Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер




25.09.2019


14.09.2019


14.09.2019


08.09.2019


03.09.2019


26.08.2019


13.08.2019


13.08.2019


08.08.2019


06.08.2019





Яндекс.Метрика
         » » Минеральный состав рыхлых несвязных и мягких связных пород

Минеральный состав рыхлых несвязных и мягких связных пород

13.12.2017

Одной из важнейших характеристик рыхлых несвязных и мягких связных горных пород является их минеральный состав. Как установлено новейшими исследованиями, природа свойств, например, глин и глинистых пород в значительной степени определяется именно их минеральным составом и главным образом составом тонкодисперсной части, в зависимости от которой находится активное физико-химическое взаимодействие глин с водой. Однако до недавнего времени это обстоятельство совершенно не учитывалось. Недооценивается оно в достаточной степени многими и сейчас. Поэтому в инженерно-геологической практике длительное время состав глинистых пород характеризовался преимущественно гранулометрией, а минеральный состав если и определялся, то главным образом грубодисперсной их части. Тонкодисперсная (глинистая) часть, определяющая свойства глин, оставалась плохо изученной, так как основные породообразующие минералы, слагающие глинистые породы, имеют размеры тысячных долей миллиметра и поэтому при существовавших до недавнего времени методах исследований оставались недоступными для изучения Только после того, как широкое распространение получили более точные методы исследовании (рентгеноструктурный, термический, электронномикроскопический и др.), было установлено, что в составе глинистых пород принимают участие совершенно своеобразные породообразующие минералы, получившие название глинистых Впоследствии было установлено, что именно состав глинистых минералов определяет свойства глинистых пород Большие заслуги в изучении глинистых минералов принадлежат советским ученым

В составе грубодисперсной части глин и глинистых пород преобладающую роль играют реликтовые минералы — продукты механического разрушения первичных пород (кварц, полевые шпаты, роговая обманка, авгит, слюды, карбонаты, некоторые рудные минералы и др.). Тонкодисперсная коллоидная часть обычно содержит мало первичных продуктов механического разрушения реликтовых минералов, а состоит из продуктов химического разложения различных горных пород, как оставшихся на месте своего образования, так и переотложенных

Как показывает опыт исследования глин и глинистых по род, в составе их тонкодисперсной части (фракция <0,002 мм) преобладающую роль играют глинистые минералы, представляющие собой своеобразную группу водных алюмосиликатов, железистых и магнезиальных силикатов Кроме того, в ней встречаются также окислы и гидраты окисей кремния, железа и алюминия (табл. V-8).
Как видно из этой таблицы, все минералы по отношению молекулярных количеств SiО2/R2О3 подразделяются на группы Крайними из них являются группа, имеющая отношение, равное нулю (группа минералов полуторных окислов), и группа с отношением, равным бесконечности (группа минералов окислов кремния) Промежуточное положение занимают группы глинистых минералов, представляющих собой различные соединения кремнекислоты с полуторными окислами, т.е. различные алюмосиликаты, железистые и магнезиальные силикаты

В глинистых породах встречаются также минералы из группы простых водорастворимых солей — кальцит, доломит, гипс, галит, мирабилит и др Кроме того определенное значение в их составе имеют примеси органики, представленной растительными остатками Степень разложенности их различная — от побуревших остатков стеблей, корней до хорошо разложившейся гумусовой массы С увеличением содержания органики и повышением степени ее разложенности заметно усиливаются коллоидные свойства пород, повышаются их гидрофильность, влагоемкость, деформируемость и снижается прочность Поэтому при содержании в песчаных породах от 3 до 10 % растительных остатков, а в глинистых от 5 до 10 % обязательно отмечают их присутствие, а породы, содержащие их от 10 до 60%, называют гумусированными или заторфованными. Породы, содержащие более 60 % органики, относят к торфам (СНиП II—15—74) Породы сильно гумусированные, заторфованные и торф по инженерно-геологической классификации принадлежат к V группе, т.е. к породам особого состава и происхождения.

Из приведенной характеристики видно, что глины и глинистые породы по составу полиминеральные. Они состоят из следующих минералов: 1) осадочных новообразований, представленных несколькими группами глинистых минералов, обычно преобладающих, 2) минералов из группы окислов, гидратов окисей кремния, железа и алюминия, 3) реликтовых (обломочных) неразложившихся по тонкоизмельченных первичных минералов, имеющих подчиненное значение, 4) минералов из группы простых солей, встречающихся в виде примесей, включений, стяжений и т. п., 5) органических остатков и органических соединений.

