Осадочные горные породы

Осадочные горные породы образуются при осаждении и накоплении в водной среде и на суше продуктов физического и химического выветривания горных пород, а также в результате накопления остатков организмов и растений. Формирование осадочных пород представляет собой сложный и длительный геологический процесс, в котором можно выделить четыре стадии:

1) физическое разрушение и химическое разложение исходных горных пород;

2) перенос водой или ветром продуктов физического разрушения в виде обломков различной крупности, а продуктов химического разложения в виде растворов и взвесей;

3) отложение продуктов физического разрушения (обломков, частиц) и химического разложения (выпадение солей из растворов, осаждение взвесей), а также накопление остатков организмов и растений (седиментогенез);

4) преобразование рыхлого осадка в осадочную породу в результате его уплотнения под давлением последующих отложений (диагенез) и различных физико-химических процессов, приводящих к цементации осадка (эпигенез).

Процесс формирования осадочной породы со времени образования исходного материала и до превращения рыхлого осадка в горную породу называется литогенезом. Несмотря на то, что осадочные породы слагают всего 5% земной коры, примерно 75% поверхности земли (включая дно морей, озер, русла рек и т.п.) покрыта осадочными породами, мощность которых достигает 15 км, составляя в среднем 3-5 км. Поэтому осадочные породы являются наиболее распространенным основанием и средой различных сооружений, что обусловливает их большое инженерно-геологическое значение и необходимость тщательного изучения.

В зависимости от условий, в которых происходило образование осадочных пород (морские бассейны или суша, озера, реки, болота) различают осадочные породы морского и континентального происхождения.

По генезису осадочные породы разделяются на три основные группы:

обломочные, хемогенные, органогенные.

Обломочные горные породы.

Обломочные породы образуются из продуктов физического и химического выветривания исходных (магматических, метаморфических, осадочных) горных пород. Они классифицируются (табл.3) по размеру обломков (частиц) (грубообломочные, песчаные, пылеватые, глинистые), форме обломков (неокатанные и окатанные) и характеру связей между ними (рыхлые и сцементированные).

Грубообломочные и песчаные породы образовались под воздействием процессов выветривания на тех стадиях, когда агенты физического выветривания преобладали над агентами химического выветривания. Пылеватые и глинистые отложения формировались, когда наряду с агентами физического выветривания интенсивно действовали агенты химического выветривания.

В процессе фильтрации сквозь рыхлые грубообломочные и песчаные породы водных растворов (подземных вод) происходило постепенное заполнение пространства между обломками и песчинками (пор) цементирующим веществом, выпадающим из растворов, и цементирующим обломки и песчинки. Таким путем образовались сцементированные породы брекчии, конгломераты и песчаники.

Алевролиты и аргиллиты формировались при окаменении песчано-пылеватых и глинистых пород, вследствие их уплотнения, дегидратации, кристаллизации коллоидов.

Таблица 3

Классификация обломочных пород

Структура рыхлых и сцементированных грубообломочных и песчаных пород соотв. (песчаная), а у пылеватых (алевролитов, алевритов) и глинистых (аргиллитов) соответственно пылеватая и глинистая. Текстура у рыхлых пород пористая, у сцементированных плотная.

Хемогенные породы.

Хемогенные породы образовались в водных бассейнах (прибрежной зоне морей, лагунах, заливах, озерах) путем выделения и осаждения растворенных веществ. Среди хемогенных пород наиболее распространены карбонатные, сульфатные и галогенные породы.

К группе карбонатных пород относятся мономинеральные породы- известняки, известковые туфы и доломиты. Известняки образуются в результате выпадения солей из водных растворов в прибрежной полосе морей. Состоят из минерала кальцита (CaCO₃) и характеризуются разнообразным строением. Преобладают зернистая (кристаллическая), землистая, оолитовая^* структуры и плотная текстура. Известковые туфы (травертины) образуются на склонах речных долин, балок, оврагов в местах выхода подземных вод богатых углекислым кальцием. Травертины состоят из кальцита, имеют пористое (ноздреватое, кавернозное) строение, часто заключают в себе раковины наземных организмов, отпечатки листьев и веток растений. Большинство доломитов (MgCaCO₃) образовалось из известкового ила на дне морей при постепенном обогащении породы углекислым магнием, который замещал кальций. Характеризуются скрытокристаллическим, плотным строением.

