fizika_gp

11

Лабораторная работа № 1

СТРУКТУРНО-ТЕКСТУРНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ГОРНЫХ ПОРОД

1.1 Цель работы

Определение основных элементов строения осадочных, магматических и метаморфических горных пород на образцах и количественная оценка параметров их структуры и текстуры.

1.2 Теоретические основы работы

1.2.1 Краткие сведения о минералах и горных породах 1.2.1.1 Минералы Минерал – однородное по составу и строению химическое

соединение или самостоятельно существующий химический элемент в твёрдом агрегатном состоянии, возникшие в земной коре в результате физико-химических процессов [46]. Многие исследователи под минералом понимают природное тело, приблизительно однородное по химическому составу и физическим свойствам, возникшее в земной коре в результате физико-химических процессов [9, п. 1.1].

Минеральное образование – химическое соединение или смесь химических соединений в любом агрегатном состоянии, возникшие в земной коре в результате физико-химических процессов [46].

Минеральный агрегат – характерный по составу, форме, размеру и строению сросток минералов, обусловленный их генезисом [46].

Процессы и условия образования минералов очень сложны и чрезвычайно разнообразны. Их делят на три группы: эндоген-

ные, экзогенные и метаморфические.

Эндогенные минералы в недрах земной коры при высоких значениях температуры и давления, обладают в основном сравнительно большими значениями плотности, твердости и стойкости к воде, кислотам, щелочам.

Экзогенные минералы образуются в поверхностном слое земной коры, где протекают сложные процессы взаимодействия литосферы с гидросферой, атмосферой и биосферой. При этом минералы образуются на суше, а также путем выпадания их из

12

водных растворов (озер, морей и др.), за счет жизнедеятельности организмов и растений, весьма разнообразны по своим свойствам, большей частью имеют сравнительно низкую плотность и твёрдость, некоторые активно взаимодействуют с водой.

Метаморфические минералы образуются в процессе изменения первоначального состава и перекристаллизация ранее образовавшихся минералов (эндогенных и экзогенных) под воздействием высоких давлений и температур, а также газов и воды.

Природные минеральные образования земной коры неорганического и органического происхождения, которые могут быть эффективно использованы в сфере материального производства либо для извлечения химических элементов и их соединений называют полезными ископаемыемыми (п. и.) [5, С. 185; 46].

Месторождение полезных ископаемых – скопление мине-

рального вещества на поверхности или в недрах Земли, по количеству, качеству и условиям залегания пригодное для промышленного использования [4, С. 306].

По физическому состоянию минералы и, соответственно, полезные ископаемые делят на:

твёрдые (угли ископаемые, горючие сланцы, торф, рудные и нерудные);

жидкие (нефть, минеральные воды);

газообразные (газы природные горючие и инертные). Минералы различают, соответственно, по их химическому

составу, внутреннему строению и физическим свойствам. Основным фактором, определяющим свойства минералов,

является их химический состав, в зависимости от которого вы-

деляют шесть основных групп: самородные элементы, сульфиды

(соли сероводородной кислоты), оксиды, силикаты, соли кислородных кислот, галоидные соединения. Всего известно около 3 000 различных минералов [9, п. 1.1].

По внутреннему строению твёрдые минералы бывают кристаллическими и аморфными. Подавляющее большинство минералов имеет кристаллическое строение, которое характеризуют тем, что образующие их частицы (атомы, ионы, радикалы) расположены закономерно, наподобие узлов пространственных решёток.

Известно семь типов (сингоний) кристаллических решёток, характеризуемых отношениями величин кристаллических осей

13

(наименьших расстояний между узлами решётки в трёх направ-

лениях) и углов между ними: триклинная, моноклинная, ромбическая, тетрагональная, тригональная, гексагональная и кубиче-

ская (рис. 1.1).

а – триклинная, б – моноклинная, в – ромбическая, г – тетрагональная, д – тригональная, е – гексагональная ж – кубическая

Рис. 1.1 – Схемы кристаллических решёток разных сингоний

1.2.1.2 Горные породы

Горная порода – устойчивая по составу и строению природная ассоциация одного или нескольких минералов или минеральных агрегатов [46].