Как показывают новейшие исследования, из всех компонентов глин и глинистых пород руководящими, определяющими их свойства и указывающими на условия образования являются глинистые минералы. Из многочисленных глинистых минералов в глинистых породах наиболее часто встречаются минералы трех групп каолинита, гидрослюд (иллита) и монтмориллонита. Общие черты глинистых минералов — это незначительные размеры их кристаллов (меньше 0,002 мм), своеобразный химический состав и пластинчатая или чешуйчатая форма, обусловленная строением кристаллической решетки. Группа каолинита состоит из минералов каолинита, галлуазита, диккита и накрита, имеющих примерно одинаковый химический состав, но различающихся между собой по структуре и физическим свойствам (рис. V-6, V-7). Характерный признак минералов этой группы — преимущественно гексагональная форма кристаллов и резкие их очертания. Наиболее распространен и лучше изучен каолинит, являющийся главным породообразующим минералом каолинов и других каолинитовых глин.
Дифференциальные кривые нагревания каолинита (рис. V-8) характеризуются одной интенсивной эндотермической реакцией с максимумом при 550—610°С, связанной с выделением конституционной воды и разрушением кристаллической решетки минерала, и двумя экзотермическими реакциями.

Кристаллическая решетка у каолинита относительно прочная и устойчивая. Каждый пакет ее состоит из слоя кремне-кислородных тетраэдров и слоя алюмокислородно гидроксильных октаэдров сочлененных между собой. Соприкасающиеся слои двух смежных пакетов, слагающих кристаллическую решетку каолинита, различны (рис. V-9). Все это делает решетку неподвижной, вследствие чего кристаллы каолинита сравнительно крупные и способны лишь незначительно поглощать воду и набухать.

Каолинит образуется при выветривании изверженных, метаморфических и осадочных пород — гранитов, гнейсо-гранитов, гнейсов, габбро, слюдяных сланцев, аркозовых песчаников и других пород, богатых алюмосиликатами (полевыми шпатами, слюдами, цеолитами и др), в условиях кислой среды (pH = 5/6) при воздействии на указанные породы кислых вод, например вод, богатых углекислотой, органическими кислотами и др. Образование каолинита возможно также в результате кристаллизации геля, выпавшего из коллоидных растворов. Такие процессы происходят как в коре выветривания, так и в других благоприятных условиях. Накапливающиеся массы каолинита образуют залежи первичных (элювиальных) каолинов или каолинитовых глин. Они могут подвергаться размыву, переотлагаться вдали от места своего образования и слагать толщи вторичных переотложенных каолинитовых глин.
Каолинит может возникать в разных климатических условиях, обязательно влажных, но мощные скопления каолинитовых глин образуются только в тропическом, субтропическом или умеренно теплом гумидном климате. Каолинитовые породы характерны для континентальных отложений разных фаций — элювиальных, делювиальных, озерных, болотных, аллювиальных, дельтовых и отложений опресненных лагун.

Группа монтмориллонита состоит из большого числа минералов, сложных и разнообразных по составу: монтмориллонита, нонтронита, гекторита, сапонита, волконскоита и др. Эти минералы отличаются друг от друга составом катионов в октаэдрах кристаллической решетки и образуют целый изоморфный ряд, из которого можно выделить три главные серии: глиноземистую, железистую и магнезиальную. Как показывают электронномикроскопические исследования, члены этого изоморфного ряда различаются и морфологией своих частиц, но всем им свойственны высокая дисперсность и расплывчатость очертаний (рис. V-10, V-11). Характерными признаком минералов монтмориллонитовой группы является также переменное содержание в их составе воды, сильно изменяющееся в зависимости от влажности окружающей среды. причем вода может выделяться из минералов в воздух, если влажность его мала, и поглощаться ими из влажного воздуха.
При нагревании минералов группы монтмориллонита происходят три эндотермические реакции (рис. V-12). Строение кристаллической решетки монтмориллонита в общем близко к строению решетки каолинита (см. рис. V-9), но в противоположность каолиниту отдельные слоистые пакеты монтмориллонита построены симметрично. Связь между этими пакетами слабее, чем связь между пакетами, обращенными друг к другу разноименными слоями атомов, как у каолинита. Поэтому вода легко проникает в кристаллическую решетку монтмориллонита, раздвигает ее и обусловливает сильное его набухание.
При этом решетка его может легко раскалываться, вследствие чего кристаллы этого минерала никогда не достигают значительных размеров. В воде они могут распадаться на частицы размером менее 0,001 мм, обусловливая увеличение удельной поверхности.

Для решетки монтмориллонита характерна также способность внутреннего замещения одних ионов другими, меньшей валентности (Al3+ на Mg2+ и Si4+ на Al3+). Такая замена вызывает появление в решетке дополнительных свободных валентностей и увеличивает ее адсорбционную способность. Отмеченные особенности строения кристаллической решетки монтмориллонита обусловливают ее подвижность и очень высокую гидрофильность.

