МИНЕРАЛЬНЫЙ И ПЕТРОГРАФИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЗЕМНОЙ КОРЫ

Земная кора сложена горными породами. Минералы входят в состав горных пород, хотя иногда создают и свои отдельные скопления. Прежде чем дать характеристику минералам и горным породам, следует заметить, что в строительном производстве

одновременно используют минеральные образования как природного, так и искусственного происхождения. Поэтому после описания минералов даются некоторые сведения по искусственным минералам, а после горных пород — по техническим каменным материалам. Минералы изучает наука минералогия, а горные породы — петрография.

МИНЕРАЛЫ

В настоящее время следует различать два вида минералов:

• 1) природного происхождения, рождение которых связано с процессами в земной коре; 2) искусственного происхождения, которые возникли в процессе техногенной деятельности человека (в том числе и целенаправленной).
• 1. Природные минералы. Под этими минералами понимают минеральные образования, сформировавшиеся в результате геохимических процессов, протекающих в земной коре. Каждый минерал имеет определенный химический состав, структуру и свои физические свойства.

Иногда в земной коре минералы встречаются в виде самостоятельных скоплений, создавая ценные месторождения полезных ископаемых, но чаще входят в состав горных пород. Минералы определяют физико-механические свойства горных пород, поэтому с этой точки зрения представляют наибольший интерес для инженеров-строителей.

В земной коре содержится более 7000 минералов и их разновидностей. Большинство из них встречаются редко и лишь немногим более 100 минералов встречаются часто и в достаточно больших количествах, входят в состав тех или иных горных пород. Такие минералы называют породообразующими.

Каждый минерал имеет определенное внутреннее строение и присущие только ему внешние признаки и характеризуется своими свойствами (рис. 5). Все это обусловливается условиями тех геологических процессов, в которых рождаются минералы. Каждый минерал может существовать в природе лишь в определенных термодинамических условиях. При изменении этих условий минеральное тело видоизменяется или разрушается.

Происхождение минералов. Условия, в которых образуются минералы в природе, отличаются большим разнообразием и сложностью. Различают три основных процесса минералообразования: эндогенный, экзогенный и метаморфический.

Эндогенный процесс связан с внутренними силами Земли и проявляется в ее недрах. Минералы формируются из магмы — силикатного огненно-жидкого расплава. Таким путем обра-

Рис. 5. Формы существования минералов: а — кристаллическая; б — аморфная; с — кристаллоподобная

зуются, например, кварц и различные силикаты. Эндогенные минералы обычно плотные, с большой твердостью, стойкие к воде, кислотам, щелочам.

Экзогенный процесс свойственен поверхности земной коры. При этом процессе минералы формируются на суше и в море. В первом случае их создание связано с процессом выветривания, т. е. разрушительным воздействием воды, кислорода, колебаний температуры на эндогенные минералы. Таким образом образуются глинистые минералы (гидрослюда, каолинит и др.), различные железистые соединения (сульфиды, оксиды и др.). Во втором случае минералы формируются в процессе выпадения химических осадков из водных растворов (галит, сильвин и др.). В экзогенном процессе ряд минералов образуется также за счет жизнедеятельности различных организмов (опал и др.).

Экзогенные минералы разнообразны по свойствам. В большинстве случаев они имеют низкую твердость, активно взаимодействуют с водой или растворяются в ней.

Метаморфический процесс. Под воздействием высоких температур и давлений, а также магматических газов и воды на некоторой глубине в земной коре происходит преобразование минералов, ранее образовавшихся в экзогенных процессах. Минералы изменяют свое первоначальное состояние, перекристаллизовыва-ются, приобретают плотность, прочность. Так образуются многие минералы-силикаты (роговая обманка, актинолит и др.).

Структура. Минералы обладают кристаллической структурой или бывают аморфными. Большинство минералов имеет кристаллическое строение, в котором атомы расположены в строго определенном порядке, создавая пространственную решетку. Благодаря этому многие минералы внешне имеют вид правильных многогранников (кристаллов). Примером может служить кварц (рис. 6).

Рис. 6. Кристалл горного хрусталя

(кварца)

Со строением и характером пространственной решетки связаны свойства кристаллических тел. Прежде всего минералы обладают однородностью строения, состава и свойств, так как в каждой своей части, вплоть до размеров элементарной ячейки, они обладают одинаковым кристаллическим строением и химическим составом. Свойства минералов могут быть одинаковыми по всем направлениям (изотропные свойства) или разными по различным направлениям (анизотропные свойства) (рис. 7).

Аморфные минералы не имеют кристаллической структуры, по своим свойствам изотропны, и для них характерна неправильная внешняя форма.

Химический состав. Каждый минерал характеризуется определенным химическим составом. В отдельных случаях можно встретить минералы сходного химического состава, но они обязательно имеют различное внутреннее строение, а следовательно, и различную внешнюю форму.

Химический состав кристаллических минералов выражается кристаллохимической формулой, которая одновременно показывает количественные соотношения элементов и характер их взаимной связи в пространственной решетке. Примерами таких формул минералов являются: каолинит — А1₄[81₄Ою](ОН)₈, авгит — (Са, Ыа)(М^, Ие, А1)[(5ц А1₂) 0₆]. Химическая формула аморфных минералов отражает только количественное соотношение элементов.

В составе многих минералов экзогенного происхождения содержится вода. Молекулярная вода не участвует в строении пространственной решетки, и ее удаление лишь обезвоживает минерал. Например, после нагревания гипса Са80₄ • 2Н₂0 остается СаБ0₄, называемый ангидритом. Химически связанная вода в виде

Кристалло- Оси графическая симметрии система

Кубическая

Тетра

гональная

Оси и углы

а=Ь=с

а=р=*^90^о

а=Ь^с

а=р=у=90°

Основные формы кристаллов

Галенит Магнезит Пирит Альмандин Тетраэдрит

Рутил Циркон Халькопирит Сканолит Апофилит

Ромбичес

кая

а^Ь^с

а=Р=т=90°

Софрин Церузит Оливин Энстатит Баритин

а?±Ь?±с

а=у=90°

р^90°

и I =С2 2⁼^3

а,=а₂

ар*90°

а_{=а₂=а^с

а=Р=90°

Кальцит Цинабер Кварц Арагонит Турмалин

Триклин

ная

а^Ь^с

с^р^90°

Альбит Дистен Калькантит Сасолит Родонит

Рис. 7. Кристаллографическая характеристика минералов

(ОН) входит в пространственную решетку, например, глинистых минералов, и ее удаление приводит к разрушению минерала.

Физические свойства. Каждый минерал имеет определенные физические свойства. Главнейшими из них являются: внешняя форма, оптические характеристики (цвет, прозрачность, блеск), показатели твердости, спайность, излом, плотность.

Внешняя форма минералов разнообразна. В природных условиях они чаще всего приобретают неправильные очертания. Хорошо ограненные кристаллы встречаются сравнительно редко (рис. 8). Для многих минералов характерны также формы землистого облика, агрегатных скоплений и др.

Цвет для очень многих минералов строго постоянен. Их условно разделяют на светлые (кварц, полевые шпаты, гипс, кальцит и др.) и темные (роговая обманка, авгит и др.).

Прозрачность — способность минералов пропускать свет. Выделяют три группы минералов: прозрачные (кварц, мусковит и др.), полупрозрачные (гипс, халцедон и др.) и непрозрачные (пирит, графит и др.).

Блеск — способность поверхности минералов отражать в различной степени свет. Блеск может быть металлическим и неметаллическим, который в свою очередь может быть стеклянным (силикаты), жирным (тальк), шелковистым (асбест) и т. д.

Твердость — способность минералов противостоять внешним механическим воздействиям. Каждому минералу присуща определенная твердость, которая ориентировочно оценивается по 10-балльной шкале твердости Мооса (табл. 3).

Рис. 8. Различные формы кристаллов минералов: а — минералы со спайностью; б — формы срастания минералов

Твердость минералов

Спайность — способность минералов раскалываться или расщепляться по определенным направлениям с образованием плоскостей раскола. Это свойство обусловлено внутренним строением кристаллов и не зависит от их внешней формы.

Излом характеризует поверхность разрыва и раскалывания минералов. Различают излом по спайности (кальцит), раковистый (кварц), землистый (каолинит) и др.

Плотность минералов различна и колеблется в пределах от 0,6 до 19 г/см³. Наиболее распространенные значения находятся в пределах от 2,5 до 3 г/см³.

Минералы могут обладать рядом других физических свойств: хрупкостью, плавкостью, магнитностью, вкусом, запахом и т. д. Для отдельных минералов эти свойства могут быть характерными признаками, например галит (поваренная соль) — соленый, сера имеет запах при горении и т. д.

Классификация минералов. Основана в основном на их химическом составе. Все минералы разделяют на 10 классов (табл. 4).

Ниже дается краткая характеристика основных классов минералов, которые имеют наибольшее распространение в земной коре (рис. 9, 10, 11, 12, 13, 14).

Силикаты — наиболее многочисленный класс, включающий до 800 минералов, являющихся основной составной частью большинства магматических и метаморфических пород. Среди силикатов выделяют группы минералов, характеризующиеся некоторой общностью состава и строения, — полевые шпаты, пироксены, амфи-

болы, слюды, а также оливин, тальк, хлориты и глинистые минералы. Все они по своему составу алюмосиликаты (рис. 15).

Таблица 4

Классы минералов и типичные доя них минералы

Оксиды и гидроксиды. Эти два класса объединяют около 200 минералов, на их долю приходится до 17 % всей массы земной коры. Наибольшее распространение имеют кварц, опал и лимонит.

Карбонаты. К ним относятся более 80 минералов. Наиболее распространены кальцит, магнезит, доломит. Происхождение в основном экзогенное и связано с водными растворами. В контакте с водой они немного снижают свою механическую прочность, хотя и слабо, но растворяются в воде, разрушаются в кислотах.

Сульфаты. Этот класс объединяет до 260 минералов, происхождение которых связано с водными растворами. Характеризуются небольшой твердостью, светлой окраской. Сравнительно хорошо растворяются в воде. Наибольшее распространение имеют гипс и ангидрит. При соприкосновении с водой ангидрит переходит в гипс, увеличиваясь в объеме до 33 %.

Сульфиды насчитывают до 200 минералов. Типичный представитель пирит. Сульфиды в зоне выветривания разрушаются, поэтому их примесь снижает качество строительных материалов.

Галоиды содержат около 100 минералов. Происхождение связано в основном с водными растворами. Наибольшее распространение имеет галит. Может быть составной частью осадочных пород, легко растворяется в воде.

Минералы классов фосфатов, вольфраматов и самородных элементов встречаются гораздо реже, чем другие.

Радиоактивность минералов. Различные радиоактивные химические элементы (²³⁸и, ²³²ТЬ, Яа и др.) содержат 97 природных

а

а — электронный снимок; б — схематические изображения

Рис. 10. Кристалл кальцита: а — схематическое изображение; б — электронный снимок

Рис. 11. Кристалл гипса:

а — электронный снимок; 6 — схема двойника кристалла (сросток «ласточкин хвост»)

Рис. 12. Снимок образца опала (минерал с аморфным строением)

Рис. 13. Электронный снимок кристалла каолинита с увеличением более чем в 10 000 раз

Рис. 14. Формы кристаллических решеток алмаза (а) и графита (б)

минералов. В минералах техногенных материалов могут присутствовать также искусственно созданные радиоактивные химические элементы — технеций, прометий, нептуний и др. Минералы и материалы с содержанием радиоактивных элементов дают излучение, интенсивность которого зависит от типа и количества этих элементов. Покажем это на примерах.

• 1. Минералы: эшинит содержит ²³²ТЬ до 30%, малое излучение; пирохлор — ²³⁸и до 17 %, большое излучение.
• 2. Минералы с различным содержанием ²³⁸и: уранит — до 30 %, малое излучение; торбернит — до 60 %, большое излучение; карбонит — до 64 %, большое излучение.

Радиоактивные минералы наиболее часто присутствуют в гранитах и глинах, которые могут иметь довольно высокую «фоновую» радиоактивность, в то время как известняки и кварцевый песок обычно имеют низкую радиоактивность.

2. Искусственные минералы. В результате производственной деятельности человеком создано более 150 искусственных минералов. В настоящее время промышленность получает два вида искусственных минералов: аналоги и техногенные. Аналоги — это повторение природных минералов (алмаз, корунд, горный хрусталь и др.). Техногенные — это вновь созданные минералы с наперед заданными свойствами (например, алит — вяжущие свойства, муллит — огнеупорность и т. д.). Такие минералы входят в состав

Рис. 15. Схемы структур силикатов различного состава:

/—[5і0₄]⁴'; 2— [5і₂0₇]^6_; 3 — [8і0₃0₉]⁶‘; 4— кольцевая [ 5і₆0_!8]¹²; 5—цепочечная (5Ю₃)²';

6—поясная [БцОц]⁶; 7—листовидная; 8— каркасная

различных строительных материалов: в цемент — алит ЗСаО5і0₂, белит 2СаО5і0₂; в огнеупоры — муллит ЗА1₂0₃-28і0₂, периклаз МяО; абразивы — карборунд БіС.

ГОРНЫЕ ПОРОДЫ

Горные породы представляют собой природные минеральные агрегаты, которые «рождаются» в земной коре. Каждой породе свойственно известное постоянство химического и минерального состава, структуры, а иногда и условий залегания в земной коре.

Горные породы чаще всего полиминеральны. В отдельных случаях они могут состоять из одного минерала (кварцит из кварца, мрамор из кальцита). Горные породы не имеют химических формул. Их состав оценивается валовым химическим анализом, например химический состав базальта: Si0₂ — 49—52%,

А₂0₃ - 10-14 %, Fe₂0₃ — 4—14 %, CaO - 8-10% и т. д.

Сейчас в земной коре установлено около 1000 горных пород.

По своему происхождению их делят на три типа: магматические, осадочные, метаморфические. В земной коре магматические и метаморфические породы занимают 95 % общей ее массы. Осадочные породы располагаются непосредственно на поверхности Земли, покрывая собой в большинстве случаев магматические и метаморфические породы.

Магматические горные породы

Происхождение и классификация. Магматическими (или изверженными) горными породами называют горные породы, которые образовались в результате кристаллизации магмы при ее остывании в недрах Земли или на ее поверхности. Магма (или лава) — это сложный силикатный расплав примерно следующего состава: кислород — 46,7 %, кремний — 27,7 %, алюминий— 8,1%, железо — 5,1 %, кальций — 3,6 %, магний — 2,1 %, натрий — 2,7 %, калий — 2,6 %, другие элементы обычно не превышают в среднем 1,4%. Температура магмы различна, но обычно 100 — 1300 °С.

История формирования магматических горных пород берет начало с образования магмы, которая затем последовательно изменялась под воздействием слабо изученных сложнейших взаимосвязанных физических, химических, физико-химических процессов. Процессы эти во многом завершаются при охлаждении или кристаллизации магмы с образованием агрегатов силикатных минералов. В зависимости от условий, в которых происходит охлаждение и застывание (потеря подвижности) магмы, горные породы делят на интрузивные (глубинные) и эффузивные (излившиеся) (рис. 16).

Эффузивные породы образуются из той же магмы, что и глубинные, поэтому их называют аналогами глубинных пород. Разновидностями этих пород соответственно будут жильные и вулканические. При формировании вулканических пород на поверхности земли магму называют лавой.

Некоторые геологи считают, что в основе зарождения магмы лежит единая первичная магма базальтового состава, дальнейшая же дифференциация ее привела к образованию различных по составу магматических пород.

Рис. 16. Схема образования магматических горных пород:

/ — толща осадочных пород; 2 — по верхность Земли; 3 — глубинные по роды; ^/—излившиеся породы

Другие ученые говорят о том, что различные минералого-петрографические разности магматических горных пород обусловлены существованием нескольких первичных магм разного состава.

Некоторые специалисты считали, что возможно образование интрузивных пород (так называемых плутонов), особенно кислого состава, путем перекристаллизации ранее существовавших пород под действием повышенных температур, давлений и сложных по химическому составу растворов.

Любая из этих гипотез обусловливает необходимость дифференциации вещества магмы для формирования различных по составу изверженных пород. Особенности дифференциации магмы образуют как одну, так и несколько типов горных пород. Первичная базальтовая магма может сформировать габбро или же превратиться в целый ряд пород: габбро — диориты — гранодио-риты — граниты. Кроме того, особенности дифференциации выражаются в виде реакции между кристаллами и расплавом и в сложном процессе межгравитационного разделения, сопровождающегося оседанием или поднятием кристаллов при существенном газовом переносе вещества и ассимиляции магмой вмещающих пород.

