Горная порода образуется в определенных геологических условиях, что отражается на форме ее залегания и внешних физических признаках: цвете, минералогическим составе, строении, физическом состоянии и т. д.
Окраска породы определяется цветом породообразующих минералов или различными примесями. Выделяют светлые породы (белые, светло-серые и др.) и темно-окрашенные (черные, серые и др.).
Минералогический состав пород являются одним из факторов, определяющих свойства пород. Породы бывают мономинеральными (например, известняк состоит из одного минерала – кальцита) и полиминеральными (гранит – из кварца, полевых шпатов, слюды).
Тип горной породы определяют главные породообразующие минералы, которые входят в качестве постоянных, существенных компонентов в состав породы, каждый их которых составляет более 5%, а сумме около 95%. Второстепенные минералы слагают около 5% породы. Среди минералов выделяются первичные, образовавшиеся в процессе формирования горной породы, и вторичные – в результате замещения первичных минералов (например, замещение калиевого полевого шпата – каолинитом). Количество вторичных минералов служит показателем степени выветренности пород, что влияет на изменение ее физико-механических свойств.
2,9
Под строением горной породы понимается структура и текстура.
Структура (с лат. структура – строение) – характеризует внутреннее строение породы и определяется размером, формой и количественным соотношением отдельных минеральных частиц (зерен) или их агрегатов.
Текстура (от лат. текстура – ткань, сплетение) – отражает внешний облик породы, обусловлена пространственным размещением минеральных частиц или агрегатов в породе и монолитностью – степенью сплошности породы.
Строение породы отражает условия ее формирования, определяет ее свойства и особенности и влияет прежде всего на неоднородность ее, которая обуславливает анизотропность водопроницаемости, сжимаемости, сопротивлению сдвигу, обуславливающих поведение пород при возведении сооружений и устойчивости их.
По физическому состоянию выделяют рыхлые породы (например, песок) и плотные (гранит, известняк).
Горные породы – это сложные природные агрегаты, состав, строение и состояние которых существенно влияют на их физико-механические свойства.
Основными факторами являются:
– зернистость (изменения в размерах зерен, преобладающие фракции в мм);
– форма зерен (изометрическая, игольчатая, таблитчатая и т. д.);
– тип цемента (базальный, контактовый и др.);
– примеси, включения, конкреции;
– трещиноватость (особенно в массиве).
По происхождению (генезису) горные породы делятся на магматические, осадочные и метаморфические, что отражается на их внешних признаках.
Магматические горные породы
Образуются в результате остывания и кристаллизации природного огненно-жидкого расплава (магмы, от греч. магма – тесто) как под Землей, так и на ее поверхности. В первом случае, затвердевание происходит медленно, вся магма успевает закристаллизоваться и образуются глубинные (интрузивные, от лат. интрузио – внедрение) горные породы, в во втором – при быстром поднятии магмы и резком падении температуры – излившиеся, поверхностные (эффузивные, от греч. эффузио – излияние) породы. Различные условия затвердевания магмы обусловили неодинаковые структурно-текстурные особенности пород (рис. 1).
География. 8 класс. Свойства горных пород и минералов. Определение возраста горных пород/15.10.2020/
Рис. 1. Структуры магматических пород:
а – неравномерно-зернистая; б – равномерно-зернистая; в – порфировая;
г – порфировидная
Для интрузивных пород характерны полнокристаллические (зерна ясно различимы простым глазом), равномерно или неравномерно зернистые структуры и массивная (однородная, беспорядочная) текстура (рис. 2).
| а | б | в |
| г | д | е |
Рис. 2. Текстуры магматических пород:
а – массивная; б – миндалекаменная; в– полосчатая;
г – пузыристая; д – пятнистая; е — течения
Эффузивные породы отличаются стекловатым (аморфным), скрытокристаллическим (кристаллы неразличимы глазом), порфировым (крупные ограненные кристаллы среди плотной нераскристаллизованной основной массы) строением, пористой, миндалекаменной (пустотки – миндалины в породе заполнены вторичным минералом), флюидальной (связанной с течением магмы) текстурами.
Среди излившихся пород по степени их свежести выделяют кайнотипные (от греч. кайнос – новый), т. е. образовавшиеся совсем недавно – неизмененные, свежие породы и палеотипные (от греч. палеос – древний), более древние – в различной степени разрушенные и содержащие вторичные минералы.
