Химия главных групп горных пород, гипергенез и почвообразование

Размещено на http://www.allbest.ru/

"Химия главных групп горных пород, гипергенез и почвообразование"

Классификация и химия главных групп горных пород

горный порода гипергенез химический

Природные каменные материалы получают из горных пород, залегаемых в верхних слоях земной коры в виде сплошных массивов и скоплений обломков разной крупности. Каменные строительные материалы получают механической обработкой горных пород путем раскалывания, распиловки, дробления, обтески, шлифовки и полировки, поэтому их свойства в основном зависят от качества исходной горной породы, ее химических, физических и механических свойств. Качество горных пород, из которых изготовляют дорожно-строительные материалы, в свою очередь, зависит от минералогического состава, структуры, текстуры и состояния свежести породы.

По геологическому происхождению (генезису) горные породы разделяются на три основные группы с подгруппами:

I. Изверженные (магматические) --первичные:

А. Глубинные (интрузивные) --граниты, сиениты, диориты, габбро и др.

Б. Излившиеся (эффузивные)--диабазы, порфиры, базальты, туфовые лавы и др.

II. Осадочные -- вторичные:

А. Механические, обломочные отложения: 1)рыхлые -- валуны, щебень, гравий, песок; 2) сцементированные -- песчаники, конгломераты, брекчии.

Б. Органогенные и химические образования --различные известняки, доломиты, магнезиты, гипс, ангидрит.

III. Метаморфические (видоизмененные)--гнейс, мраморы, кварциты.

По химическим исследованиям состава горных пород верхних слоев земной коры выявлено преобладание в них кремнезема SiO2-- 59,12% и глинозема Аl2О3-- 15,34%, дальше следует окись кальция СаО -- 5,08%, окись натрия N2O -- 3,84, окись железа FeO --3,80; окись магния Mg --3,49; К2О -- 3,13; Fe2O3 --3,08% и немного других окислов и химических элементов. Как видно, породообразующие минералы изверженных пород по своему химическому составу разнообразны. Примерно из 2500 различных минералов породообразующими являются около 50.

Главные породообразующие минералы распределены в горных породах, применяемых в строительстве, примерно в следующих пропорциях: полевые шпаты (ортоклазы и плагиоклазы) -- 57,9--59,5%; роговая обманка, авгит; оливин, змеевик-- 16,8%; кварц-- 12-- 12,6; слюда 3,6--3,8; кальцит (известковый шпат) -- 1,5; каолинит и другие аналогичные минералы-- 1,1 % и т. д.

Горные породы представляют собой более или менее однородные минеральные агрегаты, слагающие земную кору, состоящие из одного или нескольких минералов, Горные породы, состоящие из одного минерала, называют простыми или мономинеральными (кварцит, гипс), а из нескольких минералов (гранит, базальт, гнейс) -- сложными или полиминеральными.

I) Изверженные горные породы

Изверженные горные породы образовались из расплавленной магмы, которая застыла, поднявшись к поверхности земли. Поднимаясь по трещинам в земной коре, магма претерпевала разнообразные воздействия (давление, понижение температуры), что приводило к образованию пород различного минералогического состава и строения, а следовательно, и технических свойств.

Химический состав изверженных горных пород также разнообразен и состоит в основном из кремния, алюминия, железа, кальция, магния, калия и натрия. По содержанию кремнезема эти породы разделяют на.кислые (85--65%), нейтральные (65--52%), и основные (52--35%). Кислые горные породы богаты соединениями кремния, калия, натрия и отличаются светлой окраской; основные породы содержат много кальция, магния, железа и окрашены чаще в темный цвет.

Из магмы, не вышедшей на поверхность земли и застывшей на глубине, под ее верхними слоями образовались глубинные горные породы. Излившиеся горные породы образовались из магмы, застывшей ближе к поверхности или на самой поверхности земли. Вследствие медленного охлаждения и отвердевания в глубинных породах процессы кристаллизации проходили более полно, образуя крупно- и среднезернистые структуры. В условиях быстрого охлаждения излившихся пород образовались мелкокристаллические, мелкозернистые, аморфные, стекловатые структуры. Однообразная мелкокристаллическая и мелкозернистая структура является признаком более высокой прочности и стойкости против выветривания, хорошей колкости по сравнению с крупнозернистыми разновидностями горных пород. Стекловатая структура определяет хрупкость породы.