К настоящему времени петрографами выделено и описано множество разновидностей изверженных горных пород различного химико-минералогического состава.

Большинство силикатов (как правило, минералы магматических пород — это силикаты) имеют ковалентную связь между основными структурными элементами, что и создает высокую прочность магматических пород. При этом наибольшие значения модуля упругости и наибольшая прочность проявляются у горных пород, имеющих плотную, компактную структуру с высокой ковалентностью связи (дуниты, периодотиты, пироксениты).

Но не только это влияет на формирование прочности горных пород. Весьма важным является их последующее изменение в результате выветривания, скорость и интенсивность которого в

значительной мере определяются особенностями минералогического состава.

Так, известно, что одним из наиболее устойчивых минералов к выветриванию является кварц. Слюды же легко расслаиваются под влиянием колебаний температуры, особенно если происходит их попеременное замораживание и оттаивание. Кроме того, биотит очень легко подвергается разрушению при химическом выветривании. Трещиноватые полевые шпаты, особенно основные и лабрадор, легко разрушаются при выветривании, в то время как их свежие разности более устойчивы к нему. Амфиболы и пирок-сены обычно оцениваются как устойчивые к выветриванию, а оливин — как легко разрушающийся, кстати, поэтому быстро выветриваются дуниты.

Хорошо известно, что пирит легко окисляется и в присутствии воды образует серную кислоту, тем самым ускоряя процесс разрушения других минералов в горной породе.

Однако на устойчивость магматических горных пород к выветриванию, на их прочностные и деформационные характеристики влияет не только минералогический состав, но в большей степени их структурно-текстурные особенности.

Структуры и текстуры магматических горных пород определяются их генезисом (происхождением).

Магма, поднимающаяся к земной поверхности, быстро охлаждается, вязкость ее увеличивается благодаря постепенной потере воды и газов. Это способствует формированию вулканического стекла с пелитовой или сферолитовой структурой. Последние наиболее характерны для палеотипных излившихся пород и образуются обычно при девитрификации стекла. В поверхностных условиях потоки магмы (в этом случае их называют лавовыми потоками) затвердевают сравнительно быстро, что не позволяет развиваться крупным кристаллам, и вследствие этого эффузивы обычно характеризуются афанитовой структурой (это характерно для пород с выраженной кристалличностью и стекловатых). Горные породы с подобными структурами обычно имеют высокую механическую прочность, но, как правило, излившиеся (эффузивные) породы образуются на поверхности Земли при низких давлениях и температурах при быстром охлаждении и дегазации вещества магмы. В таких условиях становится невозможной полная дифференциация; часть расплава застывает в виде аморфной массы, формируя породы неполнокристаллической структуры. Часто кристаллизация осуществляется в две фазы: медленная в глубине земной коры, когда образуются отдельные кристаллы минералов или их ассоциации, а затем быстрая на поверхности, когда происходит интенсивное остывание расплава. В

этом случае образуется неравномерно-кристаллическая (порфировая) структура. Наличие газов в застывающей на поверхности магме определяет повышенную пористость эффузивных пород.

Вулканические породы обладают довольно часто пузырчатой текстурой. Указанные эффузивы обычно усеяны газовыми пузырьками различной формы: миндалевидной, округлой, эллипсовидной. Пузырчатая текстура придает некоторым туфам Армении пористость до 60 % и снижает их плотность до 0,9—0,95 г/см³.

Довольно часто пустоты в вулканических породах выполнены вторичными минералами, тем самым сообщая им так называемую миндалевидную, или миндалекаменную, текстуру. Прочность таких пород резко повышается, но в силу своей неоднородности они все-таки уступают массивным разностям (это можно проследить на примере базальтов).

Очень похожее влияние на свойства вулканогенных пород оказывает порфировая структура, при которой крупные отдельные минералы или крупные совокупности нескольких минералов погружены в тонкозернистую или стекловатую массу минерала, слагающего породу. Порфировая структура не обязательна, хотя и характерна для эффузивов. Она свойственна для лайковых пород и иногда для пород мелких интрузий.

Вулканические и вулканокластические породы образуются при вулканических извержениях как на континентах, так и в морских бассейнах. Расплав магмы быстро остывает, и в то же время происходит процесс интенсивной потери растворенных газов и паров. Это ведет к образованию вулканических стекол, скрытокристаллических высокопористых пород типа пемзы, а также специфических рыхлых вулканических пород.

Структуры и текстуры глубинных пород существенно иные. Магматический расплав в глубинах Земли в среде ранее образованных пород кристаллизуется постепенно под влиянием высокого давления в условиях медленного охлаждения и деятельного участия присутствующих летучих веществ, растворенных паров и газов. Минеральные зерна постепенно формируют специфические структуры и текстуры глубинных пород. Наиболее характерной особенностью интрузивных образований является полнокристаллическая относительно крупная и равномерно-зернистая структура. Встречено и описано значительное количество ее разновидностей. При инженерно-геологической оценке породы большое значение имеет размер зерен, так как мелкозернистые породы более прочны и устойчивы к выветриванию, нежели крупнозернистые.

Установлено, что минералы кристаллизуются в определенной последовательности, в зависимости от химического состава исходной магмы (основная и кислая), температуры плавления и т. д.

Основная магма кристаллизуется в следующей последовательности: оливин — пироксены-амфиболы — биотит — калиевый полевой шпат — мусковит — кварц; кислая магма: анортит — плагиоклазы — калиевый полевой шпат — мусковит — кварц.

Жильные породы образуются при кристаллизации магмы в трещинах горных пород, зачастую с интенсивным гидротермальным воздействием.

В данных условиях кристаллизация обычно происходит при сложной дифференциации вещества магмы, что является еще одним обстоятельством, приводящим к формированию полнокристаллической структуры.

Одной из наиболее важных характеристик, определяющих свойства магматических пород, является химический состав, формирующий в значительной мере их облик и обязательно минеральный состав. При классификации магматических пород по химическому составу используются данные о содержании в них диоксида кремния — БЮ₂ (в % по массе): выделяют породы ульт-ракислого (>75 %), кислого (65—75 %), среднего (55—65 %), основного (45—55 %) и ультраосновного (<45 %) состава, для которых характерны вполне определенные главные породообразующие минералы или их ассоциации.

Все магматические горные породы имеют с точки зрения использования их в строительстве достаточно много общего между собой (так общность физико-механических характеристик, в частности, обусловлена наличием практически у всех магматических пород жестких кристаллизационных связей между зернами минералов, возникающими в процессе формирования породы). Вследствие этого все магматические горные породы имеют высокую прочность, значительно превышающую нагрузки, известные и возможные в инженерно-строительной практике, нерастворимые в воде и практически водонепроницаемые в сохранном виде. Благодаря этому они широко используются в качестве оснований сооружений, особенно ответственных и уникальных, поэтому более 30 % всех высоких плотин на Земле построено на магматических горных породах.

Тем не менее существует ряд обстоятельств, которые приводят к осложнениям при строительстве на изверженных породах. Это, во-первых, их трещиноватость и выветрелость, которые для различных типов пород проявляются в разной степени и достаточно своеобразно. Во-вторых, чрезвычайно широкий диапазон изменений показателей физико-механических и деформационных свойств горных пород в зависимости от их состава и структуры, хотя и при высоких абсолютных значениях отдельных показателей.

В качестве примера остановимся на характеристике плотности интрузивных и древних эффузивных пород. Она, естественно, определяется их химическим и минералогическим составом: у сиенита — 2,62 г/см³, диорита — 2,8 г/см³ , габбро — 2,95 г/см³, перидотита — 3,2 г/см³, липарита —2,1 г/см³, диабаза — 2,85 г/см³. Плотность обычно возрастает вместе с уменьшением кислотности

Рис. 17. Типы структур магматических пород:

а — глубинная порода с зернистой структурой; б — излившаяся порода с порфировой структурой (шлифы и электронно-микроскопические снимки)

породы, т. е. со сменой легких минералов относительно более тяжелыми. Для современных эффузивных пород плотность в большей степени определяется структурно-текстурными особенностями, в несколько меньшей степени — химико-минеральными характеристиками. Кроме того, любые вторичные изменения горных пород значительно влияют на физико-механические параметры, например, в общем случае хлоритизация (т. е. замещение некоторых минералов хлоритом) магматических пород вызывает снижение их плотности, модуля упругости, прочности, что достаточно четко фиксируется геофизическими методами по скорости распространения в них упругих волн (рис. 17).

В общем, в зонах преобразования магматических горных пород, будь то интенсивное выветривание, складкообразование или образование разрывов, трещин, других деформаций при тектонических движениях, землетрясениях или вулканизме, иных еще более интенсивных изменениях, включая антропогенное воздействие, происходит существенное изменение, переформирование состава и структуры изверженных горных пород, а это, естественно, влечет за собой заметное увеличение их пористости и трещиноватости, уменьшение плотности, снижение прочности, повышение деформативности, водопроницаемости, т. е. значительно ухудшает их инженерно-строительные характеристики.

Классификация магматических пород, кроме деления их на глубинные и излившиеся, основана также на содержании в них кремнезема в пересчете на 5Ю₂ (табл. 5).

Таблица 5

Классификация магматических горных пород по вЮ₂

Разделение магматических пород по 8Ю₂ имеет практическое значение. Так, с уменьшением БЮ₂ в глубинных породах возрастает плотность, понижается температура плавления, породы лучше поддаются полировке, окраска их становится темнее.

В составе магматических пород основное место занимают полевые шпаты, амфиболы, пироксены, кварц и слюды. В наиболее древних породах могут присутствовать вторичные минералы (карбонаты, глинистые), которые возникают в процессе выветривания из первичных минералов. Количество этих минералов может служить показателем степени выветрелости породы.

Свойства пород зависят от их внутреннего строения и сложения в массиве.

Структура — внутреннее строение породы, обусловленное формой, размерами, количественным соотношением ее составных частей — минералов. В магматических породах различают ряд структур, в частности: 1) зернистые, типичные для глубинных пород (рис. 18); 2) полукристаллические (совместное нахождение кристаллов и аморфного стекла); 3) стекловатые, типичные для излившихся пород (рис. 19).

Текстура (сложение) характеризует пространственное расположение частей породы в ее объеме, «рисунок» породы. Для магматических пород характерны следующие текстуры: 1) массивная — равномерное, плотное расположение минералов; 2) полосчатая — чередование в породе участков различного минерального со-

Р и с. 18. Гранит — глубинная зернистая

порода

Рис. 19. Базальт — излившаяся стекловатая порода

става или различной структуры; 3) шлаковая — порода, содержащая видимые глазом пустоты.

Отдельности. При остывании магмы в связи с изменением объема в породах возникают тончайшие трещины, которые разбивают массив на отдельные участки (формы). В зависимости от системы расположения трещин возникают отдельности: столбчатая (базальт), глыбовая (гранит), шаровая (диабаз) и др.

Строительные свойства магматических пород высокие. Это объясняется их минеральным составом и жесткими кристаллизационными связями в структурах. Наибольшей прочностью отличаются мелко- и равномерно-зернистые структуры.

При оценке качества следует отдавать предпочтение массивной текстуре. Полосчатое сложение и отдельности облегчают разработку, но в целом снижают качество породы. Трещиноватость пород сокращает количество выпускаемой каменной продукции, обусловливает фильтрацию подземных вод.

В России магматические породы широко распространены в горных районах (Урал, Кавказ и др.), а также в Карелии, Сибири и т. д.

Формы залегания магматических пород. Глубинные горные породы залегают в виде батолитов (рис. 20) — огромных массивов площадью до нескольких сотен километров, залегающих глубоко от земной поверхности; штоков — ответвлений от батолитов; лакколитов — грибообразных форм, образованных при внедрении магмы между слоями осадочных толщ; жил, возникших при заполнении магмой трещин в земной коре, и др.

Для излившихся горных пород характерными являются купола — сводообразные формы; лавовые покровы, образовавшиеся в результате растекания магмы на поверхности Земли; потоки — вытянутые формы, возникшие в результате излияния магмы из вулканов.

Характеристика групп магматических пород. Кислые породы (содержание БЮг от 65 до 75 %) являются наиболее распространенными среди магматических пород. Основные их представители: гранит и его излившиеся аналоги — кварцевые порфиры, липариты, вулканические стекла. В группу средних пород (содержание БЮ₂ от 52 до 65 %) входят глубинные породы: диориты (излившиеся аналоги — порфириты и андезиты) и сиениты (излившиеся аналоги — ортоклазовый порфир и трахит). В группу основных пород (содержание БЮ₂ от 40 до 52 %) входят глубинная порода габбро и ее излившиеся аналоги — диабаз и базальт. Ультраосновные породы (содержание 8Ю₂ менее 40 %) имеют только глубинное происхождение, не содержат полевых шпатов и кварца. Распространение очень ограниченное. На поверхности

Рис. 20. Блок-диаграмма форм залегания магматических тел (по М. Васину)

земли неустойчивы и легко поддаются выветриванию. К ним относятся пироксениты, перидотиты, дуниты.

? Инженерно-геологическая характеристика некоторых интрузивных пород. Среди интрузий наиболее распространенными являются породы кислого состава: граниты, гранодиориты, кварцевые диориты. Они лежат в основе строения древних кристаллических щитов: Балтийского, Украинского, Алданского. Эти породы слагают обширные площади в пределах Байкальской и Забайкальской складчатых систем, широко распространены на юге Сибири. Формы залегания достаточно обычны: батолиты, лакколиты, штоки. По своему строению интрузии выполнены следующим образом: во внутренних частях преобладают крупно- и среднезернистые породы, в краевых — мелкозернистые. Штоки и лакколиты в своих краевых частях представлены часто порфировидной структурой пород, а в жилах и дайках это обычно типично пегматитовая структура. Свойства пород естественным образом различны в разных частях интрузий, что определяется не только их структурой, но и разным характером трещиноватости, включая и микротрещиноватость.

Как известно, основными показателями физико-механических свойств магматических горных пород являются их плотность, во-допоглощение, временное сопротивление сжатию, деформационные характеристики.

Не составляют исключения из этого правила граниты и другие кислые породы. Граниты часто используются в качестве оснований гидротехнических сооружений и строительных материалов.

Продолжая рассмотрение гранитов, как наиболее типичных представителей кислых изверженных пород, отметим, что биоти-товые граниты имеют показатели прочности в среднем около 80 МПа, а в образцах, где отмечено замещение биотита хлоритом, прочность падает до 60—70 МПа. Самой низкой прочностью обладают фельдшпатизированные породы гранитного состава с характерной порфировидной структурой (Д._ж = 40—45 МПа).

В типичных гранитах в сохранном виде (в невыветрелых образцах) прочность примерно одинакова как в водонасыщенном, так и в воздушно-сухом состоянии.

Рассматривая влияние возраста и условий формирования гранитных интрузий, следует отметить, что платформенные граниты обычно прочнее молодых, например кавказских, и обычно прочнее других древних. Это объясняется значительно меньшей ка-таклазированностью первых по отношению ко всем другим. Модули упругости лежат в диапазоне (40—85) • 10³ МПа.

Модули общей деформации для гранитных массивов обычно несколько ниже полученных в испытаниях отдельных образцов, и их абсолютные значения определяются в первую очередь трещиноватостью.

В инженерно-геологическом отношении другие кислые интрузивные породы оценивались гораздо реже, можно дать лишь некоторые значения для зейских диоритов (/?с_Ж для воздушно-сухих образцов лежит в диапазоне 73—262 МПа, а для водонасыщенных-52-221 МПа).

Интрузивные породы основного состава типа габбро по распространению намного уступают гранитам. Довольно часто они встречаются на Урале, слагают значительные площади на Украине, имеются на Кольском полуострове, Алтае и ряде горно-складчатых областей.

Показатели физико-механических свойств габбровых пород лежат в очень широких пределах, что объясняется их неоднородностью по составу и значительным изменением при тектонических процессах. Прочность на сжатие колеблется в пределах от 40—80 до 200—300 МПа при средних значениях, превышающих 100 МПа.

Отмечено, что даже в водонасыщенном состоянии среднее расчетное значение временного сопротивления сжатию обычно

оценивается в 125 МПа, при этом установлено, что для габбро водонасыщение и промораживание слабо влияют на его прочностные характеристики.