В образовании горных пород основную роль играют около 30 так называемых породообразующих минералов. Это самые распространенные, наиболее устойчивые минералы из групп силикатов, окислов и алюмосиликатов.

Геологические процессы, приводящие к образованию гор-

14

ных пород, называют процессами породообразования или петрогенеза. Соответственно, по признаку происхождения (генезису) все горные породы подразделяют на магматические (базальт, габбро, гнейсы, диабаз, гранит, диорит, порфир и др.), метаморфические (гнейсы, кристаллические сланцы, мрамор и др.) и осадочные (алевролиты, аргиллиты, глины, известняки, пески, песчаники и др.).

Горные породы бывают мономинеральными и полимине-

ральными. Большинство из них относят к полиминеральным и характеризуют минеральным составом горной породы – коли-

чественным содержанием минералов, входящих в состав данной горной породы [46].

Тип и название горных пород определяют их минеральный состав и строение – форма, размеры, взаимное пространственное расположение и связь в горной породе минеральных зёрен и минеральных зёрен и минеральных агрегатов [46].

В строении пород различают структуру и текстуру.

1.2.2 Структура горных пород

Структура горной породы – характеристика строения, определяющая размеры, форму и взаимную связь составляющих минерального агрегата [46].

В отечественной петрографической литературе термином «структура» обозначают особенности строения горной породы, определяемые степенью кристалличности, размерами, формой и взаимоотношением составных частей [13].

По степени кристалличности выделяют следующие типы структур: полнокристаллические, неполнокристаллические и стекловатые [13].

Полнокристаллические структуры характерны для пород, полностью сложенных кристаллическими зёрнами и не содержащих вулканического стекла.

Среди них различают равномерно- и неравномернозернистые.

Если отдельные кристаллы видны только под микроскопом, то в таком случае, структуру называют микрокристаллической.

Полнокристаллические структуры являются типичными для интрузивных пород, которые кристаллизовались на различных

15

глубинах в земной коре, обычно на протяжении длительного времени.

Неполнокристаллические структуры отличаются присутствием в породе, как кристаллических зерен, так и вулканического стекла. Такое сочетание составных компонентов указывает на две фазы кристаллизации. Раннюю фазу представляют зерна минералов, которые кристаллизовались в условиях медленного охлаждения на разных глубинах в земной коре. Поздняя фаза, обычно, сложена вулканическим стеклом, образовавшимся в результате быстрого охлаждения расплава, насыщенного кристаллами.

Стекловатые структуры также характерны для эффузивных пород, практически полностью сложенных аморфным вулканическим стеклом, не действующим на поляризованный свет. Они возникают в процессе излияния лавовых расплавов, имеющих температуру выше начала кристаллизации минеральных индивидов.

При рассмотрении структур по размерам составных частей следует различать структуры, выделяемые по абсолютным размерам составных частей и структуры, выделяемые по относительным размерам минеральных зёрен слагающих породу.

По абсолютным размерам составных частей

Д. С. Штейнберг (1957) выделил следующие типы структур [13]:

грубозернистая – с размером минеральных зёрен более

10 мм;

крупнозернистая – с размером зёрен от 5 до 10 мм;

среднезернистая – с размером зёрен от 2 до 5 мм;

мелкозернистая – с размером зёрен 1–2 мм;

тонкозернистая – с размером менее 1 мм.

афанитовая (скрытокристаллическая) структура, которую выделяют среди тонкозернистых структур, когда в породе невооруженным глазом зернистость не обнаруживают, однако под микроскопом видны мелкие минеральные зёрна размером менее 0,1 мм.

Приведенное разделение структур по абсолютным размерам не является общепризнанным. В связи с этим, при описании пород кроме названия структуры по величине составных частей следует указывать средний размер зёрен в миллиметрах.

16

По относительным размерам составных частей среди метаморфических структур выделяют:

а) равномерно-зернистые структуры, характеризуемые тем,

что зёрна, слагающие породу, имеют близкие размеры, укладывающиеся в один класс размерности, например, тонкозернистый;

б) неравномерно-зернистые структуры – характеризуемые присутствием зёрен, резко отличающихся друг от друга по размерам и представляющих разные классы размерности.

