеся пористые горные породы.
Глубинные (интрузивные) горные породы. Образовывались на большой глубине при медленном равномерном остывании магмы и высоком давлении. Эти условия являются благоприятными для процессов кристаллизации. Такие породы имеют зернисто-кристаллическое строение.
Глубинные породы отличаются высокой прочностью и плотностью, малым водопоглощением и высокой морозостойкостью. В зависимости от
химического состава магмы различают следующие глубинные породы: гранит, диорит, сиенит, габбро, базальт и др.
Наиболее распространенной горной породой является габбро, базальты и граниты, которые залегают в виде крупных массивов и отличаются постоянством физико-механических свойств и однородностью.
ГРАНИТЫ и его характеристика.
Граниты (от латинского гранум - зерно) - наиболее распространенные глубинные породы с ярко выраженной зернисто-кристаллической структурой. Впервые термин "гранит" был применен в литературе итальянским минералогом Андреа Цезальпино в 1596 г.[1]
Рис.2.1 Образец гранита
Они состоят из полевых шпатов (обычно 40...60%), кварца (20...40%), слюды, железисто-магнезиальных силикатов - роговой обманки, амфиболов, реже пироксенов (до 10%). По величине зерен различают три структуры гранитов:
- мелкозернистые (до 2 мм),
- среднезернистые (от 2 до 5 мм),
- крупнозернистые (свыше 5 мм).
Гранит обычно хорошо полируется, сохраняя зеркальную поверхность в наружной облицовке в течение длительного времени, легко поддается теске, приобретая различные фактуры скалывания. Рельефные фактуры гранита особенно удачно подчеркивают монументальность сооружений; при этом достигается интересный декоративный эффект игры светотени на поверхности камня, сочетающийся иногда с блестками пластинок слюды. Некоторые разновидности гранитов получают высокодекоративную фактуру после термической обработки (это относится, прежде всего, к светло-серым породам, приобретающим нежный почти сахарно-белый оттенок).
Благодаря высоким механическим показателям (предел прочности на осевое сжатие Rсж = 200…350 МПа) и эксплуатационным свойствам, граниты широко используются в строительстве в виде облицовочных плит, архитектурно-строительных изделий, деталей облицовки гидротехнических сооружений, устоев мостов, бортовых камней, т.п.
Мелкозернистые однородные разновидности гранита светло-серого и розового цветов применяют как скульптурный материал с учетом того, что их мелкозернистая структура допускает ударную обработку без образования ненаправленных сколов.
Граниты с крупнозернистой структурой успешно используют для возведения крупных монументальных сооружений и выполнения облицовок постаментов к памятникам. "Ни один камень не согласуется так с бронзой, как гранит", - говорил известный русский скульптор Б.И. Орловский.
Рис.2.2 Текстура и цвет гранитов
ДИОРИТЫ и его характеристики.
Диориты – горная магматическая глубинная порода, состоящая из плагиоклаза с примесями небольшого количества цветных минералов, в качестве которых в большинстве случаев выступает роговая обманка. Основные месторождения диорита расположены в Кордильерах (северо-запад США), Казахстане и Великобритании. На территории Российской Федерации он добывается в Уральских горах и на Украине, в Карпатах.[1]
Окраска камня имеет зеленоватый оттенок: коричнево-зелёный, буро-зелёный, тёмно-изумрудный. Встречаются также дымчатые, серые, пепельные экземпляры. По тону окраска данной породы немного светлее, чем у габбро. Диорит имеет крайне высокую вязкость, соответственно, для него характерна незначительная хрупкость. Он отличается высокой сопротивляемостью ударной нагрузке. Прочность данной породы на осевое сжатие составляет 155-280 МПа, коэффициент Пуассона равен 0,3, а модуль Юнга –7,4 Па. Плотность камня варьируется в пределах 2725-2920 кг/м3.