Показатели деформационных свойств габбро очень высоки, например, статический модуль упругости равен 125 МПа.

Водопроницаемость габбро определяется закономерностями распределения в их массиве трещин и зон тектонических нарушений. По данным ряда специалистов, установлено, что сильно разрушенные трещиноватые габбровые породы имеют коэффициент фильтрации 40 м/сут и более, тогда как неизмененные нетрещиноватые габбро практически водонепроницаемы (удельное во-допоглощение в них менее 0,01).

Отмечено, что породы габбрового состава обычно сильно рас-сланцованы, что приводит к интенсификации в них процессов выветривания. Коры выветривания габбро часто вполне отчетливо подразделяются на две части: верхняя зона (мощностью до нескольких метров) представлена обломками и щебнем выветрелой породы с участками рыхлой песчано-глинистой массы, нижняя зона (мощностью до 5—10 м, вдоль крупных тектонических трещин она распространяется на 20 м и более) сложена сильнотрещиноватыми водопроницаемыми породами типа «разборной» скалы.

Особое место среди интрузивных пород основного состава занимают долериты и диабазы (хотя последние рассматриваются, как правило, в ряду эффузивных пород). Эти породы слагают известные траппы Сибирской платформы. Типичной формой залегания пород являются силлы (пластовые залежи) в толще палеозойских пород. Эти породы подробно изучались при строительстве Братской, Усть-Илимской, Хантайской, Вилюйской гидроэлектростанций. Заметим попутно, что ссылки на результаты исследований магматических пород преимущественно на гидроэнергетических объектах обусловлены тем, что обычно эти сооружения передают такие нагрузки, которые могут быть восприняты исключительно рассматриваемыми породами. Диабазы и долериты имеют высокую прочность, весьма близкую по своим значениям для различных петрографических разностей. Среднее значение плотности 2,95—2,96 г/см³, пористость составляет 2,0—2,9 %.

Выветрелые диабазы, естественно, характеризуются меньшей плотностью, повышенной пористостью и меньшей прочностью: плотность снижается до 2,81—2,74 г/см³, пористость растет до 7 %, а прочность падает до 50 МПа и даже до 7 МПа, резко снижаются показатели деформационных свойств.

Водопроницаемость диабазов в трапповых интрузиях очень слабая. Только в зонах выветривания водопроницаемость резко возрастает (коэффициент фильтрации достигает 10 м/сут). Есте-

ственно она увеличивается и на участках развития трещиноватости в породах.

? Инженерно-геологическая характеристика некоторых эффузивных пород. Излившиеся (эффузивные) породы отличаются большим разнообразием состава и условий залегания. Наибольшее распространение среди них имеют базальты. Объемное содержание их в земной коре примерно впятеро превышает объем всех остальных эффузивных пород вместе взятых. Базальтам обычно сопутствуют андезиты. Наиболее характерными формами залегания базальтов являются покровы и потоки. На Сибирской платформе описаны весьма обширные базальтовые излияния.

Молодые складчатые области Закавказья и Камчатки во многом сложены базальтами и андезито-бальзатами. На Урале, в Саяно-Алтайской складчатой области, Казахстане широко распространены палеотипные породы основного состава — разнообразные порфириты. В лавовых потоках обычно прослеживаются прослои пирокластических пород — различных туфов, туфолав, туфобрекчий.

Наиболее изученными среди эффузивных пород, с инженерно-геологической точки зрения, являются базальты и андезито-ба-зальты Армении. По возрасту они очень молоды. Это, как правило, неогеновые и четвертичные образования. Породы характеризуются столбчатой отдельностью, мелкозернистой долери-товой структурой с пористой или пузырчатой текстурой. Выделены также миндалекаменные текстуры базальтов, в некоторых андезито-базальтах установлено значительное содержание вулканического стекла (около 25 %), а также повышенная пористость (до 50 %). Кроме того, молодые базальты Армении отличаются интенсивной трещиноватостью, во многом обусловленной характером их первичной отдельности. Трещины чаще всего лишены заполнителя, а это ведет к тому, что водопроницаемость базальтовых массивов поднимается до нескольких сотен метров в сутки.

Физико-механические свойства базальтов и андезито-базаль-тов отличаются весьма значительным разнообразием, что объясняется большими различиями в их минеральном составе, структуре и текстуре.

Приведем характеристику некоторых представителей этой группы пород. Так, базальты мелкокристаллической структуры имеют плотность до 3,3 г/см³, временное сопротивление сжатию — до 500 МПа, в то время как прочность пористых разностей базальтов может снижаться до 20 МПа и менее. Древние палеотипные породы также отличаются большой изменчивостью прочностных и деформационных свойств, но в общем в средних значениях по этим показателям они превышают более молодые разности. Объясняется это раскристаллизацией вулканического

стекла, постепенным заполнением пор вторичными минералами, а также другими постмагматическими преобразованиями излившихся пород. Наибольшей прочностью, как установлено, обладают оливиновые разности базальтов, наименьшей — авгитовые, при весьма существенном влиянии на нее особенностей структуры и текстуры пород. Например, среди мезозойских базальтов Сибирской платформы наиболее прочными являются массивные неизмененные порфировые базальты с микродиабазовой и мик-родолеритовой структурой. Установлено, что увеличение содержания разрушенного вулканического стекла до 10—15 % снижает прочность базальтов на 10—20 %, примерно также сказывается на ней и содержание миндалин в количестве 10—20%.

Естественно, что степень выветрелости пород существенным образом отражается на их физико-механических характеристиках, например, резко понижает прочность. Так, для дальневосточных андезито-базальтов в свежих разностях /?с_Ж = 87—132 МПа, в сла-бовыветрелых — 64—82 МПа, средневыветрелых — 41—60 МПа, значительно выветрелых — 19—28 МПа. Объясняется это резким изменением состояния и свойств слагающих породу минералов. В первом случае, к примеру, все плагиоклазы свежие неразрушенные, во-втором — примерно половина полевых шпатов начала разрушаться по це нтру или вдоль внутренних трещин, в третьем — до 50 % полевых шпатов почти полностью изменены по всей массе кристалла, остальные вдоль трещин и, наконец, в четвертом случае все полевые шпаты почти полностью изменены по всей массе кристаллов и до половины их превращены в агрегаты сложения вторичных минералов.

Для базальтов и андезито-базальтов степень выветрелости и, естественно, мощность коры выветривания, как и обычно, существенным образом зависят от возраста и климатических условий.

Надо отметить, что практически другие эффузивные породы так подробно не изучались и для них можно дать лишь некоторые общие характеристики.

Андезиты имеют достаточно высокую прочность и устойчивость к выветриванию. Плотность их составляет 2,56—2,85 г/см³, а временное сопротивление сжатию изменяется в широком диапазоне 120—240 МПа, обусловленном влиянием как структурно-текстурных особенностей, так и состоянием породы.

Трахиты имеют, как правило, повышенную пористость, в связи с чем их плотность снижается до 2,2—2,6 г/см³, а средняя прочность на сжатие составляет не более 60—70 МПа.

Липариты отличаются прочностью и стойкостью к выветриванию. Наиболее прочными среди них являются фельзитовые раз-

ности, временное сопротивление сжатию которых составляет довольно высокие значения — до 280 МПа.

Особую группу пород представляют вулканические туфы, среди которых встречаются как очень слабые разности, так и довольно прочные. При выветривании они часто превращаются в каолинитовые и бентонитовые глины. Отмечен также процесс, приводящий к упрочнению этих пород путем постепенного окремнения и цементации.

Осадочные горные породы

Происхождение осадочных пород. Любая находящаяся на земной поверхности порода подвергается выветриванию, т. е. разрушительному воздействию воды, колебаний температур и т. д. В результате даже самые массивные, прочные магматические породы постепенно разрушаются, образуя обломки разных размеров и распадаясь до мельчайших частиц.

Продукты разрушения переносятся ветром, водой и на определенном этапе переноса отлагаются, образуя рыхлые скопления или осадки. Накопление происходит на дне рек, морей, океанов и на поверхности суши. Из рыхлых скоплений (осадков) с течением времени формируются (уплотняются, приобретают структуру и т. д.) различные осадочные породы.

Осадочные породы слагают самые верхние слои земной коры, покрывая своеобразным чехлом породы магматического и метаморфического происхождения. Несмотря на то что осадочные породы составляют всего 5 % земной коры, земная поверхность на 75 % своей площади покрыта именно этими породами, в связи с чем строительство и производится в основном на осадочных породах. Инженерная геология этим породам уделяет наибольшее внимание.

Мощность толщ осадочных пород колеблется в широких пределах — в одних местах она очень мала, в других исчисляется километрами.

Инженерно-геологические свойства осадочных горных пород находятся в непосредственной зависимости от особенностей их состава, строения и состояния, равно как и другие горные породы, что нами неоднократно подчеркивалось выше. Наряду с этим надо отметить, что строение, состав и состояние породы формируются в зависимости от ее генезиса. Таким образом, инженерно-геологические свойства осадочных горных пород складываются в процессе литогенеза.

Под литогенезом принято понимать совокупность геологических процессов, определяющих современный состав, строение, состояние и свойства осадочных горных пород.

Процессы литогенеза достаточно условно подразделяют на ряд стадий:

• • гипергенез — выветривание — разрушение кристаллических^- и других пород, образование новых минералов, обломков пород, обломков минералов, коллоидных и истинных растворов;
• • седиментогенез — перенос и отложение материала — образование осадка;
• • диагенез — превращение осадка в осадочную породу;
• • катагенез — начальные изменения осадочной породы;
• • метагенез — глубокие изменения осадочной породы — образование метаморфизованных осадочных пород.

Последние две стадии иногда объединяются под одним понятием — эпигенез. Осаждение вещества, его диагенетические и постдиагенетические преобразования протекают по-разному, в зависимости от физико-химических условий среды, температуры, давления, длительности и интенсивности процесса, например скоростей течения воды, движения воздуха, льда и т. п.

Особенности осадочных пород. Осадочные породы в силу специфических условий образования приобретают ряд особенностей, которые существенно отличают их от магматических и метаморфических пород. Это проявляется в минеральном и химическом составе, структурах, слоистости, пористости, зависимости состава и свойств пород от климата, в содержании органических остатков.

Минеральный и химический состав. В образовании осадочных пород, кроме минералов, из которых формировался рыхлый осадок (кварц, полевые шпаты и др.), принимают участие минералы, возникающие в данной породе в процессе ее существования (кальцит, каолинит и др.). Во многих случаях они играют существенную роль. Осадочные породы разнообразны по химическому составу. Это могут быть алюмосиликаты, карбонаты, оксиды, сульфаты и др.

Структура осадочных пород разнообразна. Почти каждый тип породы имеет свою, присущую только ему структуру. Для рыхлых пород характерны обломочные структуры, для сцементированных — брекчиевидные и т. д.

Пористость типична для всех осадочных пород, за исключением некоторых плотных химических осадков. Поры бывают мелкие, крупные и в виде каверн. Общая пористость может быть велика, например суглинки — 40—50 %, пески — 35—40 % и т. д. В порах могут располагаться вода, газ, органический материал.

Слоистость. Осадочные породы залегают в виде слоев (рис. 21), которые образуются в процессе периодического накопления осадков в водной и воздушной среде. В составе слоя может быть микрослоистость, отражающая осадконакопление в различные времена года. Микрослоистость характерна для озерных и речных отложений. В слое горной породы могут быть также тонкие слои других пород. Их называют прослоями. Например, в слое песка может быть тонкий прослой глины.

При резком различии слоев по составу, например, слой песка лежит на слое известняка; более или менее постоянной мощности и сравнительно большой занимаемой площади слои называют пластами. В таких случаях слои (пласты) обычно ограничены с двух сторон четко выраженными поверхностями, которые называют плоскостями (поверхностями) напластования, причем верхнюю плоскость называют — кровлей, нижнюю — ложе, а расстояние между ними — мощностью слоя (пласта). Наибольшей мощностью пластов обладают морские отложения (до сотен и даже тысяч метров). Континентальные образования четвертичной системы, залегающие непосредственно под слоем почвы, имеют, как правило, относительно небольшую мощность (10—50 м).

Комплекс слоев, объединенных сходством состава или возраста, или один слой, но значительной мощности, нередко называют толщей. Примером могут служить толщи лессовых пород, мощность которых может достигать десятков метров.

Слои образуются в процессе накопления осадков в морях, озерах, долинах рек и т. д. Это обусловливает образование слоев различной формы как по размеру в плане, так и по очертаниям

Рис. 21. Слоистое залегание осадочных пород, четко выделяющееся

в обнаженном откосе речного берега

Рис. 22. Формы слоев осадочных пород:

• 1 — нормальное залегание; 2 — линза глины в песке; 3 — выклинивание галечника в песчаной толще; 4— несогласное залегание грунтов; 5— поверхность земли (кровли слоя); 6— подошва
• (ложе) слоя; И — мощность слоя

Рис. 23. Разновидности слоистых толщ осадочных пород:

а б в

а — нормальная; б— косая; в — перекрестная; 7—песок; 2— глина; 3— глина опесчаненная; 4— границы трансгрессии; 5—известняк; 6—аргиллит; 7—доломит; 8— иловатая глина

Рис. 24. Угловое несогласие (а); перерыв в осадконакоплении (б)

б

по вертикали. Наиболее обычным является нормальный слой (рис. 22), для которого характерна сравнительно большая мощность и протяженность, параллельность кровли подошве. Для континентальных отложений характерны также линзы — слои, занимающие малые площади с выклиниванием мощности к краям слоя, и выклинивающиеся слои, мощности которых уменьшаются в одну сторону.

Важное практическое значение для инженерной геологии представляет сочетание слоев. При согласном залегании слои лежат параллельно друг другу (рис. 23, 24), чаще всего горизонтально. Такое залегание слоев характерно равнинам. В других случаях за счет тектонических движений земной коры возникает несогласное залегание слоев (см. рис. 23, 24). Одна группа слоев при этом залегает непараллельно другой группе.

Климатические условия влияют на состав и свойства осадочных пород: в пустынях образуются породы обломочного характера, в замкнутых бассейнах накапливаются отложения солей и т. д. Окраска пород зависит от климатических условий: породы тропиков и субтропиков обладают красноватой окраской, холодному климату свойственны серые тона.

Органические остатки наблюдаются в большинстве осадочных пород. Это остатки растений или скелетных частей, раковин организмов в виде окаменелостей.

Классификация осадочных пород. Осадочные породы принято подразделять на три основные группы: 1) обломочные, 2) химического происхождения (хемогенные); 3) органогенные, возникшие в результате жизнедеятельности организмов. Это деление несколько условно, так как многие породы имеют смешанное происхождение, например, отдельные известняки содержат в своем составе материал органогенного, химического и обломочного характера.

Обломочные породы. Породы обломочного происхождения состоят из продуктов механического разрушения магматических и метаморфических пород, а также ранее образовавшихся осадочных пород (песчаников, известняков и др.).

В табл. 6 приведена основная классификация обломочных пород. В ее основе: размеры обломков — грубые, песчаные, пылеватые, глинистые; внешние очертания обломков (угловатые или окатанные) и наличие структурных связей между обломками (рыхлые скопления или сцементированные между собой обломки).

Следует отметить, что глинистые частицы к обломкам отнесены условно, так как их происхождение больше связано с химическими процессами и меньше с механическим разрушением.

Классификация обломочных осадочных пород

Окатанность возникает в процессе переноса обломков водой. В природе чаще всего встречаются скопления, состоящие из обломков разного размера. Название обломочной породе при этом дается по обломкам, которые в породе занимают более 50%.

К обломочным породам в виде самостоятельной группы относят пирокластические породы, которые формируются из твердых вулканических продуктов (пепла, песка). Оседая на поверхность земли, песок и пепел образуют сцементированные накопления (пепел, туфы и др.).

Грубообломочные породы. В их состав входят угловатые (глыбы, щебень, дресва) и окатанные (валуны, галька, гравий) обломки различных горных пород. Наибольшее количество приходится на горные районы, морские побережья, речные долины, районы ледниковых отложений.

Песчаные породы — рыхлые накопления, состоящие из обломков минералов песчаного размера (2—0,05 мм). Таких частиц в породе должно быть не менее 50 %. По крупности частиц пески подразделяют на крупные (2—0,5 мм), средние (0,5—0,25 мм), мелкие (0,25—1 мм) и пылеватые (менее 0,1 мм). В песках преобладают минералы, наиболее устойчивые к выветриванию (кварц, слюды и др.).