При извержении происходят взрывы газов и перегретых паров воды и на поверхность земли выбрасываются раздробленные или распыленные твердые вулканические продукты (пепел, песок, вулканические бомбы). Этот материал в дальнейшем подвергается цементации и образуются пирокластические (вулканогенные – обломочные) породы (например, вулканический туф).
Минералогический состав магматических пород весьма разнообразен: наиболее распространены полевые шпаты, кварц, роговая обманка, авгит, слюды и меньше – оливин, нефелин, магнетит, апатит и другие минералы. Типичными процессами вторичного минералообразования являются серицитизация (серицит – тонкочешуйчатая светлая слюда), каолинизация, хлоритизация и др.
Общепринятой является классификация магматических пород по химическому и минералогическому составу. По содержанию SiO2 породы условно разделены на 4 группы: кислые (SiO2 более 65%), средние (SiO2 от 65 до 52%), основные (SiO2 от 52 до 40%) и ультраосновные (SiO2 менее 40%). Здесь в одну группу объединяют породы различные по происхождению, но близкие по вещественному составу. Дальнейшее разделение пород внутри группы производится по минералогическому составу, причем особая роль отводится полевым шпатам, меньше кварцу
Практическое значение классификации выражается в том, что с уменьшением содержания SiO2 окраска пород становится темнее, увеличивается их плотность, понижается температура плавления, породы лучше поддаются полировке.
Степень устойчивости магматических пород по отношению к выветриванию в значительной степени зависит от минералогического состава.
Слюды способствуют физическому выветриванию пород. Под влиянием колебаний температуры и периодического замораживания и оттаивания породы, содержащие большое количество слюд, теряют связи и расслаиваются.
Полевые шпаты устойчивы в свежем состоянии. Помутневшие и трещиноватые кристаллы быстро разрушаются. Причем наиболее устойчивы против выветривания ортоклаз и альбит, наименее – основные плагиоклазы.
Роговая обманка и авгит сравнительно устойчивы против выветривания даже при действии кислот, которые образуются при разложении пирита.
Оливиннаименее устойчивый минерал, быстро подвергающийся разложению под влиянием колебания температуры и действия воды, особенно содержащей серную кислоту
Следует отметить также пирит, который легко окисляется, образуя с водой серную кислоту, которая ускоряет процесс разложения других минералов.
Любые вторичные изменения горных пород влияют на их физико-механические параметры. Так, хлоритизация (т. е. замещение некоторых минералов хлоритом) магматических пород вызывает снижение их плотности, прочности, модуля упругости.
Наличие трещин в магматических породах нарушает монолитность массива, расчленяет его на различные отдельности, определяет пути движения подземных вод, наиболее вероятные подвижки отдельных блоков породы в откосах. Трещины влияют на прочность и устойчивость пород, их водопроницаемость, степень обводненности и т. д.
В целом, в районах преобразования магматических пород под влиянием выветривания, различных деформаций при тектонических движениях, антропогенных воздействиях и т. д. наблюдается значительное ухудшение их инженерно-строительной характеристики: увеличение их пористости и трещиноватости, уменьшение плотности, прочности, повышение водопроницаемости и т. д.
Осадочные горные породы
Образуются в поверхностной части земной коры из продуктов разрушения других горных пород (магматических, осадочных или метаморфических), а также в результате жизнедеятельности организмов и растений, химического выпадения осадка из водных растворов. Рыхлые осадки постепенно уплотняются, цементируются и превращаются в горные породы.
Для осадочных пород в отличие от магматических и метаморфических характерны условия залегания преимущественно в вид слоев и линз, различные виды слоистых текстур (рис. 3), остатки флоры и фауны, пористость, более бедный минералогический состав.
Рис. 3. Типы слоистости осадочных пород:
а – горизонтальная; б – волнистая; в – косая
Наибольшее значение имеют минералы устойчивые в зоне осадконакопления или образующиеся при экзогенных процессах: глинистые (каолинит, монтмориллонит и др.), кварц, слюды, халцедон, опал, кальцит, доломит, гипс, ангидрит, лимонит и др.
Большее значение в осадочных породах имеет пористость, которая обуславливает способность к уплотнению породы и в порах которой могут находиться вода, газ, нефть. Величина пористости зависит как от гранулометрического состава и характера упаковки зерен, так и от выщелачивания отдельных участков и составных частиц породы циркулирующими растворами.
По степени пористости различают породы плотные, мелкопористые (мелкие поры можно различать на глаз), крупнопористые (величина пор 0,5-2,5 мм), кавернозные (пустоты более 2,5 мм образовались в результате выщелачивания отдельных участков породы или органических остатков).