A)Глубинные горные породы

Граниты -- распространенная горная порода Они представляют собой равномерно кристаллические породы состоящие в основном из кварца (20--40%), полевого шпата -- ортоклаза (40--70%), слюды, иногда роговой обманки (5--20%). Цвет гранитов зависит в основном от ортоклаза и чаще бывает серым и красным.

Чем больше в гранитах зерен кварца, непосредственно связанных между собой, тем прочнее гранит. При изломе гранита разрушение происходит по зернам, а не по плоскостям соединения зерен минералов. Граниты могут быть мелко-, крупно- и среднезернистыми. Чем мельче зернистость, тем граниты прочнее и более морозостойки, а следовательно, и устойчивее против выветривания.

Граниты характеризуются средней плотностью 2,7--2,8 г/см3; объемной массой 2,60--2,65 г/см3, малой водонасыщаемостью, значительной устойчивостью против выветривания и высокой прочностью при сжатии 1400--2500 кгс/см2.

Обладая высокими техническими качествами, граниты широко применяются для дорожно-мостовых сооружений в качестве щебня, брусчатки, бортового камня, плит, бутового камня. Месторождения гранитов в СССР занимают обширные территории в Карелии, на Кольском полуострове, Украине, Кавказе, Урале, Алтае, Тянь-Шане.

Сиениты отличаются от гранитов тем, что не имеют в своем составе кварца. Цвет сиенитов серый, серо-красный, темно-зеленый;

По плотности и прочности сиениты близки к гранитам, но менее, стойки против выветривания. Плотность сиенитов 2,7--2,9 г/см3, объемная масса 2,6--2,8 г/см3. Предел прочности при сжатии в среднем 1200--1800 кг/см2. Применяются сиениты наравне с гранитами и являются ценной породой для получения щебня, брусчатки и бортового камня. Сиениты встречаются реже гранитов. Месторождения сиенитов имеются на Урале, Украине, Кольском полуострове, в Сибири, на Кавказе.

Диориты состоят в основном из плагиоклаза (около 75%) и рогозой обманки, иногда авгита и биотита. Цвет диоритов серый или темно-зелепый, структура равномерно кристаллическая. Диориты обладают более высокой вязкостью и стойки против выветривания.

Плотность диоритов 2,85--3,2 г/см3, объемная масса 2,8--3,0 г/см3, предел прочности при сжатии 1500--2800 кг/см2. Обладая большой вязкостью, диориты характеризуются хорошим сопротивлением ударной нагрузке. Применяются они в дорожном строительстве для получения брусчатки и щебня, а также плиток для облицовочных работ. Месторождения диоритов имеются в Крыму, на Урале, Украине, Кавказе, в Средней Азии и др.

Рис. 1 Диориты: а -- диорит меланократовый (меланодиорит); б -- биотит-гиперстеновый диорит. в -- кварцевый диорит биотитовый.

Габбро состоит до 50% из плагиоклаза (основного), авгита и оливина. По цвету бывает серым, темно-зеленым и черным. Структура габбpo преимущественно крупнозернистая, плотность 2,9-- 3,3 г/см3, объемная масса близка к плотности. Предел прочности при сжатии 2000-3500 кгс/см2. обладает большой плотностью и вязкостью. Применяется он при приготовлении щебня, штучных камней и плит при облицовочных работах. Месторождения габбро имеются на Урале, Украине, Кавказе и др.