Мономинеральные пески, например кварцевые, встречаются редко. «Вредными» в строительном отношении примесями явля-

ются оксиды железа, гипс, слюды, глинистые частицы. Происхождение песков — речное, ветровое, морское и т. д.

Глинистые породы. Глинистые частицы являются основными составными частями супесей, суглинков и глин. Каждая из этих пород в зависимости от количественного взаимоотношения пылеватых и глинистых частиц имеет свои разновидности. Так, супесь бывает легкая крупная, легкая пылеватая, тяжелая пылеватая; суглинки — легкие, легкие пылеватые, тяжелые, тяжелые пылеватые; глины — опесчаненные, жирные.

Глинистые породы составляют около 50 % общего объема осадочных пород и чаще всего являются основаниями различных зданий и сооружений.

? Инженерно-геологическая характеристика осадочных горных пород без жестких связей. Обломочные, глинистые, некоторые представители хемогенных и органогенных пород достаточно условно можно объединить в группу пород без жестких связей, что полностью характеризует «взаимоотношения» слагающих их элементов. Эта группа объединяет большой и разнообразный круг пород — от высокодисперсных глин до грубообломочных пород. Группа описываемых пород подразделяется на три крупные подгруппы: первая объединяет глинистые и пылеватые, или связные, вторая — обломочные несцементированные, или несвязные, третья — биогенные. В подгруппу связных входят глинистые и лессовые породы, для которых характерно значительное содержание глинистых и пылеватых частиц. Отдельно рассматриваются породы, имеющие жесткие связи, — это сцементированные породы типа песчаников или аргиллитов.

Глинистые частицы формируются, в основном, в процессе химического выветривания. Наличие этих частиц в породах в значительном количестве обусловливает проявление нового характера связей между всеми элементами (частицами). В данном случае говорить только о минералах нельзя, так как частицы могут быть представлены как отдельными минералами, так и их агрегатами, обломками минералов, пород и т. д. Это коллоидные связи, которые являются следствием действия сил молекулярного и электростатического притяжения как непосредственно между самими частицами, так и между частицами и молекулами воды, содержащейся в породе. При непосредственном взаимодействии между частицами устанавливаются достаточно прочные связи, обусловливающие вполне высокую прочность породы в целом. В том случае, когда минеральные частицы окружены оболочками воды, взаимодействие может осуществляться лишь через эти оболочки, и, естественно, что связи между частицами (они называются водноколлоидными) оказываются менее прочными. При та-

ких связях частицы под влиянием внешних усилий могут перемещаться без нарушения сплошности всей массы породы, а это означает, что порода обладает способностью к значительным пластическим деформациям. Такие породы, которые могут при определенной степени влажности (увлажнения) переходить в пла,-стичное состояние, с инженерно-строительной точки зрения должны быть выделены в отдельную общность грунтов, которая именуется связными или пластичными.

К связным относят различные глины, суглинки, супеси, лессы и лессовидные породы. Все они формируются преимущественно под влиянием процессов выветривания и денудации (хотя имеются и морские глины различных генетических типов), когда наряду с агентами физического выветривания активно действуют агенты химического выветривания.

Благодаря этому изменяется не только минеральный состав пород, но и степень их дисперсности. Химические реакции, протекающие в природе, приводят к возникновению и накоплению глинистых частиц (размером менее 0,001 мм), коллоидных частиц (размером менее 0,025 мм). Агенты химического выветривания являются основным фактором, обусловливающим особенности состава пород, входящих в связные.

Связные породы обладают целым рядом свойств, значительно отличающих их от других грунтов. К числу наиболее характерных особенностей следовало бы отнести изменение их свойств в зависимости от влажности. Так, с ростом влажности прочность резко снижается, в сухом же состоянии эти породы способны выдерживать без разрушения весьма значительные нагрузки.

При большом содержании воды порода вообще способна перейти в текучее состояние. Связные грунты при определенной влажности проявляют пластичность и липкость, они набухают при увлажнении и дают усадку при высыхании. Пористость обычно высокая, однако, несмотря на это, водопроницаемость незначительна, так как пористость породы сформирована преимущественно замкнутыми микропорами.

Связные породы, в свою очередь, подразделяют на глинистые, лессовые и алевритовые.

К глинистым относят породы, у которых содержание глинистых частиц превышает 3 %. Эти грунты обладают хорошо выраженными пластическими свойствами и способностью к набуханию в воде. Во влажном состоянии они практически водонепроницаемы.

По петрографическому составу глинистые грунты можно разделить на глины, суглинки и супеси.

К глинам обыкновенно относят породы, у которых содержание глинистых частиц превышает 30 %. Встречаются глины, об-

ладающие высокой дисперсностью, у них количество глинистых частиц может достигать 60 % и более. Как правило, в глинах содержится много коллоидов. Среди глин преобладают полимине-ральные. Описанные выше особенности связных или глинистых грунтов выражены у глин особенно ярко.

Содержание глинистых частиц у суглинков меньше, чем у глин — около 10—30 %, в связи с этим количество коллоидов тоже не так велико. Мономинеральных разностей среди суглинков не встречается. Свойства, характерные для глинистых пород, выражены, естественно, в суглинках менее ярко.

Супеси содержат от 3 до 10 % глинистых частиц, вследствие чего по своим инженерно-геологическим свойствам они занимают как бы промежуточное положение между глинистыми и песчаными грунтами.

Глинистые грунты могут формироваться под воздействием различных природных процессов. В соответствии с этим при их подразделении в инженерно-геологических целях выделяют не только петрографические, но и генетические типы.

Каждый тип характеризуется присущими ему особенностями состава, структуры и текстуры глинистых толщ. Выделяют элювиальные, делювиальные, пролювиальные, аллювиальные, флю-виогляциальные, озерные, озерно-болотные, морские, моренные, эоловые супеси, суглинки и глины (кроме, пожалуй, эоловых глин). Глинистые породы являются одним из наиболее широко распространенных типов грунтов. Они встречаются среди отложений различного возраста, начиная с кембрия и кончая современными, по сути еще формирующимися образованиями. По мнению Л.Б. Рухина, глинистые породы составляют не менее 60 % общего объема осадочных пород. Эти породы часто вовлекаются в сферу интересов инженеров-строителей и в связи с этим необходимо достаточно серьезное к ним отношение, с учетом того, что состав глинистых грунтов, структурно-текстурные особенности, а также строение слагаемых ими толщ определяются генезисом. Кроме того, ощутимое влияние на свойства глинистых грунтов оказывают их возраст и условия залегания.

Пески имеют чрезвычайно широкое распространение. Согласно данным Л.Б. Рухина, площадь, которая занята в СНГ песками, равняется примерно 2 млн км², из которых чуть меньше трети (600 тыс. км²) приходится на территорию Европейской части СНГ. Массивы песков Средней Азии и Казахстана имеют площадь около 1 млн км². Интенсивное использование песков в строительной практике в различных целях предопределяет необходимость тщательного их изучения. Песчаные породы открывают в нашем описании распространенную группу несвязных грун-

тов, не имеющих или почти не имеющих аналогичных глинистым грунтам связей между частицами и реализующие свои прочностные и деформационные характеристики за счет других особенностей своего внутреннего строения.

Состав, строение и свойства песков определяются, как и у всех пород, их генезисом. Установлено, что разные генетические типы песков имеют различное распространение: в Европейской части СНГ, включая страны Балтии, 51 % площади занимают аллювиальные пески, 24 % —водноледниковые, 11,3% —эоловые, 3,6 % — аллювиальные, 5—6 % — морские, 1,6 % — озерные, 1,5% — остальные типы.

Крупнообломочные породы представляют собой преимущественно обломки пород размером более 2 мм. Обломки эти несцемен-тированы и аналогичны во взаимодействии друг с другом песчаным грунтам, т. е. в них отсутствуют связи, характерные для глинистых грунтов и грунтов с жесткими кристаллизационными связями. Обломки пород, в основном определяющие свойства и поведение грунтов под сооружениями, могут иметь различный петрографический состав и различную форму, степень обработанное™, что, с одной стороны, определяется составом пород, а с другой (и это главное) — генезисом крупнообломочных пород (рис. 25).

? Инженерно-геологическая характеристика осадочных пород с жесткими связями. Обломочные сцементированные породы. Рыхлые обломочные породы в природных условиях могут подвергаться цементации за счет веществ, выделяющихся из циркулирующих в них водных растворов; в поры может вноситься («вмываться») пылеватый и глинистый материал. Кроме того, в них могут выпадать из растворов в осадок гипс, кальцит, кремнекислота, гидроксиды железа и другие соединения. Появление этих веществ в толще несцементированных обломочных грунтов приводит не только к увеличению плотности последних, но и вызывает образование проч-

а

а б

Р и с. 25. Формирование пористости зернистых пород различной морфологии:

а — угловатых; б — окатанных («кубическая установка»); в — окатанных различного размера

(«гексагональная упаковка»)

ных кристаллизационных связей между отдельными частицами вследствие цементации межчастичного пространства. В итоге в ходе геологической «жизни» несцементированные крупнообломочные породы и пески превращаются в конгломераты, брекчии, песчаники, т. е. в грунты с жесткими кристаллизационными связями. Обычно это происходит в зоне цементации, которая располагается в земной коре на некоторой глубине ниже зоны выветривания.

По взаимоотношению обломков (или зерен) и цементирующего вещества различают базальный, контактовый и поровый тип цемента. Наиболее прочны породы с базальным цементом, в котором обломки рассеяны в общей массе цементирующего вещества. Цементирующие вещества по своему составу могут быть кремнеземистыми, железистыми, известковыми и глинистыми. Наиболее прочным является кремнеземистый цемент, наименее прочным — глинистый. Наиболее широко распространены следующие типы сцементированных пород: конгломераты, брекчии, алевролиты и аргиллиты.

Обломочные сцементированные породы, как правило, терри-генные и их свойства обусловлены в большинстве случаев составом цементирующего вещества, его количеством и типом. Наиболее характерными цементами в терригенных породах являются кремнистый (кварцевый), железистый, карбонатный и глинистый. Реже встречаются породы, сцементированные гипсом, еще реже — имеющие в виде цемента галлоидные соединения.

Обломочные породы в зависимости от размера составляющих частиц могут быть подразделены на крупнообломочные сцементированные: конгломераты, гравелиты, реже брекчии; мелкообломочные сцементированные (песчаные), объединяющие крупно-, средне- и мелкозернистые песчаники.

Среди крупнообломочных сцементированных пород наиболее известны, описаны и изучены конгломераты (рис. 26). Они в об-щем-то и самые распространенные среди сцементированных пород. Мощные толщи конгломератов образовались в эпохи горообразования (при орогенезе).

Гравелиты в виде толщ значительной мощности и протяженности встречаются значительно реже, чем конгломераты, а чаще образуют пачки и прослои, переслаивающиеся с другими терри-генными породами. Гравелиты состоят из обломков алевролитов, песчаников, эффузивных или интрузивных пород гравийных размеров, сцементированных различного состава цементом. Состав и тип цемента определяют физико-механические свойства гравелитов. Они относительно легко выветриваются, при этом сначала выкрашиваются гравийные зерна, а затем порода распадается на обломки неправильной формы, образующие глыбовые осыпи, ку-румы и каменные потоки.

Рис. 26. Осадочная сцементированная порода — конгломерат

Песчаные сцементированные породы по величине составляющих их зерен и соотношению фракций различного размера частиц подразделяют на однородные (крупно-, средне-, мелко-, тонкозернистые) и разнозернистые. По минеральному составу преобладают песчаники полиминерального состава, плохо сортированные, с преимущественно слабоокатанными зернами. Встречаются также мезомиктовые, полимиктовые и олигомиктовые песчаники, но значительно реже. Цемент песчаников также может быть самым разнообразным как по составу, так и по типу (базальный, поро-вый, пленочный и т. д.). Все эти факторы по существу определяют физико-механические свойства песчаников и обусловливают значительное разнообразие этих свойств, что является достаточно характерным для этого типа осадочных пород.

Наибольшей прочностью, как установлено, обладают кварцевые песчаники с кремнистым или железистым цементом. Среднее значение их сопротивления сжатию, как правило, превышает 150—200 МПа. Наименее прочные песчаники, обычно сцементированные глинистым цементом, имеют прочность не более 1-2 МПа.

Определенное влияние на инженерно-геологические свойства песчаников оказывают состав песчаной фракции и размер песчаных зерен. Если мелкозернистые песчаники имеют прочность на сжатие в среднем 120 МПа, то среднезернистые—около 90 МПа. Играет также роль и возраст породы. Например, от древних пород

к молодым меняется характер цемента и увеличивается пористость, что, в свою очередь, снижает прочность. Однако известно, что среди достаточно молодых (например, меловых) песчаников Подмосковья встречаются прослои и линзы песчаников на кремнистом цементе, прочность которых превышает 200 МПа.

Большое разнообразие песчаников и их свойств требует тщательной инженерно-геологической оценки. Крепкие песчаники являются высокопрочными породами, устойчивыми к выветриванию, малосжимаемыми, слабоводопроницаемыми (фильтрующими воду исключительно по трещинам). Слабопрочные разности песчаников легко выветриваются, часто разрушаются до песков. Эти породы характеризуются водопроницаемостью по порам (кроме трещин) и являются неводостойкими образованиями.

Пылеватые и глинистые сцементированные и сильноуплотненные породы. Типичными представителями этих пород являются аргиллиты и алевролиты. Они образуются при «окаменении» песчано-пылеватых и глинистых пород вследствие их уплотнения, повышения температуры и кристаллизации коллоидов. Аргиллиты типичны для платформенных областей, где они залегают среди недислоцированных и неметаморфизованных пород. Алевролиты встречаются как в платформенных, так и в складчатых областях. Алевролиты из складчатых областей часто несут на себе следы метаморфизма.

Алевролиты и аргиллиты редко образуют однородные тела значительных размеров. Чаще всего они залегают прослоями в толще песчаных или песчано-карбонатных пород. В зависимости от гранулометрического состава они могут быть песчаными, пылеватыми или глинистыми (в данном случае это характеристика состава главных примесей). Характеристика состава является определяющей в оценке формирования физико-механических свойств описываемых пород, но тем не менее главнейшими факторами, сказывающимися на прочностных параметрах аргиллитов и алевролитов, являются тип и состав цемента. В зависимости от цемента алевролиты и аргиллиты образуют обширный ряд последовательных переходов от слабопрочных разностей, близких по своим свойствам к глинам, до окварцованных пород, среднее значение прочности которых превышает 100 МПа. В большинстве случаев алевролиты и аргиллиты в инженерно-геологической практике оцениваются как породы с худшими показателями, нежели песчаник. Объясняется это тем, что породы обладают выраженной слоистостью, особенно в тонкозернистых разностях, и вследствие этого значительной анизотропией свойств. По базальным поверхностям алевролиты и аргиллиты легко выветриваются, часто образуют подвижные осыпи на скло-

нах. Вместе с этим массивные разности алевролитов по своей прочности иногда приближаются к крепким песчаникам, а иногда и превосходят их.

Большое различие в показателях физико-механических свойств определяется широким диапазоном в изменении состава пород, их структуре, текстуре, характере цементационных связей, степени выветрелости. Описываемые породы практически всегда неморозостойкие, не выдерживают механического перемятая и размягчения, а также резких температурных колебаний и возникающих в связи с этим напряжений. Породы выветриваются исключительно быстро, чему способствует слоистая текстура, которая иногда еще усугубляется наличием слюдистых включений. Многие образцы, поднятые из скважин на поверхность, рассыпаются в труху, размокают в воде в течение первых суток, а при резких сменах температуры окружающего воздуха и еще быстрее — «на глазах» — в течение нескольких часов. Установлено также, что глинистые алевролиты по сравнению с песчаными обладают меньшей плотностью и соответственно большей пористостью. Наличие алевролитов и аргиллитов как слабых прослоев в массивах (слоистых толщах) терригенных пород существенно осложняет общую инженерно-геологическую обстановку, затрудняет проведение инженерных изысканий, требует длительного изучения слоистой толщи, в общем, отрицательно сказывается на инженерно-геологической их оценке в качестве оснований промышленно-гражданских и других сооружений.

Хемогенные породы образуются в результате выпадения из водных растворов химических осадков; процесс протекает в водах морей, континентальных усыхающих бассейнов, мелководных лагунах, заливах, соленых источниках и т. д. К этим породам относят различные известняки, известковый туф, доломит, ангидрит, гипс, каменную соль и др. Общей для пород особенностью является их растворимость в воде, трещиноватость. Наиболее же распространенными хемогенными породами являются все-таки известняки, которые по своему происхождению могут быть также обломочными, органогенными.

