Geologia_2
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачева»
Кафедра геологии
СКАЛЬНЫЕ ГРУНТЫ ОСАДОЧНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Инженерно-геологические основы градостроительства»
для студентов направления подготовки 21.03.02 (120700.62) «Землеустройство и кадастры»,
очной формы обучения
Составители А. А. Возная О. А. Миллер
Утверждены на заседании кафедры Протокол № 23 от 17.02.2015 Рекомендованы к изданию учебно-методической комиссией направления 21.03.02 (120700.62)
Протокол № 59 от 13.03.2015 Электронная версия находится в библиотеке КузГТУ
Кемерово 2015
Лабораторная работа № 3
СКАЛЬНЫЕ ГРУНТЫ ОСАДОЧНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
Цель лабораторной работы: изучение состава, строения и принципов классифицирования осадочных горных пород в общей петрографии и осадочных скальных грунтов в инженерной геологии, а также овладение навыками их определения и описания.
1. Теоретические положения
Осадочные горные породы – минеральные агрегаты, образованные из остаточных и переотложенных продуктов выветривания и разрушения различных горных пород, путем химического или механического выпадения осадков в водновоздушной среде, иногда при посредничестве организмов. Существование осадочных пород возможно в термодинамических условиях приповерхностной части земной коры.
Раздел общей петрографии, изучающий состав, строение и генезис осадочных горных пород, называется литологией.
По составу исходного материала осадочные горные породы объединяют в следующие группы:
1.Обломочные осадочные горные породы, возникающие из обломков ранее существовавших горных пород и минералов.
Вэту группу входят и вулканогенно-осадочные обломочные
–пирокластические горные породы, которые не рассматриваются в данной работе.
2.Глинистые осадочные горные породы, возникающие из частиц глинистых минералов.
3.Осадочные породы химического и биохимического про-
исхождения, возникающие при осаждении вещества из истинных или коллоидных растворов иногда при участии биологического посредника.
1
По особенностям минерального и химического состава осадочные породы третьей группы делятся на девять подгрупп:
а) карбонатно-глинистые; б) карбонатные; в) кремнистые; г) фосфатные; д) железистые; е) аллитные;
ж) марганцовистые; з) соляные (эвапориты);
и) каустобиолиты (горючие).
Осадочные породы не всех подгрупп рассматриваются как грунты, так как являются ценными полезными ископаемыми. В данной работе будут изучены не в полном объёме.
Процесс осадочного породообразования называется литогенез, это длительный и многостадийный процесс. Образование осадочных пород происходит благодаря совокупной деятельности всех экзогенных сил, а также дальнейшего преобразования отложенного осадка при погружении вглубь земной коры на фоне роста температуры и давления.
Стадии литогенеза
Седиментогенез (накопление осадков)
Основные этапы седиментогенеза сводятся к следующему: 1. Механическая и химическая мобилизация вещества в ко-
рах выветривания и другими экзогенными силами путём разрушения ранее образованных горных пород и возникновение исходного материала для осадконакопления: обломки горных пород
иминералов, глинистые частицы, растворы.
2.Перенос (транспортировка) вещества в водной и воздушной среде волочением, во взвешенном состоянии или в виде растворов.
3.Осаждение (седиментация) материала в депрессиях водосборных площадей и конечных водоемах стока.
В итоге образуются осадки – крайне неравновесные в физи- ко-химическом отношении системы.
2
В процессе транспортировки и осаждения осуществляется уникальное природное явление – осадочная дифференциация (разделение) вещества.
Механическая дифференциация связана с разделением об- ломочно-глинистого материала в двигающейся водной или воздушной среде под воздействием силы тяжести, при этом осадочный материал сортируется по размеру и весу. В результате образуются высоко сортированные обломочные и глинистые осадки.
Химической дифференциации подвергаются растворы на этапе седиментации. Растворённые вещества осаждаются на геохимических барьерах, индивидуальных для каждого соединения. Вещество становится нерастворимым в новой физикохимической обстановке и осаждается. В итоге из многокомпонентных растворов морской или речной воды образуются часто мономинеральные осадки.
Осадочная дифференциация вещества является причиной многообразия осадочных горных пород.
Диагенез
На стадии диагенеза происходит превращение осадков в осадочные горные породы путем приведения крайне неравновесной «пестрой» системы осадка в равновесное состояние, за счет внутренних ресурсов самого осадка. Мощность зоны диагенеза – десятки-сотни метров.
На ранних этапах в верхнем слое осадка диагенез осуществляется при низких температурах (ниже 25 °С) в условиях активной бактериальной деятельности и сводится к генерации аутигенных (образовавшихся на месте нахождения) диагенетических минералов. Окислительный этап во времени сменяется восстановительным.