Рис. 2. Интрузивные породы группы габбро--базальта (заимствовано из книги А. Н. Заварицкого, 1955)

Б) Излившиеся горные породы

Кварцевые порфиры по минералогическому составу соответствуют граниту, цвет чаще кирпично-красный, бурый, зеленоватый. Структура порфировая с вкраплением в основную массу крупных кристаллов кварца, плотность 2,4-- 2,6 г/см3, предел-прочностн при сжатия 1300--1800 кг/см2. Кварцевые порфиры так же, как и граниты, широко применяются в дорожном строительстве для получения каменных материалов в виде щебня, бута, колотой и тесаной шашки. Месторождения кварцевых порфиров имеются в Крыму, на Урале, Алтае, Сахалине.

Ортоклазовые порфиры и трахиты по минералогическому составу соответствуют сиенитам, отличаясь содержанием вулканического стекла. Трахиты имеют пористую текстуру и шероховатую поверхность. По прочности они уступают сиенитам и большинство из них имеют светлую окраску. Месторождения ортоклазовых порфиров имеются на Кавказе, Урале, в Крыму.

Диабазы по минералогическому составу соответствуют габбро, преимущественно мелкозернисты, состоят из основного полевого шпата и пироксена, реже входят оливин и роговая обманка. Диабазы бывают серо-зелеными и темно-зелеными. Их плотность в среднем 2,7--3,0 г/см3, прочность при сжатии около 2000 кгс/см2 и доходит до 4000 кгс/см2. Обладая большой вязкостью, диабазы хорошо сопротивляются истиранию. Применяются они для получения штучного камня--брусчатки, шашки, разнообразных плит и высококачественного щебня. Месторождения диабазов имеются в Карелии, на Кавказе, Украине, Урале.

Рис. 3. Диабазы: а-типичная офитовая структура; б- пойкилоофитовая структура; в - долеритовая структура.

Базальты -- породы темного цвета, плотные, скрытокрпсталлической структуры, состоящие из плагиоклаза и авгита. Вследствие неполной кристаллизации минералов породы содержат значительное количество стекловатой массы.

Технические свойства базальтов крайне различны и мало отличаются от свойств диабаза, хотя прочность базальтов при сжатии часто бывает выше и доходит иногда до 5000 кгс/см3. Относительная хрупкость базальтов несколько снижает его свойства. В дорожных работах базальты используются для изготовления шашки, брусчатки, щебня. Месторождения базальтов имеются в Армении, Забайкалье, на Украине, Сахалине.

Рис. 4. Базальты и спилиты: а -- оливиновый базальт. Порфировая структура. В фенокристаллах оливин (вверху), пироксен (слева) и плагиоклаз (внизу). Основная масса состоит из плагиоклаза, моноклинного пироксена и магнетита. d=2,6 мм; б --толеитовый базальт. Афировая структура. Порода состоит только из основной интерсертальной массы, сложенной пироксеном, плагиоклазом, рудным минералом и стеклом. d=4,0 мм; в -- спилит. Афировая структура. Порода состоит из удлиненных лейст альбита, зерен авгита и хлорита. d=3,0 мм

Вулканические туфы -- пористые породы, образовавшиеся при уплотнении вулканического пепла или из застывшей вулканической лавы с попавшими туда пеплом и песком.

Технические свойства туфов крайне разнообразны и зависят от их состава и степени цементации. Объемная масса туфов в среднем равна 0,75--1,4 г/см3, предел прочности при сжатии 70--700 кгс/см2. Они воздухопроницаемы, плохо проводят тепло и достаточно устойчивы против выветривания, легко поддаются обработке. Лучшие разновидности туфов (артикский туф) применяются для изготовления стеновых блоков, плит для облицовки, щебня для легких бетонов и как местный материал для устройства дорожных покрытий.

II) Осадочные, скальные горные породы

Осадочные горные породы образовались в результате осаждения и цементации минеральных продуктов выветривания изверженных пород или осаждения продуктов жизнедеятельности и отмирания живых организмов, населяющих моря и океаны. Эти продукты осаждались и уплотнялись послойно, покрывая изверженные горные породы прерывистыми многослойными пластами. По физическим и механическим свойствам осадочные породы представляют большое разнообразие. Это объясняется разнообразием условии их образования.