Группа сульфатных пород включает мономинеральные породы ангидрит (CaSO₄) и гипс (CaSO₄*2H₂O), которые образуются в закрытых водоемах путем осаждения из насыщенных водных растворов в условиях жаркого и сухого естественного климата. Характеризуются кристаллическим, плотным строением. Таким же путем образуется галогенная порода каменная соль, состоящая из минерала галит (NaCl), имеющая кристаллическое, плотное строение.

Органогенные породы

Органогенные породы образуются в результате отмирания и отложения остатков организмов (зоогенные породы) и растений (фитогенные породы). Из зоогенных пород наиболее распространены известняк-ракушечник и мел. Известняк-ракушечник образуется в результате накопления на дне морских бассейнов раковин моллюсков, скелетов морских организмов, кораллов. Мел образуется из скоплений остатков микроскопических морских организмов. Эти породы главным образом состоят из кальцита, имеют специфическую органогенную структуру и пористую текстуру.

Фитогенная порода торф образуется в результате накопления не полностью разложившихся остатков болотной растительности в условиях избыточной влажности и затрудненного доступа кислорода (воздуха). Состоит из не вполне разложившихся остатков разнообразной болотной растительности, характеризуется рыхлым, пористым строением.

К осадочным горным породам относятся породы смешанного происхождения, которые сложены частично из обломочного материала и частично из хемогенного или из обломочного и органогенного материала и т.д. К числу таких пород относятся мергель, опока. Мергель образуется в морях и озерах при одновременном отложении глинистого и карбонатного материала. В составе глинистые минералы и кальцит, строение землистое, плотное. Опока также образуется в морских и озерных условиях. Состав глинисто-кремнистый, строение землистое, плотное.

Формы залегания осадочных пород.

Главным признаком осадочных пород является слоистость, которая формируется в процессе осадконакопления. Поскольку условия образования осадочных пород могут быть весьма разнообразными (моря, озера, русла рек, суша с различным рельефом) это обусловливает формирование слоев различной формы и протяженности, как в плане, так и в разрезе. Слой - более или менее однородное по составу и строению геологическое тело, ограниченное двумя поверхностями

(рис. 3). Нижняя из них называется подошвой слоя, верхняя - кровлей. Расстояние между кровлей и подошвой называется мощностью слоя. Если в слое горной породы проходит тонкий слой другой породы, то его называют прослоем или пропластком. Слой, выклинивающийся в обе стороны на сравнительно небольшой площади называется линзой, а в одну - выклинивающимся слоем. Часто слои имеют переменную мощность - пережимы.

В результате тектонических движений (движений земной коры) нарушаются первоначальные формы залегания осадочных пород, слои деформируются, сминаются в складки, возникают разрывы их сплошности с образованием трещин, разломов.

Применение осадочных пород в строительстве.

Обломочные породы. Валуны и глыбы могут применяться для укрепления берегов, мощения дорог (валуны) и как строительный

камень. Щебень, галька, дресва, гравий и песок широко используются для возведения насыпей автомобильных и железных дорог, приготовления бетона. Кварцевые пески применяются для производства стекла и силикатного кирпича. Глины применяются в кирпичном, черепичном производстве, а огнеупорные глины используются для строительства доменных и мартеновских печей. Брекчии, конгломераты, песчаники применяются как строительный, облицовочный камень, щебень.

Хемогенные породы. Известняки, доломиты применяются как строительный камень, ангидрит и гипс для производства вяжущих стройматериалов.

Органогенные породы. Известняк-ракушечник применяется в виде строительного камня, как сырье для получения извести. Мел используется для производства цемента, извести, в малярном деле, а из слаборазложившегося торфа изготовляют тепло- и звукоизоляционные стройматериалы.