Вкачестве примеров здесь могут служить:

порфировая структура – в общую кристаллическую или стекловатую массу вкраплены крупные зёрна;

обломочная структура – порода сцементирована из

обломков.

Зёрна в породе могут быть соединены между собой либо непосредственно гранями, либо с помощью цементирующего вещества, т. е. тонкообломочного материала. По химическому составу цемент может быть кремнистым, известковым (карбонатным), глинистым, железистым, гипсовым, мергелистым, кальцитовым, фосфатным и др. Наибольшей прочностью обладают породы с кремнистым и железистым цементом, наименьшей – с гипсовым и глинистым [1, п. 3.3].

По соотношению цементирующего материала и обломков выделяют следующие типы цементов:

базальный – обломки заключены в цементирующем материале и не соприкасаются друг с другом;

поровый – зерна соприкасаются друг с другом, а цемент заполняет промежутки между зернами;

контактовый – цемент присутствует только на контакте зерен, а промежутки между зернами не заполнены;

пленочный – цемент покрывает тонким слоем все обломки, связывая их между собой, часть пор между зернами остается незаполненной.

Из описанных типов цементов наибольшую прочность связи обеспечивает базальный цемент, наименьшую – контактовый.

1.2.3 Текстура горной породы

Текстура горной породы – характеристика строения горной породы, определяющая взаимное расположение и ориенти-

17

ровку минеральных агрегатов горной породы [46].

Характер текстур связан, преимущественно, с геологическими условиями формирования пород и в меньшей степени с их составом. В [46] выделяют следующие основные типы строения (текстуры):

1)Статистический тип строения горной породы – строение, характеризующееся отсутствием преимущественной ориентации, равномерным распределением зёрен и минеральных агрегатов в горной породе.

2)Матричный тип строения горной породы – строение, характеризующееся наличием крупных включений минеральных зёрен или агрегатов в основной однородной минеральной среде.

3)Прожилковый тип строения горной породы – строение, характеризующееся наличием в породе минералов, агрегатов или пор в виде пучков, волокон, каналов с преимущественной ориентацией.

4)Слоистый тип строения горной породы – строение, характеризующееся чередованием прослоек различных минералов, минеральных агрегатов или плоскостей ослабления.

Слоем называют геологическое тело, которое имеет более или менее однородный состав и ограничено приблизительно параллельными поверхностями. Чередование слоёв называют слои-

стостью горных пород.

В отечественной петрографической литературе текстурой называют особенности строения горной породы, определяемые взаиморасположением составных частей породы и способом заполнения ими пространства [13].

Текстуры подразделяют на две большие группы [13]:

 по взаиморасположению составных частей.  по способу заполнения пространства.

а) По взаиморасположению составных частей выделяют-

ся два типа текстур:

1)Однородные (массивные) текстуры обусловлены особен-

ностями кристаллизации, их характеризуют равномерным распределением в породе минеральных зёрен различного состава, размера, формы и отсутствием их закономерной ориентировки. При этом порода во всём объёме имеет одинаковую структуру, состав. Одно-

18

родные текстуры наиболее распространены в магматических и значительно реже встречаются в метаморфических породах.

2) Неоднородные текстуры характеризуют наличием участков или слоёв различного минерального состава и структуры, либо ориентированным расположением минералов в породе. Неоднородные текстуры наиболее типичны для большинства метаморфических пород.

Среди них выделяют многочисленные разновидности, среди которых наиболее распространены:

сланцеватая текстура – очень широко распространена, её характеризуют более или менее параллельная ориентировка некоторых минералов и наличие субпараллельных плоскостей сланцеватости, по которым породу легко разбить на отдельные пластинки. В зависимости от формы преобладающих минералов выделяют разновидности сланцеватых текстур:

плоскопараллельная сланцеватая текстура – отли-

чается наличием в породе довольно совершенных субпараллельных плоскостей, вдоль которых располагаются пластинчатые и чешуйчатые минералы;

линейно-сланцеватая текстура – возникает в поро-

дах, сложенных удлиненными минералами, ориентированными субпараллельно. При таком типе текстуры плоскости сланцеватости выражены менее отчетливо;

плосковолнистая сланцеватая текстура – представ-

лена волнистой поверхностью плоскостей сланцеватости, обусловленной наличием в породе субпараллельно ориентированных изгибающихся чешуйчатых минералов;

очковая или линзовидная текстура – отличается наличием в породе отдельных округлых, либо линзовидных зерен или их скоплений, ориентированных согласно сланцеватости.