По происхождению выделяют обломочные, химические (хемогенные), органогенные (биогенные) и смешанные породы. Химические осадки часто выпадают при прямом или косвенным участии организмов. Такие породы называются биохимическими.
Обломочные породы
Сложены обломками минеральных зерен и различных пород. Классификация обломочных горных пород основана на размере, форме обломков (частиц) и характере их сцементированности (табл. 1).
Дата добавления: 2018-05-02 ; просмотров: 3406 ; Мы поможем в написании вашей работы!
Источник: studopedia.net
Физико-механические свойства горных пород. Виды и классификация горных пород
Физико-механические свойства в совокупности описывают реакцию конкретной горной породы на различные типы нагрузки, что имеет большое значение при разработке скважин, строительстве, добыче полезных ископаемых и других работах, связанных с разрушением породных массивов. Благодаря этим сведениям можно рассчитать параметры режима бурения, правильно подобрать инструмент и определить конструкцию скважины.
Физико-механические свойства горных пород во многом зависят от входящих в их состав породообразующих минералов, а также от характера процесса формирования. Реакция породы на различные механические воздействия определяется особенностью ее структуры и химического состава.
Что такое горная порода
Горная порода — это образованная минеральными агрегатами или их обломками геологическая масса, обладающая определенными текстурой, структурой и физико-механическими свойствами.
Под текстурой понимают характер взаимного расположения минеральных частиц, а структура описывает все особенности строения, к которым относятся:
- характеристика минеральных зерен (форма, размер, описание поверхности);
- особенности соединения минеральных частиц;
- состав и структура скрепляющего цемента.
Текстура и структура в совокупности составляют внутреннее строение горной породы. Эти параметры в значительной степени определяются природой породообразующих материалов и характером геологических процессов формирования, которые могут протекать как в глубине, так и на поверхности.
В упрощенном понимании горная порода представляет собой слагающее земную кору вещество, характеризующееся определенным минеральным составом и дискретным набором физико-механических свойств.
Общая характеристика горных пород
Горные породы могут быть образованы минералами разного агрегатного состояния, наиболее часто — твердого. Значительно реже встречаются породы из жидких минералов (вода, нефть, ртуть) и газообразных (природный газ). Твердые агрегаты чаще всего имеют форму кристаллов определенной геометрической формы.
Из 3000 известных в настоящее время минералов лишь несколько десятков являются породообразующими. Среди последних выделяют шесть разновидностей:
- глинистые;
- карбонатные;
- хлоридные;
- окисные;
- сульфатные;
- силикатные.
Среди минералов, составляющих определенный вид горной породы, 95 % приходится на породообразующие и около 5 % — на акцессорные (иначе вспомогательные), которые представляют собой характерную примесь.
Горные породы могут залегать в земной коре сплошными слоями либо образовывать отдельные тела — камни и валуны. Последние представляют собой твердые куски любого состава, за исключением металлов и песка. В отличие от камня, валун имеет гладкую поверхность и округлую форму, которые сформировались в результате обкатывания водой.
Классификация
В основе классификации горных пород лежит в первую очередь происхождение, на основании которого они подразделяются на 3 большие группы:
- магматические (иначе называются изверженными) — формируются в результате подъема из глубин мантийного вещества, которое в результате изменения давления и температуры затвердевает и кристаллизуется;
- осадочные — образуются в результате накопления продуктов механического или биологического разрушения других пород (выветривания, дробления, переноса частиц, химического разложения);
- метаморфические — являются результатом преобразования (например, перекристаллизации) магматических или осадочных пород.
Происхождение отражает характер геологического процесса, в результате которого образовалась порода, поэтому каждому типу формирования соответствует определенный набор свойств. В свою очередь, классификация внутри групп учитывает также особенности минерального состава, текстуры и структуры.
Магматические породы
Характер строения магматических пород определяется скоростью остывания мантийного вещества, которая обратно пропорциональна глубине. Чем дальше от поверхности, тем магма застывает медленней, формируя плотную массу с крупными минеральными кристаллами. Типичным представителем глубинной магматической породы является гранит.
Быстрый прорыв магмы на поверхность возможен через трещины и разломы земной коры. В таком случае мантийное вещество быстро затвердевает, образуя тяжелую плотную массу с мелкими кристаллами, часто неразличимыми на глаз. Наиболее распространенной породой такого типа является базальт, имеющий вулканическое происхождение.
Магматические породы подразделяются на интрузивные, которые сформировались в глубине, и эффузивные (иначе излившиеся), которые застыли на поверхности. Первые характеризуются более плотной структурой. Основными минералами магматических пород являются кварц и полевые шпаты.