По условиям образования осадочные горные породы разделяются на породы механического отложения, химических осадков и органогенного образования. Из большого разнообразия сцементированных осадочных горных пород здесь рассмотрены только песчаники, известняки и доломиты. Валуны, гравий и песок изложены в разделе рыхлых строительных материалов.

Песчаники состоят из мелких зерен минералов (кварц), сцементированных кремнистыми, известковыми, глинистыми, железистыми, гипсовыми, битумными и другими природными веществами. В зависимости от цементирующего вещества и примесей различают кремнистые, известковые, доломитовые и глинистые песчаники.

Наибольшую прочность 600--2600 кгс/см2, твердость и устойчивость против выветривания имеют плотные мелкозернистые кремнистые песчаники. Эти песчаники трудно поддаются обработке, а щебень, полученный из них, плохо укатывается в щебеночном слое дорожных покрытий.

Известковые и доломитовые песчаники, обладая достаточной прочностью, легче поддаются обработке. Глинистые песчаники мало устойчивы против выветривания, а при увлажнении резко снижают прочность.

Песчаники применяются в дорожном строительстве в виде бута, колотой шашки, щебня и штучного камня.

Песчаники широко распространены на территории СНГ. Крупнейшие месторождения расположены в районах Тульской, Курской, Сумской областях, в Донбассе, на Урале и в Ростовской обл.

Известняки состоят главным образом из углекислого кальция (CaCO3) с незначительной примесью углекислого магния иногда кварца, железистых, глинистых, углистых и других включений, Под действием соляной кислоты известняки легко «вскипают» с выделением CO2. В зависимости от структуры и текстуры различают следующие виды известняков: плотные, мраморовидные и ракушечниковые. Технические свойства известняков очень разнообразны и зависят от их состава, структуры и текстуры. Однородные плотные скрытокристаллические известняки, зерна которых сцементированы кальцитом, имеют высокую прочность - 1500 кгс/см2, хорошую обратываемость и небольшую истираемость.

Плотные известняки при достаточной прочности и плотности применяются в качестве бутового камня, шашки и щебня для дорожной одежды. Мраморовидные или кристаллические известняки содержат зерна кальцита, плотно сцементированные между собой. Предел прочности при сжатии бывает 900--1300 кгс/см2.

Известняк-ракушечник более позднего образования из сцементированных обломков раковин обладает сильно пористой текстурой с видимыми отделыюстями ракушек. Он легко поддается распиловке на штучный камень. Объемная масса известняка-ракушечника составляет 0,6--1,5 г/см3, предел прочности при сжатии 10-- 200 кг/см2.

Землистый известняк -- мел состоит из мельчайших частиц раковин простейших животных, уплотненных под давлением. Химический состав мела одинаков с известняками (СаСО3), имеет большую пористость и очень малую прочность. Применяется мел для получения минеральных вяжущих, для красок и пр.

Известняки, содержащие в своем природном составе большое количество глин, называют: известковым мергелем при содержании глины до 25%; мергелем при содержании глины от 25 до 60%; глинистым мергелем при содержании глины свыше 60%. Мергели применяют главным образом в цементной промышленности, а прочные известняковые мергели применяют при строительстве дорог в качестве щебня. Месторождения, известняков широко распространены на территории СНГ. Крупные месторождения имеются в Ленинградской и Московской областях, на Украине, в Молдавии, па Урале, Северном Кавказе, в Крыму и Средней Азии.

Доломит состоит из минерала доломита (карбонат Са и Mg). По свойствам доломиты приближаются к плотным известнякам и наравне с ними применяются в строительстве для получения каменных материалов.

III) Метаморфические (видоизмененные) горные породы

Метаморфические горные породы образовались в результате последующих видоизменении изверженных и осадочных пород. Они существенно могут отличаться от первоначальных пород по текстуре и минералогическому составу, К метаморфическим горным породам, применяемым в строительстве, относятся гнейс, мрамор, кварцит и сланцы.