Рис.2.3 Образец диорита
Разновидностями диорита также считаются керсантон, тоналит, гемитрен, керсантит, палеофир, банатит и другие породы. Первое название обозначает понятие диоритов слюдяноного типа. Понятием тоналит первоначально обозначались кварцевые разновидности данного камня, на данный момент под тоналитом подразумеваются породы аналогичного состава, примеси кварца, в которых составляют более 20%. Палеофир или, как его называют на данный момент, диоритовый порфирит – полнокристаллический камень, эффузивный или жильный, отличающийся наличием роговой обманки в своём составе. Керсантит – это только жильный камень, он отличается наличием в своей структуре биотита в сочетании с кварцем и кислым плагиоклазом.[1]
СИЕНИТ и его характеристика.
Сиенит (от Syene — Сиена, греч. названием древнеегип. г. Сун, ныне Асуан * а. syenite, sienite; н. Suenit; ф. syenite; и. sienita) — интрузивная полнокристаллическая порода, бескварцевая, с высоким содержанием щелочных полевых шпатов (60-90%) и темноцветных минералов (10-20%). По содержанию кремнезёма сиенит относится к средним горным породам, отличаясь от диорита большим содержанием щелочей.[1]
По щелочности сиениты подразделяются на 3 группы: нормальной, повышенной (субщелочные) щёлочности и щелочные. Первые сложены калиевым полевым шпатом, роговой обманкой, биотитом, пироксенами (авгитом, диопсидом), присутствуют плагиоклазы (олигоклаз или андезин). Содержание акцессорных минералов (апатит, сфен, циркон, магнетит, ильменит) нередко достигает 5%.
Рис.2.4 Образец сиенита
Субщелочные и щелочные сиениты содержат только щелочные полевые шпаты, среди темноцветных минералов появляются щелочные амфиболы (баркевикит, рибекит, арфведсонит, гастингсит) и пироксены (эгирин, эгирин-авгит). Нефелиновые сиениты выделяются в отдельную группу фельдшпатоидных пород. К сиениту относится также группа жильных меланократовых горных пород — лампрофиров.
Плотность 2600-2750 кг/м3, предел прочности на сжатие 150-300 МПа.
Сиениты используются в строительстве как бутовый и облицовочный камень (месторождения в России, в Иркутской области, Красноярском крае).
ГАББРО и его характеристика.
Габбро (итал. gabbro) — магматическая интрузивная горная порода основного состава. Главными минералами габбро является основной (богатый анортитовым компонентом) плагиоклаз и моноклинный пироксен, иногда также содержатся оливин, ромбический пироксен, роговая обманка и кварц, в качестве акцессорных присутствуют апатит, ильменит, магнетит, сфен, иногда хромит.[1]
Цвет. Чёрная, тёмно-зелёная, иногда пятнистая порода.
Структура. Полнокристаллическая, равномерно кристаллическая, крупно- и среднезернистая. Текстура. Массивная, иногда пятнистая, полосчатая. Средняя плотность - 2,9 - 3,1. Форма залегания. Крупные лакколиты, лополиты, силлы и штоки.
Рис.2.5 Образец габбро
Часто встречается в расслоенных дифференцированных интрузивных комплексах, содержащих породы основного и ультраосновного состава. В офиолитовых комплексах образует тектонические пластины. Пластовая, параллелепипедальная. Генезис. Интрузивная горная порода.
Месторождения. Распространены в различных районах Великобритании, в Северной Америке (в горах Адирондак) и вдоль побережья полуострова Лабрадор (Канада), в ЮАР, Франции, Шотландии (Великобритания) и др.; крупные массивы габбро известны в России, в частности на Урале и Кольском полуострове, на Украине, в Закавказье и др.
Практическое значение. Габбро иногда содержат скопления рудных минералов и в этих случаях могут использоваться как руды меди, никеля, титана и железа. Часто применяются в качестве строительного и облицовочного камня высокой прочности, для наружной и внутренней облицовки, преимущественно в виде полированных плит и для приготовления щебня и дорожного камня. Также габбро очень часто используют в качестве надгробных сооружений (памятники, облицовка места захоронения). Чаще всего для этих целей используют габбро Украинских месторождений.