На поздних этапах, при погружении осадка вглубь земной коры, действующими факторами диагенеза являются температура (до 50–75 °С), давление (до 15–25 МПа) и геологическое время (тысячи – миллионы лет).
Осуществляется уплотнение и обезвоживание осадка, перераспределение аутигенных минералов в конкреции и сгустковые цементы, отмечается локальная обычно слабая литификация
3
(окаменение) осадков.
Породы стадии диагенеза представлены нелитифицированными (несцементированными) представителями: песками, алевритами нередко с глинистым наполнителем, глинами. Четвертичные отложения слагаются песками, супесями, суглинками, глинами. Эти породы не являются скальными грунтами и будут рассмотрены в лабораторной работе «Дисперсные грунты».
Катагенез
Под катагенезом понимают преобразование вещества осадочных толщ при дальнейшем погружении на глубины до 5–8 км на фоне роста температуры (до 210–280 °С), давления (до 200 МПа), химического воздействия поровых вод. Геологическое время протекания катагенеза десятки – сотни миллионов лет.
На этой стадии осадочные породы переходят в литифицированные (сцементированные) разновидности, являющиеся скальными грунтами.
Обломочные породы: алевриты, пески – преобразуются в алевролиты и песчаники, глинистое вещество в них – в глинистый цемент. Глины становятся аргиллитами.
2. Содержание и порядок выполнения лабораторной работы, описание оборудования
Занятие посвящено теоретическому и практическому освоению инженерной петрографии осадочных скальных грунтов. Выполнение лабораторной работы предусматривает знакомство с эталонной коллекцией осадочных горных пород.
Диагностические признаки горных пород и принципы ин- женерно-геологического классифицирования пород как грунтов (ГОСТ 25100–2011), содержатся во введении к лабораторной работе № 2.
Определение места природного скального грунта (горной породы) в инженерно-геологической классификации начинается с определения структурно-текстурных особенностей, вещественного состава и петрографического наименования.
Объектом практической работы является образец осадочной
4
горной породы индивидуальной задачи под номером 3. Порода принадлежит к одной из трёх групп осадочных пород по составу исходного разрушенного материала: обломочным, глинистым или химическим и биохимическим породам. Каждая группа характеризуется своими структурно-текстурными особенностями, минеральным составом и подходами к классифицированию. Методики петрографического исследования и описания осадочных пород каждой группы приведены в последующих разделах.
Численные инженерно-геологические характеристики исследуемого осадочного грунта приведены в прил. 1. Вариант соответствует номеру индивидуальной задачи.
Необходимое оборудование и материалы: методические указания к лабораторной работе № 3 по инженерной петрографии, ГОСТы 25100-2011 «Грунты: классификация», эталонную коллекцию осадочных горных пород, шкалы твёрдости, лупы, стеклянные и фарфоровые пластинки, комплект индивидуальных задач на подгруппу – получает дежурный до начала занятия.
Форма и примеры составления отчета к лабораторной работе № 3, а также образец оформления титульного листа приводятся в прил. 2 и 3.
Требования к оформлению отчёта и защите лабораторной работы содержатся во введении к лабораторной работе № 2.
3. Методика определения и описания обломочных осадочных скальных грунтов
В обломочных осадочных скальных грунтах принято выделять две составные части: обломочный материал и цемент.
3.1. Структуры обломочных пород
При характеристике структуры обломочных пород учитываются размер обломков, их сортировка, степень окатанности (форма) обломков, а также структурный тип (вид) цемента.
5
1. По размеру обломков выделяются структуры: а) 2 мм – псефитовая (грубообломочная)
(псэфос – камешек); б) 0,1 – 2 мм – псаммитовая (песчаная)
(псаммос – песок); в) 0,01 – 0,1 мм – алевритовая (пылеватая)
(алеврос – мука).
Алевритовая структура без микроскопа предположительно устанавливается в обломочных породах, в которых визуально не видны отдельные обломочные зёрна, от похожей пелитовой структуры глинистых пород отличается более шероховатой поверхностью на ощупь.
2.По относительной разнице в размере обломков различают структуры:
а) сортированную; б) несортированную.
В последнем случае указывают структуры верхнего и нижнего предела размеров и преобладающую структуру.
3.По степени окатанности (форме) обломков выделяют
неокатанные, полуокатанные и окатанные структуры (рис. 1).
Рис. 1. Форма обломков по степени окатанности: а) неокатанная, б) полуокатанная, в) окатанная.