Гнейсы по минералогическому составу подобны гранитам, из которых они образовались, и отличаются от них сланцеватым сложением. Гнейсы, обладая большой прочностью, в направлении, перпендикулярном сланцеватости, относительно легко раскалываются по плоскостям сланцеватости. Гнейсы так же, как и граниты, применяются для приготовления шебня, брусчатки, бортовых и облицовочных плит. В отдельных случаях сланцеватость гнейса снижает качество получаемых из пего щебня и брусчатки.

Мрамор состоит из сросшихся кристаллов кальцита с примесью магнезита и других минералов. Мрамор образовался в основном из известняков. По.цвету он бывает белым, розовым, красным, коричневьм и черным. Прочность мрамора при сжатии в среднем составляет 1000 кгс/см2, он легко пилится на плитки и хорошо полируется- применяется чаще всего в качестве облицовочных плиток для декоративных и облицовочных работ, но может быть применен для получения щебня или крошки. Месторождения мрамора имеются в Карельской области, на Урале, в Крыму, на Кавказе и в других районах СНГ.

Кварциты образовались из кремнистых песчаников, в которых зерна кварца непосредственно срослись между собой. Кварциты по цвету бывают белыми, красными, темно-вишневыми, обладают высокой плотностью, твердостью, большой прочностью при сжатии -- до 4000 кгс/см2, но отличаются хрупкостью. Применяют их для облицовки особо ответственных сооружений (мавзолей В. И. Ленина--шокшинский кварцит), а также для изготовления щебня, шашки, бортовых камней и др. Лучший кварцит добывают в Карелии у Онежского озера.

Сланцы характеризуются параллельным расположением составляющих частиц, сланцеватостью. Сланцы состоят из кварца и слюды (слюдяные сланцы), графита (графитовые сланцы), глинистых веществ (глинистые сланцы). Глинистые сланцы являются наиболее распространенными.

Некоторые разновидности глинистых сланцев, имея довольно высокую прочность, легко раскалываются на тонкие плитки, которые используются как кровельный материал. Сланцы в воде не размокают и пластического теста не образуют. Примеси углистых веществ или битумов в сланце позволяют использовать их как местное топливо и для получения органических вяжущих материалов. Месторождения сланцев имеются на Кавказе, Урале, Украине, в Эстонии.

Гипергенез и почвообразование

Процесс разрушения минералов и горных пород на поверхности Земли обычно называют выветриванием, хотя ветер к этому почти никакого отношения не имеет. А. Е. Ферсман в 1922 г. предложил другое название этого процесса - гипергенез. Оно построено из древнегреческих слов «гипер» (сверх) и «генезис» (происхождение).

В настоящее время под выветриванием, или гипергенезом, понимают сумму процессов преобразования твердого вещества земной коры на поверхности суши под влиянием воды, воздуха, колебаний температуры и жизнедеятельности организмов. Сущность этих процессов заключается в перегруппировке атомов и образовании новых, устойчивых к условиям земной поверхности соединений.

Различают два типа выветривания: физическое, или механическое, и химическое.

Физическое выветривание приводит к чисто механическому разрушению пород. Частые изменения температуры, морозное выветривание с образованием морозоустойчивых трещин и солевое растрескивание пород (возникновение трещин под давлением кристаллов образующихся солей) обусловливают разрыхление структуры и распад пород на минеральные зерна.

Химическое выветривание -- разрыхление коренных пород под действием кислорода воздуха, диоксида углерода, воды, органических кислот, сопровождающееся изменением их состава.

Часто выделяют еще третий тип выветривания - биологическое (или органогенное). Но этот процесс связан либо с физическим действием (например, давлением корней растений), либо с химическим воздействием (например, воздействием органических кислот, выделяемых корнями растений).