Инженерно-геологические свойства осадочных горных пород.

Обломочные породы.

Несцементированные (рыхлые) обломочные породы относятся к классу природных дисперсных грунтов. Грубообломочные породы (глыбы, валуны, щебень, галька, дресва, гравий) имеют пористость 15-40%, cлабосжимаемы и обладают высокой водопроницаемо­стью (коэффициент фильтрации Кф, характеризующий скорость передвижения воды в горных породах, со­ставляет 100-1000м/сут и более). Присутствие в порах грубообломочных породах заполнителя (песчаного, глинистого и т.п.) снижает их сжимаемость и водопроницаемость.

Пористость песков составляет 30-50%, они слабосжимаемы при статическом нагружении и уплотняются при динамических воз­действиях. Водопроницаемость песков зависит от размера зерен, падая с уменьшением крупности песчинок. Коэффициент фильт­рации Кф песков изменяется от 100-10 м/сут (крупные, средние) до 1-0,1м/сут (мелкие и тонкие). Водонасыщенные пески при вскры­тии их горными выработками могут переходить в разжиженное состояние с образованием плывунов.

Пылеватые породы (алевриты) - лёссы характеризуются просадочностью - способностью уменьшать объем при увлажнении, в результате чего происходит просадка поверхности земли и дефор­мации сооружений. Лёссовидные породы - лёссовидные пески, су­песи, суглинки и глины непросадочны. Пористость лёссов состав­ляет 30-65%, они отличаются малой водопрочностью, выражаю­щейся в быстром размокании и значительной размываемости. В естественном состоянии лёссы характеризуются незначительной сжимаемостью, которая резко возрастает при насыщении их водой.

Водопроницаемость лёссов различна, коэффициент фильтрации изменяется от 8,5 до 0,001 м/сут. Причем значения коэффициента фильтрации в вертикальном направлении могут быть в 1,5-15 раз выше, чем в горизонтальном.

Важнейшей особенностью глинистых пород является зависи­мость их свойств от влажности. С повышением влагосодержания глинистые породы набухают (увеличиваются в объёме), становят­ся липкими, пластичными, легкодеформируемыми. При высыха­нии они дают усадку (уменьшаются в объёме), прочность их воз­растает. Набухание и усадка глинистых пород может приводить к деформации сооружений. Пористость глинистых пород варьирует от 22 до 70%. Глинистые породы характеризуются значительной сжимаемостью и невысокой прочностью. Глины и суглинки явля­ются слабопроницаемыми или вообще водонепроницаемыми по­родами (водоупорами). Коэффициент фильтрации у них составляет 0,001-0,00001м/сут и менее.

Сцементированные обломочные породы относятся к классу природных скальных грунтов. Их инженерно-геологические свой­ства зависят, прежде всего, от пористости, количества цемента и его вида. Наиболее распространёнными цементами являются кремнистый, железистый, карбонатный и глинистый. Наиболее прочные - кремнистый и железистый цементы. Карбо­натный цемент, хотя и обладает высокой прочностью, растворим в воде. Наименее прочен и неустойчив в воде глинистый цемент.

Прочность на одноосное сжатие брекчий и конгломератов мо­жет, изменятся от пористости и вида цемента от 3 до 100 МПа. От вида цемента также зависит их устойчивость к выветриванию.

На прочность песчаников также очень большое влияние оказы­вает их пористость. При изменении пористости от нескольких процентов до 15-30% прочность песчаников колеблется от 120-150МПа до 15-20МПа. Среди песчаников наибольшей прочностью обладают кварцевые песчаники с кремнистым цементом, у кото­рых прочность на одноосное сжатие составляет 150-200МПа, дос­тигая 300 МПа при пористости менее 2%. Наименее прочны песча­ники с глинистым цементом, пористостью до 40% и прочностью на одноосное сжатие 1-ЗМПа. Прочностные показатели песчани­ков зависят также от размера зерен. Мелкозернистые разности при близком минеральном составе и виде цемента обладают бо­лее высокими значениями прочности, чем средне- и крупнозерни­стые. Песчаники с карбонатным и глинистым цементом могут резко терять в прочности при насыщении их водой. Крепкие песчани­ки являются высокопрочными породами, устойчивыми к выветри­ванию, фильтрующим воду только по трещинам. Слабопрочные разности легко выветриваются, часто разрушаясь до песков (гли­нистые песчаники).