Реально степень окатанности может быть установлена без микроскопа в породах с размером обломков более 2 мм, т.е. псефитовой структуры. Для пород с размером обломков менее 2 мм предлагается указать в отчете степень окатанности предположительно. В песчаных породах обломки обычно полуокатанные и окатанные, в породах алевритовой размерности – полуокатанные и неокатанные.
6
4. Структурный тип (вид) цемента обломочных пород
По соотношению обломков и цементирующего материала выделяют следующие типы (виды) цементов (рис. 2):
1)базальный – обломочные зерна не соприкасаются друг с другом, «плавают в цементе»;
2)поровый – обломки соприкасаются друг с другом, а цемент заполняет поры между ними;
3)пленочный – цемент покрывает обломки пленкой, остальная часть пор остается незаполненной;
4)контактовый – цемент присутствует только в участках соприкосновения обломков.
В условиях, переходных к начальному метаморфизму, в обломочных породах нередко развивается регенерационный цемент путем разрастания обломочных зерен вплоть до восстановления кристаллографической формы. Цементация осуществляется за счет появления межзерновых связей.
Рис 2. Структурные типы (виды) цементов обломочных пород: а) базальный, б) поровый, в) плёночный, г) контактовый, д) регенерационный.
Практически при описании типа цемента без микроскопа необходимо руководствоваться следующим. Тип цемента достаточно надёжно (с применением лупы) устанавливается в породах с размером обломков более 2 мм. В породах с меньшей размерностью обломков вид цемента устанавливают предположительно, полагая наличие контактового или плёночного цемента при пористом сложении породы и базального или порового цемента при плотном сложении породы.
Вид цемента имеет большое значение в инженерногеологических прогнозах. Обломочные породы с поровым глини-
7
стым цементом обнаруживают достаточно высокую прочность, так как контактирующие обломки, соприкасаясь друг с другом, образуют треугольники жесткости, воспринимающие внешнюю разрушающую нагрузку. Цемент препятствует проворачиванию зерен. В случае базального глинистого цемента, где обломки не касаются между собой, нагрузку воспринимает цемент, и такие породы по прочности приближаются к слабым глинистым породам.
Пример описания структуры сцементированной обломочной породы: структура алевритовая, сортированная, обломки неокатанные, цемент поровый.
3.2. Текстуры обломочных пород
Основным текстурным признаком обломочных пород является слоистость, выражающаяся либо в чередовании слойков разного гранулометрического состава, либо в чередовании слойков, обогащенных включениями углефицированного растительного материала или минеральных примесей, либо в ориентировке уплощенных обломков вдоль слоистости.
По наличию или отсутствию слоистости различают неслои-
стую, горизонтальнослоистую, волнистослоистую и косослои-
стую текстуры (рис. 3).
Рис 3. Текстуры обломочных пород: а) неслоистая, б) горизонтальнослоистая, в) волнистослоистая, г) косослоистая
При характеристике слоистости отмечается отчётливость её проявления: резко выраженная, отчётливая, неотчётливо выраженная.
8
3.3. Минеральный состав обломочных пород
Состав обломков
В обломочной части пород псефитовой структуры обнаруживаются обломки различных по происхождению горных пород (магматических, осадочных метаморфических) и отдельные дезинтегрированные зёрна минералов (кварц, полевой шпат).
Обломочная часть пород псаммитовой и алевритовой структур представлена в основном кварцем и полевыми шпатами, которые при описании пород с трудно различимыми зёрнами приходится указывать без микроскопа предположительно.
Состав цемента
Для определения состава цемента необходимо иметь стеклянную пластинку и разбавленную соляную кислоту. Наиболее распространёнными в обломочных породах цементами являются:
а) глинистый – гидрослюдистый, каолинитовый, реже монтмориллонитовый (порода легко царапается стеклом и не реагирует с HCl, обломки рельефно возвышаются над поверхностью скола);
б) карбонатный – кальцитовый или доломитовый (порода легко царапается стеклом, капля кислоты вскипает при нанесении непосредственно на поверхность образца, если цемент кальцитовый, либо в порошке при доломитовом составе цемента). Если пузырьки выделяются в отдельных точках капли, значит, карбонатное вещество в цементе представлено сгустками и основная масса цемента сложена глинистыми минералами;
в) кремнистый – опаловый или халцедоновый (стекло не царапает породу, реакция с HCl отрицательная);
г) железистый – лимонитовый (обнаруживается в породах бурых тонов окраски с охристо-жёлтой чертой) или гематитовый (обнаруживается в породах буровато-красных тонов окраски с вишнёво-красной чертой).
Рекомендованными способами можно установить преобладающий состав цемента.
9