Осадочные породы
По происхождению и составу выделяют 4 группы осадочных пород:
- обломочные (терригенные) — осадок накапливается из продуктов механического раздробления более древних пород;
- хемогенные — образуются в результате процессов химического осаждения;
- биогенные — формируются из остатков живой органической материи;
- вулканогенно-осадочные — формируются в результате вулканической деятельности (туфы, кластолавы и др).
Именно из осадочных пород добываются общераспространенные полезные ископаемые органического происхождения, обладающие горючими свойствами (нефть, асфальт, газы, каменный и бурый уголь, озокерит, антрацит и др.). Такие образования называют каустобилитами.
Метаморфические породы
Метаморфические породы формируются в результате преобразования более древних геологических масс различного генеза. Такие изменения являются следствием тектонических процессов, приводящих к погружению пород на глубину, в условия с более высокими значениями давления и температуры.
Перемещения земной коры также сопровождаются миграцией глубинных растворов и газов, которые взаимодействуют с минералами, вызывая образование новых химических соединений. Все эти процессы приводят к изменению состава, структуры, текстуры и физико-механических свойств пород. В качестве примера такого метаморфизма можно привести превращение песчаника в кварцит.
Общая характеристика физико-механических свойств и их практическое значение
К основным физико-механическим свойствам горных пород относят:
- параметры, описывающие деформацию под действием различных нагрузок (пластичность, плывучесть, упругость);
- реакции на вмешательство твердого тела (абразивность, твердость);
- физические параметры породной массы (плотность, водопроницаемость, пористость и др);
- реакции на механическое воздействие (хрупкость, прочность).
Все эти характеристики позволяют определить скорость разрушения горной породы, риск обвалов и экономическую стоимость бурения.
Данные по физико-химическим свойствам играют огромную роль в проведении работ по добыче общераспространенных полезных ископаемых. Особое значение имеет характер взаимодействия горной породы с буровым инструментом, влияющий на эффективность работы и износ оборудования. Этот параметр характеризуется абразивностью.
В отличие от других твердых тел, у горных пород физико-механические свойства характеризуются неравномерностью, то есть варьируют в зависимости от направления нагрузки. Такая особенность называется анизотропностью и определяется соответствующим коэффициентом (Кан).
Плотностные характеристики
К этой категории свойств относят 4 параметра:
- плотность — масса единицы объема только твердой составляющей породы;
- объемную массу — рассчитывается как плотность, но с учетом имеющихся пустот, к которым относят поры и трещины;
- пористость — характеризует количество пустот в структуре породы;
- трещиноватость — показывает количество трещин.
Так как масса воздушных полостей по сравнению с твердым веществом ничтожна, у пористых горных пород плотность всегда больше объемной массы. Если кроме пор в породе имеются трещины, эта разница увеличивается.
У пористых горных пород значение объемной массы всегда превышает плотность. Эта разница увеличивается при наличии трещин.
От количества пустот зависят другие физико-химические свойства горных пород. Пористость уменьшает прочность, что делает породу более восприимчивой к разрушению. Тем не менее такая масса более шершавая и сильнее повреждает буровой инструмент. Пористость также влияет на водопоглощение, проницаемость и влагоемкость.
Самые пористые горные породы имеют осадочное происхождение. В метаморфических и магматических породах общий объем трещин и пустот очень небольшой (не более 2 %). Исключение составляют несколько пород, отнесенных к категории излившихся. Они имеют пористость до 60 %. Примером таких пород являются трахиты, туфовые лавы и др.
Проницаемость
Проницаемость характеризует взаимодействие бурового раствора с горными породами в процессе бурения скважин. Эта категория свойств включает 4 характеристики:
- фильтрацию;
- диффузию;
- теплообмен;
- капиллярную пропитку.
Первое свойство данной группы является определяющим, так как влияет на степень поглощения бурового раствора и разрушение пород в зоне перфорации. Фильтрация вызывает набухание и потерю устойчивости пластов глинистых горных пород после первичного вскрытия. На этом параметре основаны расчеты по добыче нефти и газа.
Прочность
Прочность характеризует способность горной породы противостоять разрушению под воздействием механической нагрузки. Математически это свойство выражается в критической величине напряжения, при которой порода разрушается. Это значение называют пределом прочности. Фактически он устанавливает порог воздействия, до достижения которого порода устойчива к определенному типу нагрузки.