Алевролиты и аргиллиты в зависимости от вида цемента и по­ристости, которая изменяется от 1-5 до 40%, образуют разновид­ности с широким диапазоном изменения свойств. Их прочность на одноосное сжатие снижается от 160-50 МПа у малопористых мало­влажных пород до 5-З МПа у высокопористых водонасыщенных разностей. Слабые, пористые алевролиты и аргиллиты обладают значительной влагоёмкостью, размягчаются в воде, теряя проч­ность. Часто эти породы обладают выраженной слоистостью, ани­зотропией, легко выветриваются, образуя на склонах подвижные осыпи из плитчатой щебенки.

Хемогенные породы.

Все хемогенные породы относятся к классу скальных и полу­скальных грунтов с жесткими структурными связями.

Карбонатные породы. Известняки и доломиты в зависимости от генезиса, состава и строения обладают различными прочностными свойствами. Главными факторами, определяющими прочность из­вестняков, являются пористость, которая изменяется от 2 до 5%, размер зёрен и наличие глинистого материала. Соответственно прочность известняков на одноосное сжатие в зависимости от ука­занных факторов колеблется от 25 до 250 МПа. Увеличение со­держания глинистых частиц до 30% может снижать их прочность в 10 раз. Прочностные свойства доломитов варьируют от 180-14 0МПа у пород с пористостью 3-4% до 60-40 МПа у разностей с пористостью 10%. При водонасыщении прочность доломитов снижается в 1,5-2 раза. Трещиноватость существенно снижает прочность массивов сложенных известняками и доломитами. Так монолитные доломиты имеют среднее значение R_c=120-130 MПa, a микротрещиноватые разности 50-60 МПа.

Сульфатные породы ангидрит и гипс довольно часто встречают­ся совместно. Ангидрит при соприкосновении с водой легко гидратируется и переходит в гипс, причем этот процесс сопровожда­ется значительным увеличением объема, с чем связаны механиче­ские деформации в соседних породах. Кристаллические разновид­ности ангидрида обладают прочностью до 100-120МПа, которая уменьшается при водонасыщении породы почти в 2 раза. Гипсы - мягкие породы, с растворимостью в воде до 2-7г/л, способны к выщелачиванию с образованием карстовых пустот.

Галогенные породы. Главной инженерно-геологической особен­ностью каменной соли является их высокая растворимость в воде (свыше 100г/л), вследствие чего в районах развития солей широко развит карст.

Органогенные породы

Зоогенные породы - известняк-ракушечник и мел относятся к классу природных скальных и полускальных грунтов с жесткими структурными связями. Известняк -ракушечник сильновыветриваемая и слаборастворимая в воде порода. Прочность на одноос­ное сжатие при пористости 35-40% составляет менее 10 МПа, уменьшаясь при водонасыщении. Мел в сухом состоянии пред­ставляет плотную породу с пористостью от 30 до 55%, размягчает­ся в воде. В воздушно-сухом состоянии прочность мела в зависи­мости от пористости изменяется от 15-20 МПа до 3-4 МПа, умень­шаясь при насыщении водой в 2-3 раза.

Фитогенная порода торф относится к классу природных дис­персных грунтов. Торф - водонасыщенная, сильносжимаемая, ма­лопрочная порода с пористостью 85-95% является наименее бла­гоприятным основанием инженерных сооружений. При высыха­нии даёт усадку, уменьшаясь в объёме в несколько раз. После усадки в процессе водонасыщения не набухает.