б) По способу заполнения пространства выделяют два ти-

па текстур с несколькими разновидностями.

1) Плотная (компактная) текстура, характеризуемая тем,

что магматическая масса целиком заполняет пространство ею занятое. При этом горная порода состоит из составных частей, которые тесно соприкасаются между собой и не содержит какихлибо пор или пустот.

19

2) Пористая текстура – типичная для эффузивных пород, отличается присутствием в породе пор и пустот обычно округлой и эллипсоидальной формы, иногда они принимают трубчатый вид. В кислых эффузивных породах поры и пустоты преимущественно обнаруживают неправильную форму, вследствие большей вязкости таких лав.

Шлаковую текстуру выделяют при наличии в породе обильного количества пор и пустот, не заполненных вторичными минералами.

Миндалекаменную текстуру выделяют в том случае, когда поры и пустоты в эффузивных породах оказываются заполненными более поздними вторичными минералами. Выполнение миндалин может быть представлено весьма разнообразными низкотемпературными минералами (кальцитом, хлоритом, эпидотом, кварцем, халцедоном, цеолитами).

Миароловую текстуру встречают в крупно-, грубозернистых интрузивных породах и характеризуют наличием полостей, либо неправильных угловатых пустот, ограниченных гранями кристаллических зёрен. Миароловые пустоты часто выполнены более поздними минералами, образовавшимися из остаточных расплавов. Однако, иногда они остаются ничем не заполненными.

Шаровую текстуру наблюдают сравнительно редко в некоторых интрузивных породах (гранитах, диоритах и габбро). Её характеризует наличие шаровых и эллипсоидальных образований, часто имеющих концентрически-зональное строение и скорлуповатую отдельность, которые отчетливо выделяются на фоне кристаллически зернистой основной массы породы.

Подушечную текстуру наблюдают в породах, образовавшихся при подводном излиянии лавовых расплавов. Такие породы сложены сфероидальными, округлыми шаровидными телами размером до 1 м, которые сцементированы осадочным материалом, либо вторичными продуктами.

1.2.4 Оценка параметров строения горных пород

Параметр строения горной породы – характеристика, чис-

ленно оценивающая строение горной породы [46].

Размер минеральных зёрен оценивают по их среднему диа-

метру dср, который определяют с помощью измерительных ин-

20

струментов: линейка, штангенциркуль, микроскоп.

Коэффициент неоднородности горной породы – параметр строения, характеризующий разброс формы и размеров минеральных зёрен или агрегатов горной породы, относительно среднего их значения [46].

Форму минеральных зёрен и пор, характеризуют коэффици-

ентом формы зёрен Kфз [46], который определяют отношением их максимальных размеров lз к взаимно перпендикулярным минимальным – dз по формуле [9, п. 1.1]

где lз – максимальный размер минерального зерна, мм; dз – минимальный размер минерального зерна, мм.

Неоднородность зёрен по форме оценивает коэффициент неоднородности формы зёрен горной породы Kнф – параметр строения, характеризующий форму зёрен минералов, минеральных агрегатов в горной породе или кусков рыхлой и разрушенной горной породы, определяемый по формуле [9, п. 1.1]

где kфз90 – определенный по формуле (1.1) коэффициент формы зёрен, занимающих 90 % площади образца;

kфз10 – коэффициент формы зёрен, занимающих 10 % площади образца.

Неоднородность породы по размерам зёрен оценивают ко-

эффициентом неоднородности породы по размерам зёрен Кнр,

определяемым по формуле

нр d10

где d90 – максимальный диаметр зёрен, занимающих 90 % площади образца, мм;

d10 – максимальный диаметр зёрен, занимающих 10 % площади образца, мм.

Коэффициент слоистости горной породы – параметр строе-