Разновидности. Анортозиты— лишены темноцветных минералов, нориты — состоят из плагиоклаза и ромбических пироксенов, троктолиты — состоят из плагиоклаза и оливина.
АНОРТОЗИТ (от франц. anorthose — плагиоклаз * а. anorthosite, plagioclasite, plagioclase rock; н. Anorthosit; ф. anorthosite; и. anortosita) — горная порода группы габбро, состоящая главным образом из богатого кальцием известково-щелочного полевого шпата, обычно лабрадора (лабрадорит), реже андезита или битовнита с небольшим содержанием (не более 5-10%) цветных минералов (оливина, пироксена, титаномагнетита, апатита и др.). Цвет от белого до тёмно-серого, иногда встречаются почти чёрные разности (за счёт примеси ильменита и других тонкодисперсных рудных минералов), средний химический состав анортозита (% по массе): SiO2 — 50,41; TiO2 — 0,18; Al2О3 — 27,75; Fe2О3 — 0,89; FeO — 1,61; MnO — 0,06; MgO — 1,54; CaO — 12,23; Na2О — 3,17; К2О — 0,86; Н2О — 1,13; Р2О5 — 0,17. Плотность анортозита 2710 - 3050 кг/м3, пористость 0,2-0,5%, водопоглощение 0,1-0,3%, сопротивление осевому сжатию 100-250 МПа.
Различают анортозиты стратиформные, встречающиеся в виде отдельных прослоев в разновозрастных дифференцированных массивах, и анортозиты автономные докембрийские, слагающие крупные тела (площадь несколько тысяч км2) в цоколе древних платформ. По возрасту выделяют анортозиты ранних этапов развития Земли (2-4 млрд. лет) и анортозиты этапа стабилизации древних платформ (1,7-2 млрд. лет). Последние образуют гигантский анортозитовый пояс, обрамляющий с запада Восточно-Европейскую платформу. Автономные анортозиты ассоциируют с габбро, гранулитами, чарнокитами и гранитами-рапакиви.
Анортозиты — одна из самых древних известных в земной коре пород. Кроме того, аналоги земных анортозитов встречены на Луне в составе доставленного на Землю лунного грунта. Предполагается, что анортозит является одним из первых продуктов, кристаллизовавшихся в коре Земли; это послужило началом всей дальнейшей эволюции горных пород земной коры. Массивы анортозитов встречаются во всех областях выходов на дневную поверхность древнейших горных пород. Выходы анортозитов известны на Кольском полуострове, Украине, в Латвии и Восточной Сибири, огромный массив — на хребте Джугджур в Приморье.
Если в габбро вместе с пироксеном присутствует оливин, порода носит название оливиновые габбро. Богатые плагиоклазом (85-90 %) габбро выделяются под названием анортозитов. Из них известны лабрадориты, плагиоклазы которых обладают часто красивой голубоватой или зеленоватой игрой цветов. Габбро, содержащее в заметных количествах оливин (>5 %) называется оливиновым габбро. Если же пироксены практически отсутствуют, и порода состоит преимущественно из плагиоклаза и оливина, то такие габброиды обычно называют троктолитами.
Излившиеся (эффузивные) плотные породы. Возникли при остывании магмы в поверхностном слое Земной коры, т.е. в результате более быстрого и менее равномерного охлаждения магмы, имеют смешанное (порфировое) строение. В большинстве случаев они состоят из кристаллов, вкрапленных в основную мелкозернистую или даже стекловидную массу. По свойствам плотные излившиеся породы близки к глубинным породам. К ним относятся: порфир, андезит, базальт и др. Наиболее распространенной породой является базальт (эффузивный аналог габбро).
БАЗАЛЬТ и его характеристика.