Органогенные (био-хемогенные) породы образуются в результате накопления и преобразования остатков животного мира и растений, отличаются значительной пористостью, многие растворяются в воде, обладают большой сжимаемостью. К органогенным породам относятся известняк-ракушечник (рис. 27), диатомит и др.

Кремнистые породы химического и биохимического происхождения встречены и описаны среди самых разновозрастных отложений. В составе мезозойских и частично палеозойских кремнистых пород преобладает такой минерал, как халцедон, а кайнозойские

Рис. 27. Органогенная осадочная порода — известняк-ракушечник

породы сложены в основном опалом. Приведенная общая минералогическая характеристика является отличительной чертой кремнистых пород данного генезиса.

Морские кремнистые породы довольно широко распространены в земной коре. В инженерно-геологической практике наиболее хорошо изучены опоки, особенно мелового и палеоген-неоге-нового периодов. Они встречаются в Среднем и Нижнем Поволжье, на восточном склоне Урала, в западной части Западно-Сибирской низменности и ряде других районов.

Опоки сложены тонкозернистым опалом, содержание которого достигает 85—90 %. Обычно в опоках почти отсутствуют частицы свыше 0,1 мм, а частиц, которые меньше этой величины, содержится более 70—80 %. Рядом промежуточных типов опоки связаны с глинистыми и песчаными породами.

Типичные опоки имеют желто-серый и светло-серый цвет, для плотных окремнелых разностей характерна более темная (темно-серая) окраска. Практически во всех разностях опок обнаруживается раковистый излом.

Общими инженерно-геологическими особенностями опок являются: 1) высокая пористость; 2) большая влагоемкость; 3) сравнительно высокая прочность в сухом и значительное ее падение при водонасыщении; 4) слабая морозоустойчивость.

Характерной чертой опок является именно их чрезвычайно слабая морозоустойчивость. Уже после 2—4 циклов попеременного замораживания и оттаивания образцы разрушаются. Это может быть объяснено лишь большой влагоемкостью опок (до 50—70 %). Кроме того, нужно отметить, что хотя поры в опоках открытые и сообщаются друг с другом, водопроницаемость опок

ничтожна (возникающий в опоках естественного сложения коэффициент фильтрации, равный 5 м/сут, связан исключительно с трещиноватостью пород массива).

Диатомиты и трепелы — также кремнистые породы. Инженерно-геологически они, как и опоки, изучены слабо, так как практически не используются в качестве оснований сооружений, хотя широко применяются в промышленности строительных материалов и других отраслях производства.

Карбонатные осадочные породы распространены довольно широко. Они встречаются практически в составе всех стратиграфических систем, например среди нижнепалеозойских отложений Сибирской платформы, в среднем и верхнем палеозое Русской платформы, в мезозое Крыма, Кавказа и Средней Азии. Инженерно-геологическому изучению карбонатных пород уделяется большое внимание не только потому, что они часто используются в качестве оснований и среды для многих сооружений, но и в связи с их способностью к карстованию. Детальное изучение за-карстованных массивов проводится при промышленно-гражданском, дорожном, гидротехническом и энергетическом строительстве (включая подземные сооружения), а также при разработке месторождений полезных ископаемых.

Среди карбонатных пород наиболее широко распространены известняки и доломиты, значительно реже встречается мел, хотя местами он образует значительные залежи. Помимо чистых разностей указанных пород описано большое число «смешанных» типов: различных мергелей, известковых песчаников и т. д.

Известняки, как правило, образуются в морских условиях и в зависимости от примесей (глинистых, битуминозных и др.), их структуры и текстуры обладают значительно разнящимися свойствами.

Наиболее прочными являются массивные мелкозернистые пе-рекристаллизованные окварцованные известняки. Сопротивление их сжатию в воздушно-сухом состоянии 100—240 МПа. В некоторых случаях после испытаний на морозостойкость прочность их значительно снижается и не превышает 70 МПа, что, главным образом, объясняется их микротрещиноватостью, существенно нарушающей внутреннюю структуру породы.

В различных стратиграфических системах отмечено широкое распространение битуминозных известняков. Обычно это микро-и мелкозернистые образования, хотя описаны и среднезернистые разности.

Прочность битуминозных известняков в воздушно-сухом состоянии составляет 75—90 МПа, при водонасыщении эта величи-

на практически не снижается. Аналогичная картина постоянства прочности отмечается и при испытании на морозостойкость.

Кристаллические известняки разнообразны по структуре: от мелкозернистых до крупнозернистых и даже брекчиевидных. Наиболее прочными, при оценке известняков по структуре, являются мелкозернистые разности (их временное сопротивление сжатию достигает 100 МПа). Прочность крупнозернистых известняков колеблется в большом диапазоне значений (75—25 МПа) и зависит как от структуры породы, так и от ее микротрещиноватости, которая имеет литогенетическое и тектоническое происхождение. Немалую отрицательную роль здесь играют микротрещины выветривания.

У брекчиевидных кристаллических известняков среднее значение предела прочности на сжатие редко превышает 25—30 МПа. Еще менее прочны известняки-ракушечники: их сопротивление сжатию редко превышает 2—3 МПа, а во многих случаях менее 1 МПа.

Наличие кремнистого материала сказывается положительно на прочностных и других характеристиках известняков, в то время как примесь глинистого материала (за исключением водопроницаемости) может играть отрицательную роль.

Прочность массивов, сложенных карбонатными породами, в основном определяется их трещиноватостью различного происхождения. Кроме тектонической трещиноватости, трещин первичной отдельности, по долинам рек массивы часто нарушены трещинами отседания. В отсевших блоках породы разбиты на отдельные глыбы густой сетью трещин.

Характер и интенсивность выветривания известняков во многом зависят от их структурных и текстурных особенностей. Наиболее стойкими к выветриванию являются массивные мелкозернистые окремневшие или окварцованные известняки, особенно же легко выветриваются плитчатые и рассланцованные разности. Аналогичная зависимость прослеживается и в процессе карстова-ния известняков.

Доломиты наряду с известняками являются широко распространенными породами карбонатного комплекса. Обычно это мелко- или среднекристаллические породы, гораздо реже встречаются крупнозернистые и брекчиевидные разности. Довольно часто доломиты содержат повышенное количество кальцита, а в отдельных случаях отмечена примесь глинистого материала. Доломиты обычно имеют высокие показатели физико-механических свойств.

Основным фактором, определяющим физико-механические свойства доломитов, является их микротрещиноватость, но нема-

ловажную роль в формировании свойств играет и состав доломитов. Так, известковые доломиты имеют прочность на сжатие 80 МПа, а глинистые — около 60 МПа, тогда как чистые разности пород без примесей всегда показывают прочность намного больше, чем 100 МПа.

Прочность доломитов естественным образом тесно связана с генезисом и со структурой породы.

Наиболее прочными являются перекристаллизованные и брекчиевидные разности (/^<110 МПа), затем пелитоморфные хемогенные и обломочные (/?с_Ж < 17...30 МПа), органогенные и мелоподобные разности (/?с_Ж = 3...12 МПа).

При фильтрации через доломиты сульфатных вод образуется вторичный кальцит, выщелачивание которого зачастую приводит к образованию доломитовой муки. Доломитовая мука залегает в виде линз или относительно выдержанных прослоев среди пермских и каменноугольных отложений и подробно изучена в Поволжье (район Самарской Луки). Доломитовая мука состоит в основном из доломита (87—99 %) и кальцита (13—1 %), размеры частиц которых в своей основной массе составляют 0,01—0,25 мм. В некоторых разностях содержание частиц размером 0,05—0,01 мм достигает 88 %. Часто присутствуют крупные частицы размером 5—7 мм. Естественная пористость породы очень высокая — до 33—54 %. Доломитовая мука не пластична. Отдельные ее «участки» слабо-сцементированы вторичным кальцитом. Главные физико-механические свойства доломитовой муки во многом сходны со свойствами тонкозернистых песчаных грунтов. Водопроницаемость же доломитовой муки очень мала. Это, по-видимому, является одной из главных причин оплывания ее в фильтрующих откосах и бортах карьеров, а также возникающей в ее толще механической суффозии, особенно когда слабоуплотненная доломитовая мука выполняет открытые сообщающиеся трещины.

Одной из очень интересных карбонатных пород является мергель. Это известково-глинистая порода, у которой глинистые частицы сцементированы карбонатным материалом. Распределение глинистого и карбонатного вещества в мергеле чаще всего равномерное. Мергель и мергелистые породы встречаются в отложениях всех стратиграфических систем. Обычно под мергелем понимают такую породу, у которой содержание СаС0₃ колеблется в пределах 25—30 %. При большем содержании СаС0₃ порода получает название мергелистый известняк, а при меньшем — глинистый мергель. Эти типы пород связывают мергель, с одной стороны, с известняками, а с другой — с глинами. Мергели характеризуются различными свойствами, которые должны учиты-

ваться в конкретной обстановке (на участке исследований для проектирования и строительства основания сооружения).

Мергель способен набухать благодаря содержащемуся в нем глинистому веществу, при этом все мелкие трещины, по которым возможна циркуляция воды, закрываются и тем самым прекращается фильтрация воды сквозь мергелистые толщи. Набухание мергелей, равно как и другие их инженерно-геологические свойства, зависят главным образом от соотношения в породе карбонатной и глинистой составляющих.

Физико-механические свойства мергелей в связи с содержанием карбонатов и степени их дисперсности определяются в очень широком диапазоне изменения. На природных склонах и откосах искусственных выемок мергели быстро выветриваются, разрушаются, формируя весьма подвижные плитчатые осыпи.

Немаловажной особенностью мергелей, обусловленной уникальностью их состава (карбонаты + глина), является (практически без дополнительного обогащения) возможность использования их в качестве природного сырья для производства цемента. Так, мергели карбонатного флиша Цемесской бухты Черного моря служат сырьем для знаменитых новороссийских цементных заводов.

Своеобразной породой карбонатного состава является белый писчий мел. Кроме мела описано значительное число мелоподобных пород. Мел и мелоподобные породы встречаются в России редко, преимущественно в бассейне Дона и в Нижнем Поволжье и приурочены к отложениям верхнемелового возраста.

Мел является органо-хемогенной породой, сформировавшейся в особых условиях, когда одновременно с наличием известкови-стых остатков организмов шло выделение из воды неорганического кальцита. Однородность мела весьма высока, а содержание кальцита всегда больше 90 % (92—97 %).

В сухом состоянии мел представляет собой плотную породу, в водонасыщенном обладает довольно мягкой консистенцией и растирается руками до отдельных мельчайших частиц. Общий состав частиц: размером 0,05—0,005 мм — 80 % (трехсуточное отстаивание суспензии мела давало полное оседание и при этом жидкость в стеклянном цилиндре над осадком была совершенно прозрачной); 0,001—0,005 мм —не более 3 %; крупнее 0,05 мм — 15 %, причем преобладают частицы, имеющие размер 0,05—0,1 мм; более 1 мм — нет.

Мел имеет значительную пористость и трещиноватость. При отсутствии трещин водопроницаемость меловых толщ очень мала, при наличии трещин пористость от 30—32 % до 52—54 % — наименьшей пористостью обладают образцы с повышенным содержанием терригенного материала.

Прочность мела изменяется в значительных пределах в зависимости от его состава, пористости и влажности. Благодаря слабой цементации и большой влагоемкости мел имеет очень низкую морозоустойчивость. При инженерно-геологической оценке массивов, сложенных писчим мелом, необходимо детально изучать текстуру породы, ее консистенцию, а также возможность механической суффозии по трещинам.

Писчий мел и мелоподобные породы обладают значительной водоудерживающей способностью, а также не выдерживают перемятая, особенно во влажном состоянии, что затрудняет проходимость транспорта во вскрытых в мелах строительных котлованах и карьерах по добыче писчего мела — важного полезного ископаемого, используемого в промышленности строительных материалов.

Сульфатные галоидные породы образуют самостоятельные крупные тела преимущественно в районах передовых прогибов. В других же образованиях они присутствуют в виде линз, прослоев, цемента в доломитовых толщах или в лагунно-континентальных терригенных отложениях.

Гипс, как типичный представитель сульфатных отложений, часто встречается вместе с ангидритом. Ангидрит (СаБОД в соприкосновении с водой легко гидратируется и переходит в гипс (Са80₄-2Н₂0). Этот переход сопровождается значительным увеличением объема, с которым, в свою очередь, часто связаны деформации гипсовых толщ и соответственно они сказываются и на расположенных на этих отложениях основаниях сооружений. Деформации проявляются не только в самой породе, но и сказываются на соседних породах и проявляются в кровле слоистой толщи. Это обстоятельство следует учитывать при назначении программы инженерно-геологических изысканий. Чаще всего в инженерно-строительной практике приходится оценивать и изучать не отдельные пласты сульфатов, а их включения и линзы, встречающиеся среди доломитов, морских глин и других пород. При этом большое значение имеет правильная оценка процессов выщелачивания, которые не только существуют, но и могут возникнуть в породах в процессе эксплуатации инженерного сооружения.

Попутно заметим, что растворимость гипса 2—7 г/л, что само по себе уже требует значительного внимания к возможным процессам химической суффозии и карста, и вызывает необходимость тщательных гидрогеологических исследований гипсовых толщ.

Некоторые разности ангидритов, особенно мелкокристаллические, характеризуются высокими показателями прочности. Природа прочности сульфатных пород слабо изучена и требует тща-

тельного специального исследования для каждого конкретного случая использования их в строительной практике. Гипсы и ангидриты являются ценными полезными ископаемыми.

Среди галоидных солей, встречающихся в природе в виде горных пород, наибольшее распространение имеет каменная соль, практически нацело выполненная галитом (NaCI). Достаточно известны также сильвин (КС1), сильвинит (КС1 • NaCI) и карналлит (КС1 • MgCl • 6Н₂0).

Выпадение галоидов из перенасыщенных растворов происходит в обстановке либо замкнутых континентальных озер и реликтовых морей-озер, либо в обстановке морских краевых лагун, имеющих затрудненную связь с открытым морем.

Соляные месторождения достигают громадной мощности и часто отличаются друг от друга своеобразными признаками. Примером может служить Соликамское месторождение каменных солей, в котором при прохождении снизу вверх по разрезу отмечается следующая смена солей: каменная соль, сильвинит,

карналлит. Возможность использования галоидных пород в инженерно-строительных целях весьма ограничена, так как они сильно растворимы в воде. Величина их растворимости превышает 100 г/л. Это обстоятельство играет еще более отрицательную роль в тех случаях, когда галоидные породы встречаются в виде прослоев, линз или рассеяны в других породах. Наличие растворимой составляющей в этих породах существенно снижает их инженерно-геологические характеристики.

Галоидные породы, в первую очередь, имеют колоссальное значение как очень ценные полезные ископаемые для различных отраслей химического производства.

Органогенные породы образуются в результате накопления и преобразования остатков животного мира (зоогенные) и растений (фитогенные). Зоогенные — известняк-ракушечник, мел и другие, а фитогенные — трепел, опока, торф и др. Органогенные породы отличаются значительной пористостью, например торф. К этой группе пород относят каменный уголь, нефть, асфальты и др.

Диатомит — слабосцементированная, очень пористая порода белого, светло-серого или желтовато-серого цвета, состоящая из скелетов морских и озерных диатомовых водорослей. Всегда содержит примесь глинистого материала. Общее содержание кремнезема 80—95 %.

Трепел — сходен с диатомитом, но отличается малым содержанием неизмененных органических остатков. Легкая, землистого облика порода. Состоит из опала с примесью глинистых частиц. Окраска белая, светло-серая, реже бурая, черная. Объемный в^с 250-1000 кг/м³.

Диатомиты и трепелы залегают слоями и сходны по всем свойствам. Обладают огнеупорными, кислостойкими, звуко- и теплоизоляционными свойствами, являются сырьем для производства цементов, кирпича и т. д.

Опока — твердая, реже мягкая пористая порода с содержанием до 10 % кремнистых остатков водорослей и других организмов, а также примесей глинистого материала, кварца и др. Цвет желтый, темно-серый, черный; легкая, хрупкая. Опока внешне похожа на мергель, залегает пластами.