Существуют 4 вида пределов прочности: на изгиб, сдвиг, растяжение и сжатие, которые характеризуют сопротивляемость соответствующим механическим нагрузкам. При этом воздействие может быть одноостным (односторонним) или многоостным (происходит со всех сторон).
Прочность является комплексной величиной, в которую включены все пределы сопротивляемости. На основе этих значений в системе координат строят специальный паспорт, представляющий собой огибающую кругов напряжений.
Самый простой вариант графика учитывает только 2 значения, например, растяжения и сжатия, пределы которых откладываются на осях абцисс и ординат. На основании полученных экспериментальных данных чертят круги Мора, а затем — касательную к ним. Точки внутри кругов на таком графике соответствуют значениям напряжения, при которых порода разрушается. Полный паспорт прочности включает все виды пределов.
Упругость
Упругость характеризует способность породы восстанавливать первоначальную форму после снятия деформирующей нагрузки. Это свойство характеризуется четырьмя параметрами:
- модулем продольной упругости (иначе Юнга) — представляет собой численное выражение пропорциональности между значениями напряжения и вызываемой им продольной деформацией;
- модулем сдвига — мера пропорциональности между касательным напряжением и относительной деформацией сдвига;
- модулем объемной упругости — рассчитывается как отношение напряжения к относительной упругой деформации по объему (сжатие происходит равномерно со всех сторон);
- коэффициентом Пуассона — мера пропорциональности между величинами относительных деформаций, происходящих в разных направлениях (продольном и поперечном).
Модуль Юнга характеризует жесткость породы и ее способность к упругому сопротивлению нагрузке.
Реологические свойства
Эти свойства иначе называют вязкостными. Они отражают снижение прочности и напряжений в результате длительного действия нагрузки и выражаются в двух основных параметрах:
- ползучести — характеризует постепенное увеличение деформации при постоянном напряжении;
- релаксации — определяет время уменьшения напряжений, возникающих в породе при непрерывной деформации.
Явление ползучести проявляется тогда, когда значение механического воздействия на породу меньше, чем предел упругости. При этом нагрузка должна быть достаточно длительной.
Методы определения физико-механических свойств горных пород
В основе определения этой группы свойств лежит опытное вычисление реакции на нагрузки. Например, для установления пределов прочности образец породы сжимают под прессом или растягивают, выясняя уровень воздействия, который приводит к разрушению. Параметры упругости определяются по соответствующим формулам. Все эти методы называют нагружением физическими инденторами в условиях лаборатории.
Некоторые физико-механические свойства могут определяться и в натурных условиях с использованием метода обрушения призм. Несмотря на сложность и высокую стоимость, такой способ более реалистично определяет ответ природного геологического массива на нагрузку.
Источник: autogear.ru
Какими основными свойствами обладают горные породы
Бесплатные экскурсии в музей Пиявки!
Международный Центр Медицинской Пиявки приглашает посетить музей и узнать о пользе и вреде пиявок, их выращивании, гирудотерапии, лечебной косметике и многом другом. Подробнее >>>
АгроБиоФерма «Велегож» в Подмосковье приглашает!
Принимаются организованные группы школьников и родители с детьми (от 12 до 24 чел.) по учебно-познавательной программе «Введение в природопользование» Подробнее >>>
Зимние учеты птиц России!
Приглашаем биологические кружки, профессиональных орнитологов и просто любителей птиц принять участие в программах зимних учетов птиц «Parus» и «Евроазиатские Рождественские учеты» в зимний сезон 2020-2021 годов. Подробнее >>>
Биологический кружок ВООП приглашает!
Биологический кружок при Государственном Дарвиновском музее г.Москвы (м.Академическая) приглашает школьников 5-10 классов на занятия в музее, экскурсии по вечерам, учебные выезды в природу по выходным и дальние полевые экспедиции в каникулы! Подробнее >>>
Соревнования по полевой ботанике «ВЕСЕННЯЯ ФЛОРА» пройдут в мае-июне 2020 года в онлайн-формате (определение растений по фотографиям). К участию в соревновании приглашаются школьники и взрослые любители природы, проживающие в средней полосе Европейской части России. Подробнее >>>
Международные дни наблюдений за птицами!
Союз охраны птиц России приглашает российских любителей птиц принять участие в акции и загрузить результаты своих наблюдений на www.biodat.ru Подробнее >>>
Здесь может быть бесплатно размещено Ваше объявление о проводимом Всероссийском конкурсе, Слёте, Олимпиаде, любом другом важном мероприятии, связанном с экологическим образованием детей или охраной и изучением природы. Подробнее >>>