Базальт (лат. basaltes, basanites, от греч. basanos - пробный камень; по другой версии, от эфиоп. basal - железосодержащий камень * англ. basalt, basaltic rocks; нем. Basalt; франц. basalte; испанс. basalto) - излившаяся кайнотипная основная порода, эффузивный аналог габбро. Окраска базальта тёмная до чёрной. Состоит главным образом из основного плагиоклаза, моноклинного пироксена, оливина, вулканического стекла и акцессорных минералов - магнетита, ильменита, апатита и др. Структуры базальта - интерсертальная, афировая, реже гиалопилитовая, текстуры - массивная либо пористая, миндалекаменная. B зависимости от крупности зерна различают: наиболее крупнозернистый - Долерит, мелкозернистый - анамезит, тонкозернистый - собственно базальт. Палеотипные аналоги базальта - Диабазы.
Средний химический состав базальта по P. Дэли (%): SiO2 - 49,06; TiO2 - 1,36; Аl2O3 - 15,70; Fe2 O3 - 5,38; FeO - 6,37; MgO - 6,17; CaO - 8,95; Na2O - 3,11; K2O - 1,52; MnO - 0,31; P2O5 - 0,45; H2O - 1,62. Cодержание SiO2 в базальте колеблется от 44 до 53,5%. По химическому и минеральному составу выделяют оливиновые ненасыщенные кремнезёмом (SiO2 около 45%) базальты и безоливиновые или c незначительным содержанием оливина слабо пресыщенные кремнезёмом (SiO2 около 50%) толеитовые базальты. Физико-механические свойства базальта весьма различны, что объясняется разной пористостью. Базальтовые магмы, обладая низкой вязкостью, легко подвижны и характеризуются разнообразием форм залегания (покровы, потоки, дайки, пластовые залежи). Для базальта характерна столбчатая, реже шаровидная отдельность. Оливиновые базальты известны на дне океанов, океанических островах (Гавайи) и широко развиты в складчатых поясах. Толеитовые базальты занимают обширные площади на платформах (трапповые формации Сибири, Южной Америки, Индии). C породами трапповой формации связаны месторождения руд железа, никеля, платины, исландского шпата (Сибирь). B миндалекаменных базальтовых порфиритах района Верхнего озера в США известно месторождение самородной меди.[1]
Плотность базальта 2520-2970 кг/м³. Коэффициент пористости 0,6-19%, водопоглощение 0,15-10,2%, сопротивление сжатию 60-400 МПа, истираемость 1-20 кг/м², температура плавления 1100-1250°C, иногда до 1450°C, удельная теплоёмкость 0,84 Дж/кг•К при 0°C, модуль Юнга (6,2-11,3)•104 МПa, модуль сдвига (2,75-3,46)•104 МПa, коэффициент Пуассона 0,20-0,25. Высокая прочность базальта и относительно низкая температура плавления обусловили применение его в качестве строительного камня и сырья для Каменного литья и минеральной ваты. Базальт широко используется для получения щебня, дорожного (бортового и брусчатки) и облицовочного камней, кислотоупорного и щелочестойкого материала.[1]
Рис.2.6 Образец базальта
Для производства минеральной ваты базальт используется обычно в шихтовке. Установлено, что температура плавления сырья не должна превышать 1500°C, a химический состав расплава регламентируется следующими пределами (%): SiO2 - 34-45, Al2O3 - 12-18, FeO до 10, CaO - 22-30, MgO - 8-14, MnO - 1-3. Камнелитейные материалы из базальта обладают большой химической стойкостью, твёрдостью и сопротивлением к истиранию, высокой диэлектричностью и используются в виде плит для полов и облицовки, футеровки трубопроводов, циклонов, a также в качестве различных изоляторов.
B СНГ на щебень разведано 50 месторождений c промышленными запасами 40 млн. м³. Два месторождения базальта c промышленными запасами 6,5 млн. м³ разведаны на облицовочный камень (Армении, Грузии). Годовая добыча базальта свыше 3 млн. м³. B СНГ месторождения базальта сосредоточены в основном в Армении, в России, в частности в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке. Базальтовые покровы в восточных районах США образуют крупные месторождения в штатах Нью-Йорк, Нью-Джерси, Пенсильвания, Коннектикут (самые крупные карьеры и камнедробильные заводы).