Торф — своеобразная, геологически относительно молодая, не прошедшая стадии диагенеза, фитогенная горная порода, образующаяся в результате отмирания и разложения болотной растительности в условиях избыточного увлажнения и недостаточного доступа кислорода. По внешнему виду торф обычно представляет собой очень сильно увлажненную волокнистую (при малой степени разложения) или пластичную (при высокой степени разложения) массу. Эта масса в зависимости от содержания гумуса бывает или светло-коричневой, или почти черной. Сухое вещество торфа состоит из неразложившихся растительных остатков — растительного волокна, продуктов их разложения — гумуса и минеральных веществ — золы. Содержание минеральной составляющей — золы — не превышает, как правило, 40 %.

Лессовые породы относятся к числу очень распространенных пород, которые встречаются на всех континентах, но особенно широко в Европе, Азии и Америке. Общая площадь, занятая лессовыми породами на земном шаре, равна примерно 13 млн км². В тропических и субтропических областях Земли лессовые породы не встречены, равно как и в северных, и южных районах, где имеют сплошное распространение вечномерзлые породы. В границах бывшего СССР лессовые породы занимают примерно 14 % континентальной части, т. е. около 3,3 млн км². Они лежат почти сплошным покровом на большей части Украины, на юге Европейской части России, широко распространены в Средней Азии, Закавказье, Западной Сибири, слагают значительные массивы в Беларуси, Якутии и многих других районах.

Лессовые породы встречаются как на равнинах, так и в горных районах. В пределах низменных равнин они имеют почти сплошное распространение и характеризуются выраженным достаточно четко постоянством состава, окраски и строения в пределах однотипных элементов рельефа. Мощность отложений, как правило, возрастает от первых надпойменных террас к водоразделам — в поймах лессовые породы всегда отсутствуют. Для предгорных и горных районов лессовые породы имеют невыдержанное по простиранию (по площади) распространение. Лессовые

породы здесь отличаются многообразием генетических типов. В отложениях четко прослеживается проявление вертикальной зональности.

По условиям залегания лессовые породы повсеместно занимают покровное положение. Между лессовыми и подстилающими породами может наблюдаться как четко выраженная граница, так и постепенный переход.

Для лессовых пород и их толщ можно выделить следующие общие особенности:

• • отсутствие слоистости практически во всех описанных случаях;
• • изменение окраски от светло-палевой до шоколадной вниз по разрезу;
• • наличие в лессовых породах: погребенных почв и гумусированных прослоев; прослоев песка и гравийно-галечных образований; прослоев вулканических пеплов; пустот биогенного происхождения; горизонтов конкреций карбонатов; столбчатой отдельности в верхней части толщ.

До сих пор нет единого мнения специалистов по генезису лессов: разные ученые высказывают весьма различные, часто резко противоположные точки зрения на происхождение лессов и лессовидных пород. Называют и эоловый, и морской, и аллювиальный, и пролювиальный, элювиальный (выветривание) генезис. Иногда даже связывают происхождение лессов с континентальным оледенением. Вопрос о генезисе может быть решен, по нашему мнению, только на основе комплексного изучения состава и строения лессов и их толщ с учетом такого подхода, как поли-генетичность лессовых пород, когда эти породы многократно пе-реоткладывались различными способами в разной обстановке от эоловой до морской и (или) в обратном порядке.

По гранулометрическому составу лессовые породы характеризуются значительным разнообразием. Они включают различные разности по крупности, начиная от пылеватых песков до лессовидных глин. Но для всех гранулометрических разностей отмечено наличие практически всегда пылеватых частиц, содержание которых превышает 50 % по отношению к другим фракциям. Наиболее однородными являются собственно лессы (в них содержится не более 15—16% глинистых частиц и практически отсутствуют частицы размером более 0,25 мм).

В природных условиях лессовые породы отличаются тем, что частицы в них находятся в агрегированном состоянии. Высокая истинная дисперсность, выраженная в преимущественном преобладании пылеватых частиц, сильная агрегированность глинистых и коллоидных частиц, наличие кальцита в значительных количествах создают благоприятные условия для развития в лессовых

породах просадочных явлений, которые во многом являются своего рода отличительной чертой лессовых пород в инженерно-геологическом отношении.

Лессовые породы — это полиминеральные образования. В состав крупных фракций входит до 50 наименований минералов, из них примерно 10—15 минералов — главные породообразующие. Почти на 90 % минералы представлены так называемой легкой фракцией (плотность частиц менее 2,75 г/см³), главная роль в которой отведена кварцу и полевым шпатам, затем следуют карбонаты (кальцит — в среднем 15 %), слюды, гипс и другие минералы. Тяжелая фракция (плотность частиц более 2,75 г/см³) минералов насчитывает порядка 30 минералов. Для крупных фракций лессовых пород, несмотря на их полиминеральность, характерно удивительное сходство минеральных ассоциаций в разных изученных образцах, отобранных в различных, часто достаточно удаленных друг от друга районах. Это сходство минеральных ассоциаций выражается как в качественном, так и в количественном наличии и соотношении минералов. Все лессовые породы имеют примерно одинаковый состав главных породообразующих минералов, такое же сходство отмечено и во второстепенных минералах, что имеет важное значение в формировании инженерно-геологических свойств пород.

В тонкодисперсных фракциях лессовых пород встречается до 25 коллоидно-дисперсных минералов. Однако это не значит, что они присутствуют в породах все вместе, обычно они группируются по 7—12 представителей. Среди этих минералов наиболее распространенными являются гидрослюды, кварц, монтмориллонит и каолинит. Каждая гранулометрическая фракция лессов имеет достаточно постоянную минералогическую ассоциацию.

Наряду с минеральными частицами в лессах присутствует гумус (до 12 %). Больше всего гумуса содержится в прослоях погребенных почв. Нужно отметить, что повышенное содержание гумуса снижает просадочные свойства грунтов.

Одной из наиболее характерных черт лессов является их кар-бонатность. Наиболее типичный представитель карбонатов в лессах — кальцит.

Карбонаты содержатся в разных количествах в лессах различной географической принадлежности. Для лессов Европейской части России содержание карбонатов колеблется от 0,1 до 20%, для Западной Европы — от 0 до 35 %, для Средней Азии — от 15 до 25 %.

Прочность лессовых пород во многом обусловлена количественным содержанием карбонатов, так как высокодисперсные карбонаты способны к созданию достаточно прочных слабораст-

воримых кристаллизационных связей между отдельными частицами породы. Кроме того, наличие ионов кальция способствует агрегации глинистой и коллоидной фракций.

Установлено, что просадочность лессов очень тесно связана с содержанием водно-растворимых соединений в них: чем больше этих соединений, тем больше просадочность.

Естественная влажность лессовых пород лежит в большом диапазоне: 1—39 %, но наиболее часто этот диапазон составляет 3—25 %. Естественная влажность и просадочность связаны между собой: обычно просадочные лессы имеют низкую естественную влажность.

Лессовые породы, являющиеся полидисперсными глинисто-пылеватыми полиминеральными образованиями, характеризуются наличием сложной системы связей между составляющими их частицами. Эта система связей является определяющей в формировании всего комплекса инженерно-геологических свойств лессов.

Суммарная пористость, тесно увязанная с указанными структурными связями, обычно очень велика в лессах, ее диапазон составляет 30—64 % (чаще 44—50 %). Просадочные лессы практически всегда имеют несколько более высокие против средних значения пористости. Пористость способствует просадочности при смачивании лессов.

Важным фактором в проявлении просадочных свойств является микроструктура лессов. Например, установлено, чем ближе друг к другу располагаются песчаные и пылеватые частицы, чем меньше толщина глинистых пленок между ними, тем выше просадочность лессовых пород.

Рассматривая свойства лессовых пород, необходимо иметь в виду, что лессовые образования, являющиеся, как уже отмечалось, полидисперсными, полиминеральными образованиями с различными типами структур, формируются в результате различных генетических, диагенетических и эпигенетических процессов. Большое разнообразие факторов, действующих в условиях континентальной поверхности, неизбежно приводит к различиям лессовых пород как по составу, строению, так и по их инженерно-геологическим свойствам. Именно поэтому лессовые породы одного и того же генезиса в разной климатической обстановке могут иметь разные инженерно-геологические свойства. В районах с одинаковыми климатическими условиями различные генетические типы лессовых пород обладают неодинаковыми свойствами.

Приведем некоторые общие физические характеристики лессовых пород: плотность частиц — 2,54—2,84 г/см³, плотность — 1,33—2,03 г/см³, плотность скелета — 1,12—1,79 г/см³. Лессовые

породы обычно обладают невысокой пластичностью: число пластичности у чистых лессов меняется от 4 до 10 %, у лессовидных глин соответственно 25—30 %.

Одним из наиболее характерных признаков лессовых пород является их низкая водопрочность. Она выражается в их быстром размокании и значительной размываемости, что часто фактически определяет оврагообразование в лессовых толщах.

Водопроницаемость лессовых пород изменяется в широких пределах: коэффициент фильтрации может быть и 0,001 и

8,5 м/сут. Все зависит от конкретного состава, строения и условий залегания лессовых пород. В лессовых породах отмечена фильтрационная анизотропия, невзирая на отсутствие видимой слоистости (не имеются в виду отмеченные выше различные типичные горизонты в лессах).

Сжимаемость лессовых пород изменяется в широких пределах (модуль общей деформации в средних значениях лежит в диапазоне 2—52 МПа). Лессы и лессовидные грунты, имеющие небольшую естественную влажность, обладают незначительной сжимаемостью. Увеличение влажности, а тем более насыщение пород водой резко снижают их сопротивление сжатию.

Сопротивление сдвигу лессовых пород определяется, главным образом (не отрицая значения других факторов), их физическим состоянием: в сухом состоянии эта величина значительна, при увлажнении породы она естественным образом снижается.

Просадочностъ — типичное свойство лессовых пород. Она выражается в способности лессов и лессовидных пород уменьшать под нагрузкой свой объем при увлажнении, вследствие чего происходит опускание поверхности земли, называемое просадкой. Различают собственно просадки лессовых толщ и дополнительные осадки сооружений при замачивании пород.

Не рассматривая подробно сущность явления просадки, отметим лишь, что просадочность, как свойство, является по существу способностью лессовых пород к доуплотнению, поэтому некоторые специалисты выделяют просадки в рыхлых пылеватых песках. Весомую роль в исследовании сути просадки лессовых пород сыграл профессор Н.Я. Денисов, который создал одну из наиболее правдоподобных схем явления просадки и всех происходящих процессов, его сопровождающих.

Просадочность лессовых пород проявляется как в природной обстановке (так называемые степные блюдца — значительные в диаметре понижения на поверхности земли глубиной 0,8—1,0 м в степных районах при распространении в них лессовых, склонных к просадкам пород), так и при воздействии человека (примеров описания фактов просадок можно привести множество, но доста-

точно напомнить «Атоммаш» в. Волгодонске). Назовем те бесспорные факторы, которые характеризуют явление просадки и формируют просадочность лессовых пород:

• • высокая пористость и малая влажность до момента просадки;
• • после просадки величина их пористости значительно уменьшается, а степень влажности (или водонасыщенности) увеличивается;
• • малая гидрофильность;
• • несколько повышенное содержание легководорастворимых солей, которые располагаются на контактах между частицами и придают дополнительную связность.

Кратко явление просадки можно изложить следующим образом: вода, попадая в недоуплотненную лессовую породу с большой пористостью, размягчает и частично растворяет соли на контакте между частицами, благодаря чему связи между частицами нарушаются. Частицы приобретают возможность перемещения в иные (новые) положения равновесия при данном внешнем давлении, а это как раз и вызывает изменение (уменьшение) объема породы и просадку поверхности земли над толщей этой породы.

Почвы. Собственно почвы как природные образования не являются предметом изучения инженерной геологии. Это задачи почвоведения. Но в силу того что почвы довольно часто вовлекаются в сферу строительной деятельности человека и могут служить основанием, средой или материалом для возведения сооружений, согласно инженерно-геологическим понятиям, они являются грунтами.

На наш взгляд, наилучшим является определение почв, данное основоположником мирового почвоведения В. В. Докучаевым: «Почвой следует называть «дневные» или наружные горизонты горных пород (все равно каких), естественно измененные совместным влиянием воды, воздуха и различного рода организмов, живых или мертвых». Значительный вклад в изучение почв внес великий русский ученый В.Р. Вильямс.

Гений современной науки В.И. Вернадский выполнил значительные работы в области геохимии почв как составной части биосферы и неживой природы одновременно. Им была по существу высказана мысль о том, что почвы — это переходная грань между живой и неживой природой, настолько в них все переплетено различными взаимодействиями органических и неорганических соединений, соприкосновением живого и неживого.

Своеобразие состава и энергетического состояния почвы позволяет рассматривать ее как особое природное образование, инженерно-геологические особенности которого отличны от особенностей подстилающих почву горных пород. В первую очередь

это своеобразие выражается в том, что неорганическое минеральное вещество настолько тесно связано с органическим, что удаление того или иного ведет к разрушению почвы как природного образования, как самостоятельного тела. Поэтому изучение почв в любых целях должно (и возможно) только в указанном единстве органического и неорганического. Эту главную особенность почв необходимо учитывать, когда почвы приходится использовать в качестве грунтов при строительстве аэродромов, железных дорог и других инженерных сооружений.

Мощность по отношению ко всей зоне выветривания, которую почва обычно покрывает, невелика — не более 1,5—2,0 м и очень редко 5—7 м.

При характеристике почв как грунтов в первую очередь следует учитывать некоторые общие их особенности, которые свойственны всем без исключения типам почв:

• • своеобразие состава, выражающееся в высокой дисперсности как минеральной, так и органической составляющей и их глубоком взаимопроникновении и взаимовлиянии;
• • четко выраженные генетические горизонты в вертикальном разрезе (профиле);
• • ярко выраженная макроструктура.

Рассмотрим главные составные части почв. Минеральная составляющая в песчаной и пылеватой фракциях представлена главным образом кварцем, полевыми шпатами, слюдами и иногда другими минералами, в глинистой фракции — практически всегда монтмориллонитом, бейделитом, нонтронитом, каолинитом, галлуазитом, встречены вторичные образования диоксида кремния и оксидов железа. Важное значение имеют простые соли в твердом состоянии, содержание которых колеблется от долей процента до десятков процентов. Часть этих солей растворима в воде и может мигрировать по веществу почвы. Кроме простых солей в почвах выделены и сложные соединения в виде комплексных соединений. Они также могут быть растворимы в воде и мигрировать по веществу почв. Наряду с этим простые соли и другие неорганические соединения, имеющиеся в веществе почвы, также способны к перемещению по нему. Наличие простых солей, особенно в значительных количествах, оказывает влияние на такую инженерно-геологическую особенность почв, как агрессивность почв по отношению к строительным материалам. Воздействие на стройматериалы и конструкции других неорганических соединений пока описано лишь в качественном выражении.

Органическая часть почв — гумус содержится в почвах от долей процента до 20—22 % по массе. Он является сложным, относите-

льно устойчивым комплексом органических соединений, в составе которого большую роль играют специфические высокомолекулярные органические кислоты, образующиеся при разложении растительных и животных осадков в условиях недостатка кислорода в ходе сложнейших биохимических реакций. Как правило, это гуми-новые и другие близкие к ним кислоты. Все эти соединения, а также часть минеральной составляющей находятся в коллоидном состоянии. Собственно гумус есть то самое проявление единства живого и неживого, органического и неорганического.

Коллоидная природа почвенного гумуса определяет его высокую обменную способность, большую гидрофильность и клеющую способность, что существенно сказывается на инженерно-геологических особенностях почв, в целом же его наличие ухудшает инженерно-геологические свойства почв и в то же время существенно увеличивает их плодородие и ценность.

Важное значение имеют состав и особенно концентрация почвенного раствора, а также состав поровых вод в нижележащих материнских породах, которые определяют состав обменных катионов в почвах.

Прочность почв очень сильно зависит от характера их микроструктуры. Испытания образцов почв показали, что /?с_Ж в среднем лежит в диапазоне 2—6 МПа. Макроструктура в значительной мере определяет степень водопроницаемости почв, их капиллярные «способности».