В зависимости от климатической зоны, времени года и местных условий процессы выветривания различных типов протекают с различной интенсивностью. Все магматические минералы, попадая на поверхность Земли, оказываются в неустойчивом состоянии. Наименее устойчивы силикаты, структуру которых образуют изолированные кремнекислородные тетраэдры, соединяющиеся катионами железа и магния. Из них более устойчивы силикаты с одинарными цепочками кремнекислородных тетраэдров (пироксены), затем --с двойными цепочками (роговые обманки), далее --с листовыми структурами (слюды). Железомагниевые слюды (биотиты) менее устойчивы, чем алюминиевые (мусковиты). Устойчивость полевых шпатов, обладающих каркасной структурой, зависит от размера катиона (Са²⁺, К⁺, Na⁺). Устойчивость плагиоклазов постепенно возрастает при переходе от кальциевого представителя к натриевому. Наиболее устойчив кварц, структура которого полностью состоит из кремнекислородных тетраэдров. В целом устойчивость главных породообразующих минералов магматических пород возрастает симбатно с последовательностью их кристаллизации. В процессе гипергенезанаблюдается значительное изменение в структурах силикатных пород, происходит образование глинистых минералов. Так, например, в процессе разрушения полевого шпата (ортоклаза) может образоваться глинистый минерал каолинит:

Элементарная ячейка каолинита несимметрична: один слой состоит из кремнекислородных тетраэдров, другой -- из сочетания ионов ОН- и А1³⁺. Каждый ион А1³⁺ связан с 4 ионами ОН- и двумя атомами кислорода. Координационное число алюминия в этом соединении равно 6. Как видно из рис. 3.2, а, одна поверхность пакета образована атомами кислорода. Между пакетами образуется довольно прочная водородная связь, поэтому каолинит не набухает, и его межплоскостное расстояние стабильно.

В другом распространенном глинистом минерале -- монтмориллоните -- плоские пакеты трехслойны. Верхний слой, так же, как и нижний, представлен слоями кремнекислородных тетраэдров, между которыми располагаются ионы ОН- и А1³⁺ (см. рис. 3.2,5). Формула монтмориллонита (Al2,Mg3)(OH)₂[Si4O10*nH₂0. В отличие от каолинита, пакет монтмориллонита построен симметрично. Между слоями кислородных атомов не возникает водородной связи. Взаимодействие между пакетами слабое, и в межпакетные промежутки легко проникает вода, вызывая набухание, при этом объем монтмориллонита увеличивается в 1,5-2,5 раза.

Необходимо отметить, что в монтмориллоните, так же, как и в каолините, координационное число алюминия равно 6. В то же время в наиболее распространенных глубинных минералах и горных породах основное количество ионов А1³⁺ окружено лишь четырьмя ионами кислорода. Энергия связи А1--О в окружении четырех ионов кислорода приблизительно равна 6700 кДж/моль. При увеличении координационного числа А1³⁺ до шести энергия связи А1-0 возрастает до 7500 кДж/моль. Таким образом, глинистые минералы являются своеобразным аккумулятором солнечной энергии -- основного энергетического источника процессов гипергенеза.

Процессы выветривания горных пород происходят и происходили на Земле и до появления живых организмов. В то же время дальнейшее преобразование горных пород, связанное с возникновением почв, всегда протекает только при непосредственном участии живых организмов.

Почвообразованием называется сложный природный процесс перехода горной породы в качественно новое состояние. Этот процесс протекает при взаимодействии минерального вещества земной коры с живыми организмами и продуктами их жизнедеятельности. Причем такое взаимодействие в земных условиях происходит припрямом и косвенном влиянии других факторов внешнем среды. Растительные сообщества извлекают из горных (материнских) пород (в дальнейшем-»из почв») питательные элементы, синтезируют сложные органические соединения -биомассу -и возвращают эти соединения в почву в виде отмирающей и опавшей на землю растительной массы корней.

Одним из главных факторов, играющих большую роль в преобразовании этих органических остатков, являются дождевые черви, личинки многочисленных насекомых и микроорганизмы. В процессе питания они измельчают растительную массу, перемещают ее, перемешивая органические и минеральные вещества. Находясь в тесном взаимодействии между собой и с минеральной частью горных пород и почв, живые организмы активно участвуют в малом биологическом круговороте веществ. В результате этого процесса в верхних горизонтах, почвообразующих породах и почвах накапливаются биогенные элементы (азот, углерод, фосфор, сера и др.), происходит образование и дальнейшее развитие почв.

Размещено на Allbest.ru