Минералы группы монтмориллонита образуются почти исключительно в экзогенных условиях, преимущественно в процессе выветривания (путем гидролиза) основных изверженных пород в условиях щелочной среды (pH = 7/8,5) в сухом и полусухом, умеренном и теплом климате. Монтмориллонит может возникать также в море при условии щелочной среды. Минералы этой группы устойчивы при определенных условиях и могут сохраняться в течение длительных периодов времени. Так, например, известны юрские, меловые, палеогеновые монтмориллонитовые глины. При смене щелочных условий среды кислыми монтмориллонит и минералы этой группы разрушаются и могут переходить в каолинит и другие глинистые минералы. Образование минералов группы монтмориллонита возможно и синтетическим путем в результате кристаллизации гелей, выпадающих из коллоидных и истинных растворов в водоемах, почвах и т. д.

Гидрослюды — это большая группа слюдоподобных минералов, представляющих собой продукты различной степени гидратации слюд. В эту группу входят гидромусковит, иллит, глауконит, селадонит (железистый глауконит), гидробиотит и др. Гидрослюды занимают промежуточное положение между слюдами и монтмориллонитом. От слюд они отличаются большим количеством воды и меньшим содержанием калия, а от монтмориллонитов — большим содержанием калия и отсутствием или слабо выраженной способностью разбухания слоев под воздействием воды или органических соединений. В эту группу входят также многие смешаннослойные минералы.
Электронно-микроскопическими исследованиями установлено, что для минералов этой группы характерны сравнительно небольшая толщина частиц и резкость их очертаний. На снимках тонкие серые пластинки гидрослюды (рис. V-13, а) имеют изометричную, иногда слегка удлиненную форму и резкие очертания. Наблюдающаяся у некоторых гидрослюд расплывчатость очертаний свидетельствует об их разрушении при переносе и замещении минералами монтмориллонитовой группы.

Структура кристаллической решетки гидрослюд, по мнению многих исследователей, сходна со структурой решетки монтмориллонита. Однако наличие в решетке гидрослюд ионов калия, расположенных между слоистыми пакетами, скрепляет их и придает ей большую прочность и неподвижность. Поэтому кристаллы гидрослюд обычно крупнее, чем кристаллы монтмориллонита. Гидрослюдистые глинистые породы при увлажнении пластичны, гидрофильность их имеет средние значения между каолинитовыми и монтмориллонитовыми глинами. При нагревании гидрослюд обычно наблюдаются три эндотермические реакции и одна экзотермическая (рис. V-14),
Гидрослюды образуются в различных условиях среды, но преимущественно в щелочных (pH до 9,5), нейтральных и слабокислых, всегда при достаточно высокой концентрации калия в водных растворах. Наличие калия в гидрослюдах указывает на сравнительно слабое химическое выветривание исходных минералов, наблюдающееся обычно в условиях холодного полусухого и влажного климата. Гидрослюды встречаются в разных фациях, как континентальных так и морских.

В море благодаря наличию калия в морской воде гидрослюды могут возникать из продуктов изменения других глинистых минералов.

В глинах и глинистых породах встречаются и другие глинистые минералы, например сепиолит, палыгорскит, хлориты, но они обычно составляют незначительную примесь и не определяют свойств породы в целом. Эти минералы представляют интерес для восстановления условий формирования глинистых пород. В зависимости от преобладающей группы глинистых минералов выделяют различные типы глин и глинистых пород (табл. V-9).
Исследования показывают, что глинистые минералы не только являются показателями условий среды, в которой образуются глинистые породы, но имеют руководящее значение при определении их физико-механических свойств, что будет показано ниже. Здесь же следует отметить, что при инженерно-геологической оценке глин и глинистых пород необходимо производить исследование минерального состава, и особенно тонкодисперсной части.

Минеральный состав песчаных и других обломочных рыхлых несвязных пород существенно отличается от состава глинистых пород. Для крупнообломочных пород (псефитов) характерно, что они обычно образованы обломками пород, а не минералов, как многие пески и алевриты. Петрографический состав обломков может быть различным в зависимости от состава исходных пород, за счет которых шло формирование обломочных пород.

В минеральном составе песков и алевритов преобладают обломки первичных (реликтовых) минералов — кварца, полевых шпатов, карбонатов, т. е. главным образом минералов, образующих легкую фракцию, содержание тяжелых минералов обычно небольшое (менее 1 %). Для песков характерно также незначительное содержание глинистых частиц (менее 3 %) и растительных остатков. Как примеси и включения в них встречаются обломки пород, в соответствии с чем выделяют пески гравелистые, щебенистые, валунные и др. Пески и алевриты часто служат заполнителем галечников и других крупнообломочных пород.

По минеральному составу пески подразделяют на мономинеральные, т е весьма однородные (например, кварцевые), олигомиктовые (малосмешанные), например кварц полевошпатовые, и полиминеральные (сильносмешанные). Важно характеризовать пески также с точки зрения содержания примесей, например, выделять пески слюдистые, глауконитовые, пылеватые (алевритовые) и др.

Алевриты обычно мономинеральные (кварцевые) или олигомиктовые с доминирующей составной частью из кварца.