Краткая инженерно-геологическая характеристика различных типов почв:

• • тундровые почвы обладают крайне неудовлетворительными инженерно-геологическими свойствами: не могут быть использованы в качестве естественных оснований сооружений, так как обладают ничтожной несущей способностью, при промерзании в них развивается интенсивное пучение, обладают чрезвычайно низкой водоотдачей, проявляют четко выраженные тиксотропные свойства и при динамических воздействиях переходят в плывунное состояние, имеют огромную «экологическую уязвимость», практически невосстановимы в пределах времени существования человеческого общества;
• • подзолистые и дерново-подзолистые почвы в инженерно-геологическом отношении могут обладать благоприятными свойствами, но в зависимости от степени их дисперсности. «Наилучшими» в этом смысле являются почвы супесчаного и песчаного состава. В силу малого количества гумуса в этих почвах они «экологически уязвимы» с точки зрения сохранения их плодородия;
• • болотные почвы являются крайне неудовлетворительными грунтами, «экологически уязвимы»;
• • серые лесные почвы содержат большое количество органики, глинистых и коллоидных частиц и близки по свойствам к черноземам;
• • черноземные почвы, или черноземы, весьма богаты гумусом (до 22%), обладают высокой влагоемкостью, набухаемостью, липкостью; в сухом состоянии держат вертикальные стенки, а при увлажнении оплывают, плохо отдают воду, труднопроходимы, легко размываются и размокают; в силу высокой степени плодородности и ценности не могут и не должны быть использованы как грунты; «экологически уязвимы»;
• • черноземовидные почвы по инженерно-геологическим свойствам очень близки к черноземам, «экологически уязвимы»;
• • каштановые, или бурые, почвы содержат меньше гумуса, чем черноземы; в составе имеют гипс и другие водорастворимые соли; в целом при размокании схожи с черноземами, но быстро отдают воду; так же как черноземы, имеют экологическую ценность;
• • сероземные почвы характеризуются очень высоким содержанием пылеватых частиц, сильно размокают, труднопроходимы для транспорта, в бортах выемок при увлажнении оплывают, склонны к засолению при неправильном орошении, «экологически уязвимы»;
• • красноземы обогащены гидратами оксида железа и алюминия и содержат небольшое количество гумуса. В инженерно-геологическом отношении в России большого значения не имеют в силу малого распространения, «экологически уязвимы»;
• • засоленные почвы по инженерно-геологическим свойствам достаточно различны. Многие из них являются агрессивными грунтами по отношению к строительным материалам, в сухом состоянии обладают значительной плотностью и прочностью, но при увлажнении размокают, их коллоиды переходят в раствор, что ведет к образованию из них глубокой, очень липкой непроходимой грязи (размокший солонец подсыхает медленно), некоторые их разности практически никогда не просыхают в безморозный период; использование засоленных почв как материала для насыпей невозможно, так как они значительно снижают их прочностные и деформационные характеристики.

Искусственные грунты. В настоящее время под искусственными грунтами понимают горные породы и почвы, которые сознательно изменены человеком при решении различных инженерных задач или подверглись изменениям при производственной или другой хозяйственной деятельности людей, в том числе в виде отходов производства и потребления, т. е. нецеленаправленно.

В первом случае человек прогнозирует и создает те или иные свойства грунтов в соответствии с решаемыми задачами. Для

этого разрабатываются специальные технологии и методы, оборудование и механизмы для получения грунтов с заданными характеристиками. К числу таких «обработанных» технологий относится гидромеханизация земляных работ.

Во втором случае человека «не интересует» то, что происходит или может произойти с грунтами или другими материалами, превращающимися в грунты, а все изменения в них он совершает попутно при решении других, часто весьма далеких от инженерно-геологических проблем задач.

Инженерно-геологические свойства искусственных грунтов определяются составом материнской породы или характером поступающего в грунтовую среду материала, а также способом, длительностью, интенсивностью воздействия человека на материнскую породу или грунтовую среду с поступившим в нее материалом.

По своему петрографическому составу искусственные грунты представляют собой удивительное разнообразие, что вызвано множеством факторов их образования.

По процессам своего образования искусственные грунты могут быть подразделены на следующие виды:

• • любые (все) виды грунтов — источником их накопления является горно-техническая, инженерная, сельскохозяйственная и другая деятельность человека;
• • виды грунтов, образованные исключительно при горно-технической, инженерной и бытовой деятельности (кроме грунтов культурного слоя); в данном случае накопление грунтов происходит на специально отведенных сравнительно небольших по площади участках;
• • отвалы и свалки грунтов, отходов производства, строительного мусора и бытовых отбросов — накопление происходит, как правило, на выделенных локализованных участках, строение и характер изменчивости массивов не подчиняются никаким закономерностям;
• • шлаки, золы, шламы энергетической, металлургической и химической промышленности — по составу и свойствам отдельные виды грунтов не имеют аналогов среди природных образований и могут содержать компоненты, состав и концентрация которых опасны для окружающей среды и человека; обычно концентрируются на специально отведенных участках и предусматривают технологию складирования и утилизации;
• • все виды грунтов, кроме скальных, закрепленных в естественном залегании тем или иным способом или материалом, разработанным в технической мелиорации; грунты в данном случае часто находятся в нестабильном состоянии, в связи с чем их свойства

могут изменяться во времени за счет физико-химических и гравитационных процессов независимо от внешних воздействий и изменений окружающей среды;

• виды грунтов планомерно, целенаправленно образованные методами гидромеханизации или другими способами земляных работ (отсыпка, планировка участка, увлажнение, трамбование и т. д.) при создании земляных сооружений (дамб, плотин, оснований), искусственных территорий, планировке земной поверхности, складировании отходов горно-технической деятельности и производств; грунты, улучшенные в заданных пределах свойств в естественном залегании трамбованием, укаткой, осушением, взрывами, электроосмосом и другими способами технической мелиорации. Образование грунтов является управляемым, контролируемым на всех стадиях процессом. Грунты в конечном итоге должны соответствовать заранее разработанным пределам изменения состава, структуры, состояния и физико-механических свойств, а также прогнозу их изменения во времени.

В связи с тем что при проектировании и создании оснований промышленно-гражданских да и большинства других сооружений часто приходится иметь дело с искусственными грунтами, приведем некоторые характеристики их видов.

Культурный слой имеет чрезвычайно своеобразный состав, формирующийся в процессе его образования. Минералого-петрографический состав основной минеральной массы обусловлен чаще всего геологическими условиями местности, а состав включений определяется характером хозяйственно-культурной деятельности человека. В отличие от грунтов природного происхождения культурный слой всегда имеет неоднородность состава, которая незакономерна и отмечается как по вертикали, так и горизонтали. Культурный слой, как основание сооружений при огромных масштабах градостроительства, в результате урбанизации очень широко вовлекается в строительную практику. В связи со значительной неоднородностью и изменчивостью состава, строения, состояния и свойств его изучение требует чрезвычайной тщательности, и проблема строительства на нем весьма далека от завершающего решения. Культурный слой имеет большое историко-археологическое, а значит, и культурное значение. Многие проблемы, возникающие при изысканиях на свалках, отвалах строительного мусора, бытовых и производственных отходов, не изучены, однако установлено, что изменчивость и неоднородность их по составу, строению, состоянию и свойствам, как в отдельных образцах, так и в массивах, не подчиняются обычным для инженерно-геологической практики закономерностям и требуют разработки специальных методов, способов и приборов.

К насыпным строительным грунтам следует отнести в первую очередь грунты насыпей, автомобильных и железных дорог, плотин и дамб, кавальеров, а также широко распространяющихся в последнее время искусственных территорий и оснований. К насыпным промышленным грунтам относят выработанные, перемещенные и складированные горные породы, прошедшее переработку сырье горно-рудной и горно-обогатительной промышленности.

При строительстве автомобильных и железных дорог большие насыпи возводятся как из материала, получаемого из так называемых полезных («деловых») выемок, так и за счет материалов, доставляемых к месту строительства из специально закладываемых разрабатываемых карьеров или созданных резервов и кавальеров. Структура грунта в насыпях, водный и воздушный режимы будут заведомо отличаться от природного воздушного и водного режимов почв и горных пород данного района (района строительства сооружения). Даже простое перемещение грунта создает в нем необратимые изменения, поэтому можно поддержать специалистов, считающих искусственными почвогрунты, перемещенные при сельскохозяйственных работах и даже военных действиях. Сказанное во многом относится и к грунтам плотин и дамб, а также искусственных территорий и оснований. В этих грунтах могут произойти еще более глубокие изменения, особенно при фильтрации через них воды.

Добыча каменного угля, различных руд и других полезных ископаемых связана с выемкой больших объемов горных пород, выносом их на поверхность земли (кстати, это иногда происходит и в строительном деле при проходке больших котлованов, строительстве полуподземных и подземных сооружений, тоннелей различного назначения, метрополитенов, шахт и т. п.) и последующей их различной переработкой. В результате создается совершенно особый вид насыпных грунтов — выработанная порода. К этой же группе грунтов примыкают некоторые минеральные отходы промышленного производства и транспорта, в частности шлаки, которые, попадая на поверхность земной коры, становятся как бы составной ее частью. Все это в полной мере можно отнести и к отходам энергетики — золам и отходам химической промышленности — шламам, рассолам и др.

Инженерно-геологические свойства насыпных грунтов весьма разнообразны. Например, шлаки, у которых возникают жесткие связи при их остывании, широко используются в промышленности строительных материалов и могут найти применение как надежные основания для инженерных сооружений.

Сложнее обстоит дело с золами, где структурные особенности, а главное, особенности минерального состава и степени дисперсности, а также морфологии частиц во многом затрудняют процессы консолидации толщ грунтов, и решение вопроса о возможности использования их в качестве оснований сооружений (кроме редких случаев) остается проблематичным и требует еще дополнительного изучения.

Любые отходы химического производства (сухие, влажные, жидкие), которые в процессе своего существования в местах хранения могут превратиться в грунты и использоваться в качестве оснований сооружений, должны пройти тщательную экологическую экспертизу в связи с возможным своим активным воздействием как на человека, так и геологическую среду и другие компоненты природной среды, в частности биосферу.

Намывные грунты — это, как правило, грунты в возводимых целенаправленно сооружениях методами гидромеханизации — создание намывных территорий, площадок, оснований, аэродромов, плотин и дамб, иногда гидроотвалов, золошлакоотвалов, шламохранилищ. Возведение сооружений методом гидромеханизации заведомо предусматривает создание сооружений из грунтов с заданным составом, строением, состоянием и свойствами. Зачастую возведение сооружений с помощью гидромеханизации существенно улучшает свойства грунтов и решает многие проблемы с подготовкой оснований под сооружения в части, например, таких их важнейших свойств, как прочность и сжимаемость. Большинство искусственных оснований возводится из песчаных грунтов, которые, как известно, являются вполне благоприятными для строительной практики грунтами. Тем не менее, несмотря на значительный опыт плотиностроения из намывных грунтов, в вопросах формирования их свойств еще очень много нерешенных задач.

Несколько слов об «ухудшенных» грунтах. Образование грунтов с ухудшенными против природных грунтов свойствами происходит чаще всего вследствие производства строительных работ. К грунтам этой группы можно отнести: искусственно разрыхленные, искусственно переувлажненные и искусственно «выветре-лые». Естественно, что грунты с такими свойствами для использования в строительной практике приходится улучшать хотя бы до их естественного состояния.

К «улучшенным» грунтам относят грунты, состав и свойства которых изменены различными методами в связи с определенными потребностями, возникающими при производстве строительных работ.

Метаморфические горные породы

Происхождение метаморфических пород. На земной поверхности одним из важнейших процессов является процесс выветривания (разрушения горных пород). Глубже располагается зона цементации. В этой зоне рыхлые породы уплотняются, цементируются. Ниже этих зон, примерно с глубины 0,8 км и далее на многие километры, располагается зона метаморфизма.

Магматические и осадочные горные породы в процессе своего существования и в результате процессов внутренней динамики Земли могут попасть в такие участки земной коры, где температура, давление и химизм среды резко отличны от условий образования этих пород. На оказавшиеся в этой зоне горные породы кроме повышенного давления и температуры сильно воздействуют активные химические соединения, циркулирующие в земной коре. В новых условиях многие минералы вступают в реакции, образуя минеральные парагенезисы. При метаморфизме интенсивно изменяются первичный состав, строение и сложение пород. В целом под метаморфизмом горных пород понимают существенные изменения их минерального состава, структуры и текстуры, происходящие под воздействием эндогенных процессов в земной коре с сохранением твердого состояния породы, без расплавления или растворения. Достаточно редко, в особых условиях, процессы метаморфизма сопровождаются переплавлением исходной породы с вмещающими породами или без них, и в результате образуются ультраметаморфические породы.

Изменение минералов и горных пород вызывается воздействием основных факторов метаморфизма: температуры и давления с одновременным воздействием флюидов. Флюидами называют жидкие или газообразные компоненты магмы или циркулирующие в глубинах Земли насыщенные газами растворы. В их составе, как предполагается, преобладают пары воды, хлора, углекислоты и многих других элементов и соединений. Воздействие флюидов наиболее эффективно в связи с их способностью просачиваться сквозь горные породы. В результате метаморфизма изверженные и осадочные горные породы изменяют характеристики своего состава, меняют свою структуру и текстуру, а вследствие этого свойства; степень же и особенности этих изменений зависят от интенсивности, характера и продолжительности метаморфических процессов.

Петрографы выделяют несколько видов метаморфизма: катак-ластический, термальный и динамотермальный. Указанные виды метаморфизма корреспондируют с выделенными в генетической классификации горных пород группами метаморфических пород:

регионального, контактового и динамометаморфизма, так как последние больше характеризуют общие условия протекания процесса метаморфизма, а выделенные в петрографии виды акцентируют внимание на метаморфических факторах: давлении,

температуре или их совместном действии.

Катакластический метаморфизм по своему существу является дислокационным, поэтому для него часто и употребляют это название. Этот тип метаморфизма приурочен к участкам развития дизъюнктивных нарушений — дислокаций — типа сбросов и развит в их границах. Метаморфизм в данных условиях совершается при сравнительно небольших давлениях и довольно низкой температуре. Происходит дробление крепких минералов или их деформации. Эти изменения протекают и в первоначальных структуре и текстуре пород, и в результате происходит хрупкое разрушение минералов и их перемещение. Трещины в породе не возникают, происходит преобразование породы в результате пластических деформаций. Под влиянием таких деформаций возможны химические изменения пород, когда неустойчивые минералы растворяются, а устойчивые растут в определенных направлениях. Схема эта относительна и условна, так как в одних породах преобладают чисто пластические деформации, в других — это, в основном, микроразрывные деформации, в третьих — сочетание тех и других. В одних случаях возможна перекристаллизация (как в глинистых сланцах), в других она не наблюдается. Все вместе формирует самые разнообразные породы — от гранитоидов до тектонических брекчий, катаклазитов и милонитов.

При формировании термалъно-метаморфизованных пород главным фактором является температура, источник которой — магма. Под действием температуры на границах (контакте) интрузий образуются ореолы, сложенные особыми контактово-метаморфизо-ванными породами. Мощность зоны контактовых изменений бывает различной и главным образом зависит от двух факторов: состава и состояния вмещающих пород, температуры, состава и продолжительности воздействия магмы. Так, установлено, что в глинистых и мергелистых породах она значительно больше, чем в песчаниках или кварцитах. На контактах с ультраосновными и основными интрузиями ее мощность значительно меньше, чем на контактах с интрузиями кислых пород, например гранитов. Наиболее типичными породами термального метаморфизма являются контактовые роговики, скарны, породы кремнистого состава.

Динамотермальный метаморфизм дает самое большое разнообразие пород с очень широким их распространением в земной коре. В зависимости от условий протекания процесса различают региональный и локальный динамотермальный метаморфизм. Са-

мостоятельным видом регионального динамотермального метаморфизма является ультраметаморфизм. В каждом из этих видов метаморфизма сложный комплекс взаимодействия температур, стресса (разрядки напряжений), давления, иногда и флюидов приводит к формированию чрезвычайно широкого спектра метаморфических пород с весьма разнообразными физико-механическими свойствами.

В глубинных зонах складчатых областей региональный метаморфизм может сопровождаться переплавлением ряда пород (ультраметаморфизм) с образованием смешанных горных пород — мигматитов. Это очень сложные по структуре породы. Для многих из них характерны слойчатость, послойные и секущие складки. Большое разнообразие структур мигматитов обусловливает весьма различную их прочность, неоднородность свойств, повышенную (по сравнению с другими массивно-кристаллическими породами) вы-ветриваемость.

Метаморфические породы по внешнему виду и условиям залегания занимают промежуточное положение между магматическими и осадочными породами. По минеральному составу они ближе к магматическим породам. Типичными минералами являются слюды, кварц, хлорит, тальк.

Метаморфическим породам в целом присуща кристаллическая структура. Наиболее характерны следующие текстуры: сланцеватая — однообразное расположение (параллельно друг другу) пластинчатых минералов и полосчатая — обособление минеральных скоплений в форме полос, в виде слоев. Для пород типа кварцита характерны массивные текстуры.

Форма залегания. Метаморфические породы, возникшие из глубинных магматических пород, более или менее сохраняют их первоначальную форму залегания. При метаморфизации осадочных пород слоистость сильно деформируется. При контактном метаморфизме образуются своеобразные оболочки метаморфических пород, окружающих магматические породы. Динамометаморфизм образует мощные зоны смятия, возникают сложные складки. При региональном метаморфизме измененные осадочные породы часто сохраняют первичную слоистость.

В процессе движений земной коры метаморфические породы могут быть выведены на дневную поверхность и служить объектом строительной деятельности человека. Они являются хорошим скальным основанием для зданий и сооружений. При строительстве подземных сооружений сланцеватость оказывает неблагоприятное действие, так как по плоскостям сланцеватости возможны обвалы, особенно кровли горизонтальных подземных выработок. Породы чаще всего бывают трещиноватыми. Метаморфические

породы имеют различную прочность и стойкость к выветриванию во времени. Например, если кварциты в городских условиях начинают разрушаться через 200—400 лет, то мраморы уже через 20—130 лет.

Классификация метаморфических пород основана на структурных признаках и минеральном составе. Среди них выделяют породы:

• • массивные (зернистые) — кварцит, мрамор;
• • сланцеватые — гнейс и кристаллические сланцы различного минерального состава (рис. 28).

Физико-механические свойства метаморфических горных пород во многом очень близки к магматическим, что обусловлено наличием у них жестких, преимущественно кристаллизационных связей. Все метаморфические породы, равно как и магматические, не будучи измененными, имеют прочность, значительно превышающую нагрузки, обычно возникающие в строительной практике. В пределах реальных воздействий, создающихся при возведении на метаморфических породах даже очень «тяжелых» сооружений, эти породы деформируются как упругие тела. Метаморфические породы практически водонепроницаемы и за исключением карбонатно-доломитовых разностей не растворяются в воде. Деформируемость и фильтрация в массивах этих пород обусловлены исключительно трещиноватостью, а также зонами, затронутыми выветриванием. Вместе с тем метаморфические породы не являются полным аналогом магматических по свойствам, а имеют достаточно большие отличия, которые, в свою очередь, диктуются генезисом. Для большинства метаморфических пород характерна анизотропность свойств, обусловленная их слоистостью, сланцеватостью. Прочность на сжатие, сопротивление сдвигу, модуль упругости значительно ниже вдоль сланцеватости, чем перпендикулярно ей («вкрест» сланцеватости). Сланцеватостью определяются и значительная выветриваемость этих пород, а также пониженная устойчивость на природных склонах и в бортах искусственных выработок. Многие метаморфические породы образуют тонко-

Р и с. 28. Метаморфическая горная порода сланцеватой структуры — гнейс

плитчатые или листоватые весьма подвижные осыпи. Особенно ярко это проявляется у слабометаморфизованных пород, например у глинистых сланцев.

К породам, которые подверглись воздействию глубокого регионального метаморфизма и имеют наибольшее распространение, относятся гнейсы, кварциты, кристаллические сланцы. Несколько реже встречаются мраморы и мраморизованные известняки, обычно они приурочены к областям древней декембрийской складчатости, где слагают массивы больших размеров.

Физико-механические параметры гнейсов в зависимости от особенностей их состава, структуры и текстуры меняются в значительных пределах. При выветривании физико-механические свойства гнейсов изменяются особенно сильно. Наибольшей стойкостью обладают кварцевые гнейсы; полевошпатовые и био-титовые гнейсы выветриваются значительно интенсивнее, вплоть до того, что при испытании их на морозостойкость образцы могут распадаться на отдельные плитки. Некоторым гнейсам присуща своеобразная очковая текстура, которая, по мнению ряда специалистов, резко снижает их прочность.

Наиболее прочными и устойчивыми метаморфическими породами являются кварциты. Обычно они слагают отдельные массивы мощностью до 100 м и более или залегают в виде прослоев различной мощности в толще таких же высокометаморфизованных сланцев. Кварциты — это массивные породы различной зернистости, обладающие очень высокими прочностью, сопротивлением истиранию, твердостью. Их сопротивление сжатию, как правило, превышает 150—200 МПа. Пористость ничтожно мала, их водопогло-щение и водонасыщение составляют 0,2—0,3 %. Наличие жестких кристаллизационных связей между слагающими минеральными зернами, кроме того, приводит к исключительно высокой морозоустойчивости и слабой выветриваемости кварцитов.

Самое большое разнообразие физико-механических свойств наблюдается у кристаллических сланцев. От массивных метаморфических пород их отличает слоистость, сланцеватость, кливаж. Эти особенности вызывают резкую анизотропность их свойств, позволяющую раскалываться на тонкие, часто листоватые плитки. Сланцеватость и кливаж сланцев, особенно хлорит-серицито-вых и глинистых, способствуют соскальзыванию и оползанию их как на природных склонах, так и на откосах искусственных выемок. В зависимости от состава и степени метаморфизованности прочностные свойства сланцев изменяются в широких пределах: от нескольких десятков МПа у кристаллических до долей МПа у глинистых разностей.

Кристаллические сланцы биотитового, мусковитового, двуслюдяного, кварцево-слюдяного, амфибол-биотитового состава имеют прочность на сжатие (в средних значениях) в направлении, перпендикулярном сланцеватости, 120—160 МПа, при водо-насыщении — до 80—110 МПа, т. е. примерно на 30% ниже. Слагаемые этими породами массивы являются достаточно прочными с инженерно-геологической точки зрения, но, как правило, они сильно трещиноваты и поэтому сильноводопроницаемы. Наиболее легко выветриваются среди указанных пород сланцы, имеющие в своем составе биотит. Почти всегда в толще сланцев формируются «карманы» выветрелых пород мощностью до нескольких десятков метров.

Своеобразную группу метаморфических пород образуют так называемые «зеленые» сланцы — хлоритовые, хлорит-серицито-вые, тальк-хлоритовые. Они сравнительно устойчивы к воздействию химического выветривания, но легко разрушаются при периодическом промерзании и оттаивании. По прочности они уступают вышеописанным сланцам (/?с_Ж у сухих образцов в среднем 45—60 МПа, а у водонасыщенных она снижается до 25—30 МПа, т. е. почти вдвое). Наименее устойчивы к выветриванию глинистые сланцы. В воздушно-сухом состоянии они обладают значительной прочностью (20—40 МПа), но при водонасыщении довольно часто образцы просто разваливаются. Эти породы хорошо противостоят химическому выветриванию, а при воздействии таких факторов физического выветривания, как «замерзание — оттаивание», легко разрушаются, но в процессе физического выветривания на склонах глинистые сланцы образуют рыхлые, подвижные, труднопроходимые осыпи. Насыщение этих осыпей водой после сильных ливней приводит к формированию в горных районах селевых потоков.

Карбонатные метаморфические породы могут образовываться как при региональном, так и при контактовом метаморфизме, главным здесь является наличие среди факторов метаморфизма значительных температур и давлений. Наиболее характерной породой этой группы является мрамор — перекристаллизованный известняк, в котором между кристаллическими зернами имеется непосредственная связь. Как и у всех пород, структура и текстура мраморов диктуют их физические и механические свойства. В средних значениях временное сопротивление их сжатию составляет около 100 МПа. Приведем некоторые примеры. Среднезернистые массивные мраморы протерозойского возраста из бассейна р. Амур характеризуются прочностью на сжатие в среднем 115 МПа, которая после водонасыщения снижается до 80 МПа, а после испытаний на морозостойкость падает до 70 МПа. Вместе

с тем мелкозернистые доломитизированные мраморы достигали прочности 200 МПа. Причем отдельные образцы превышали эти значения, в то же время крупнозернистые «сахаровидные» разности мраморов имеют прочность, не превышающую 50—60 МПа. Отличительной чертой мраморов среди метаморфических пород является их, хотя и слабая, но растворимость в воде, которая содержит углекислоту. Это определяет значительно меньшую закар-стованность мраморных массивов, чем в толщах, сложенных известняками и доломитами. Мрамор довольно устойчив к «обычному», без «антропогенного дополнения», выветриванию, сохраняет крутые, вплоть до «отвесных», природные склоны.

Наиболее распространенной породой, образующейся при термальном контактовом метаморфизме, являются роговики. Для них характерна полная перекристаллизация исходного материала. Обычно это темные плотные породы, имеющие однородную «монотонную» структуру и мелкозернистую структуру. Чаще других встречаются кварц-биотит-полевошпатового состава породы, образовавшиеся по пелитовому материалу. С инженерно-геологической точки зрения роговики рассматриваются как весьма благоприятные основания для ответственных сооружений. Прочность их всегда значительно выше, чем у вмещающих пород, а от интрузивных пород их выгодно отличает меньшая трещиноватость и значительно большая однородность в массиве. Как известно, состав и строение пород определяют спектр изменения их физико-механических свойств. Установлено, например, что диапазон изменения прочности норильских роговиков равняется 60—150 МПа. Наиболее высокими показателями физико-механических свойств обладают тонко- и мелкозернистые разности, пониженные значения отмечены для неравномерно-зернистых пород с пористостью до 3,5 %. Все роговики устойчивы к выветриванию. Необходимо заметить, что на сложенных ими природных склонах формируются обвалы, курумы, крупнощебенистые осыпи.

Тектониты — породы, которые обычно не относят к классическим метаморфическим, — являются в то же время типичными представителями катакластического метаморфизма и включают в себя брекчии трения, катаклазиты, милониты. Это раздробленные, иногда перетертые породы различной степени цементации.

Брекчии трения состоят из различной величины обломков пород, как правило, необработанных, сцементированных тонкораздробленной массой тех же пород. Катаклазиты отличаются от брекчий трения меньшим размером обломков. Они характеризуют начальные стадии изменения пород. Катаклазиты сохраняют во многом черты исходного материала, поэтому соответственно и различают катаклазиты гранитов, катаклазиты габбро и др. В це-

лом эти породы еще сохраняют достаточно высокую прочность на раздавливание. Милониты характеризуются резко выраженной рассланцованностью, по существу, это микробрекчии (составные части милонитов распознаются только под микроскопом) грубо-или тонкополосчатой текстуры.

Все тектониты в условиях естественного залегания имеют достаточно высокую плотность. Это отнюдь не рыхлая рассыпающаяся масса, легко перетирающаяся руками. Но вполне очевидно, что их прочностные и деформационные характеристики должны быть хуже, чем у первичных пород — гранитов, песчаников, алевролитов, что и подтверждается испытаниями их на прочность и сжимаемость. Благодаря сланцеватой текстуре, наличию раздробленных прослойков, хлоритизации и серитизации первичных минералов, резко снижается сопротивление катакла-зированных пород сдвигу.

Обычно катаклазированные породы слагают маломощные зоны, приуроченные к таким дизъюнктивным дислокациям, как сбросы, надвиги и т. п. Катаклазированные породы интенсивно выветриваются, относительно легко размываются, поставляя материал, формирующий осыпи и способствующий развитию других склоновых процессов.

В общем случае тектониты можно рассматривать как ослабленные зоны скальных массивов и таким образом подходить к их оценке в качестве оснований сооружений. Так, глинистые тектонические брекчии являются слабыми породами и из оснований ответственных сооружений удаляются.

Технические каменные материалы

Происхождение этих материалов связано с технической деятельностью человека, в частности со строительным производством. Они в известной мере являются аналогами природных горных пород. Эти материалы изучает техническая петрография, которая является специальной отраслью классической геологической петрографии.

К техническим каменным материалам относятся керамические изделия: бетон, абразивы, стекла, различные огнеупоры (шамот, динас и др.), различные шлаки, цементы и др. (табл. 7). Большинство из них занимает важное место в строительстве и связано с производственной деятельностью инженеров-строите-лей. Главными задачами инженеров в исследовании технических камней является изучение их минерального состава и структур, знание химических, физических и физико-химических характеристик отдельных минералов, входящих в различные технические каменные материалы. Все это нужно использовать для установления свойств технических материалов и поисков новых материалов, необходимых для дальнейшего развития строительного производства.

Некоторые технические каменные материалы

Таблица 7

Происхождение искусственных технических камней (материалов).

По характеру процессов образования они во многом аналогичны природным процессам (генезису), в которых формируются минералы и горные породы. Так, шамот, фарфор, динас, керамика и цементный клинкер образуются примерно в таких же условиях, как метаморфические породы; доменные шлаки, глиноземистый цемент, различные стекла, абразивный корунд формируются как излившиеся (эффузивные) магматические породы, а бетон и сили-

катный кирпич — как сцементированные породы осадочного происхождения.

Химический состав. В большинстве случаев вышеперечисленные искусственные технические камни являются силикатными, что сближает их с магматическими и метаморфическими породами. В их составе присутствуют: Si0₂, ТЮ₂, А1₂0₃, Fe₂0₃, FeO, MgO, CaO, Na₂0, K₂0, BaO, MnO, PbO, S0₃. За исключением корундовых и магнезитовых материалов, резко отличающихся по химическому составу, в остальных технических камнях, так же как и в магматических породах, преобладают кремнезем или кремнезем с оксидом алюминия. В составе всех технических материалов отсутствует вода (за исключением бетона), отличительной чертой является совершенно необычное сочетание химических элементов, которое в горных породах не наблюдается. Например, шамот состоит из Si0₂ и А1₂0₃, а другие оксиды присутствуют в минимальном количестве. Доменные шлаки представляют собой сложный материал, состоящий из CaO, А1₂0₃, Si0₂.

Минеральный состав технических камней весьма своеобразен. С одной стороны, они содержат природные минералы (кварц, корунд, полевые шпаты, оливин), а с другой — группу искусственных минералов, которые в горных породах не встречаются (алит, белит, целит, муллит и др.). Минеральный состав и структуры некоторых технических материалов показаны в табл. 7.

Структура. Качество искусственных технических камней во многом зависит от их разнообразной структуры (см. табл. 7). Все они в известной мере аналогичны структурам горных пород, но имеют и свои определенные особенности. Большинство технических камней обладают кристаллической (зернистой) структурой (цемент, абразивы, некоторые огнеупоры и др.), встречается пегматитовая структура (глиноземистый цемент), многие огнеупорные материалы имеют брекчиевидную структуру. Шлакам больше всего свойственна пористая и рыхлая структура, а в отдельных случаях, например в фарфоре, она бывает стекловатая.

В технических камнях, даже в кристаллических структурах, почти всегда в том или ином количестве присутствует аморфное стекло. Например, шамотный огнеупор имеет зернистую структуру, но кристаллы муллита погружены в аморфную алюмосиликатную массу. На свойства технических камней существенное влияние оказывают количественное взаимоотношение кристаллов и аморфной массы, а также их взаиморазмещение.

Петрургия. В области искусственных каменных материалов создана новая область технологии — петрургия, или каменное литье. С помощью петрургии получают различные изделия, в том числе и строительные, путем плавления и последующей кристал-

лизации расплавленного базальта. В настоящее время чтобы получить литье разного цвета, улучшенного состава, структуры и свойств, переплавление проводят при наличии самых разнообразных добавок, в качестве которых используют доломит, кварцевый песок, другие природные минералы и горные породы.

В результате переплавления получают каменно-литейные изделия заданной формы, с высоким качеством по твердости, прочности и стойкости в агрессивных средах. Необходимо отметить, что изделия кислотоупорны, имеют большое сопротивление истиранию, даже более высокое, чем у некоторых легированных сталей.

Каменное литье широко применяют в строительстве (трубы, облицовочные плитки) и на химических предприятиях (керамика, металлокерамика).

Радиоактивность технических материалов связана с присутствием в них материалов с природными или искусственно созданными радиоактивными химическими элементами. Природные радиоактивные минералы в технические материалы попадают с сырьем, из которых они изготовляются, например, это может быть радиоактивный щебень гранита или промышленные отходы. Повышенную радиоактивность могут иметь бетоны, полученные на основе золы-уноса, шлакобетон, красная керамика.

В настоящее время все природные и искусственные строительные материалы и сырье, подобные продукты промышленности, используемые в строительстве, обязательно исследуются на наличие в них радиоактивных излучений. Согласно существующим нормативам определяется степень их пригодности в строительном производстве.